化工程序設計

導　論
在本章中將說明：

•製程設計的定義和原理（1.1及1.2節）。
•化學工廠設計所包涵的內容。
•課程內容。

1.1　製程設計的定義
process的原義是 “a systematic series of actions directed to some end”，即是為達到某一目的而採用的系列性動作。適用的範圍很廣，例如：

•在收到車輛換牌照的通知之後，完成繳費動作並取得收據是公文處理（documment processing）。
•冷飲店製作珍珠奶茶的過程是食品加工（food processing）。
•台塑將乙烯聚合成聚乙烯用的是化學過程（chemical process）。

在和商業有關的行為中，process 是指：
將某一事物轉變為可為顧客所能接受產品的過程。
而在化學工業中的定義是：
將原料轉變成為能被顧客接受產品的過程，過程是以化學反應為核心。
是以 process 一字的中文譯名，為「過程」；由於在過程中涉及到一定分量的技術，也有將 process 譯名「工藝」的，工藝的原意和英文的 technology 相近。流程是另外一種譯法。本書採用「製程」和「程序」。
化工製程設計是設計一個以化學反應為核心，將原料轉變為能為顧客所接受的產品的生產工廠，內容包含工廠的硬體，以及操作的原理和程序。
在前述的定義中，以「能為顧客所接受的」文字來界定產品的品質，而不用「最高品質」、「最純的產品」之類的形容詞。因為不同的產品有不同的市場；同一化學品用於工業製造是一種規格，用於醫藥或化粧品則完全是另一種規格，不能混為一談。「為顧客所能接受」或「滿足顧客的需要」是比較正確的說法。在商業上要追求的是市場，不是盲目的追求「高品質」。
化學工廠的產品是材料，這些材料在經過下游工廠加工之後，成為終端商品。例如化學工廠生產塑膠，下游的加工廠再將塑膠製造成不同的產品賣給顧客，人造纖維工廠將產品賣給紡織工廠將人織紡織成布料，染整工廠將布料加上自染料工廠買來的染料將布料美化，再賣給成衣工廠製作成賣給消費者的衣物。是以化學工業是製造業的基礎。德國以機械、電機和化工產業為基礎，可以在3C產品缺席，但仍是一等一的製造大國。
簡化一般是將原有的步驟合併或者消除，即是減少製程所需要的步驟；或者是減少製程中設備（equipment）的數量。
化工製程一般包含化學反應和分離操作兩部分。而化學反應決定在分離過程中要分出哪些物質，和每種物質的量是多少。即是化學反應決定分離操作的繁、簡，是以反應器的設計和操作條件的設定，是化工製程設計的重心。
在不損害到產品品質的前提下，比較簡單的製程具有下列優點：

•容易操作。
•由於步驟比較少，是以
■ 投資（capital investment）比較少。
■ 操作時所需要的水、電、蒸氣的量相對減少，亦即是操作費用（operating costs）比較低。

追求製造流程的簡化，是企業界的全民運動，從工廠到銀行和泡沫紅茶業者都是一樣。簡化的驅動力是要降低成本。用另外一種方式來表達，簡化流程就是「合理化」生產流程。
1.3　製程設計的基本資料
設立一座化學工廠所需要的、最基本的資料是什麼？在本節中，將以在技術轉讓（technology transfer）時，賣方所提供的技術資料為例，來作說明：
在購買技術以設立工廠時，有兩種作法：

•一種是整廠輸入式（turn key，意思是就如同買汽車一樣，付了錢，坐上車，轉一下key就開走了），即是由技術出讓者除了技術之外，尚負責建廠和試𠕇等工作。台灣目前採這種方式建廠的人非常少。
•另外一種方式，是只購買技術，並要求技術出讓者提供必要的指導和服務，自行建廠。

第二種購買技術方式的技術內容是包含在下列三種文件中：
�〃臚@種是設計原理（design principle），或是製程說明（process description），即是設計最基本的資料，包括：

•和化學反應相關的資訊，包括反應機理（mechanism）、反應條件，包括反應的溫度、壓力、速率（rate）、反應熱、轉化率（conversion）和收率（yield），及副產品的種類和數量等；以及反應動力（reaction knietics）和熱力學（thermodynamic），以及需要注意的地方等。這是整個製程最核心的部分。
•影響化學反應的因素，例如原料中所含不同雜質對轉化率、收率及副產品生成的影響；操作溫度的極限和溫度變化對收率、轉化率及副產品生成的影響等。這些資訊有兩個可能的來源：一是由反應機理引伸，另一是來自對現場操作的觀察。
•原料的規格，包含各種雜質的可容許最大量等；檢測方法，安全及貯量存時需要注意的事項及要求等。
•產品規格及檢驗方法。
•輔助原物料例如催化劑、水、電、蒸氣和其輔助用品的耗用量及規格。

�㎜FD（process flow diagram）及P&ID（pipe and instrument diagram），這是根據化學反應所作出的基礎設計（basic design），是用於實地建廠細部設計（detailed design的技術基礎。其內涵將在下一節中（1.4 節中詳細說明。細部設計除了技術因素之外，還一定要加入該廠現場的環境及地理因素。
�ˇ犑@手冊（operation mannul），這是根據工廠的實際情況，加上設計理念（design philosophy）所訂定出來的詳細操作步驟，是要在工廠的硬體設備完全定案之後才能完整的訂定，包含：
•管道清洗（cleaning）和測漏。
•試𠕇（test run）。
•正常操作（nomal operation）。
•停𠕇（shut down）。
•緊急事故（emergency）。
不包含在文件中的服務包含：
•細部設計的核定和認可。
化學反應的資訊，包含了在實際現場操作中所發生的情況。操作現場的資訊中包含有：

•在實驗室及實驗工場中觀察不到的現象，而在大量生產時顯示出來的資訊。例如微量副產品的形成和累積。
•理論和實際操作的區別。
一般將已具有工廠實地操作經驗的技術，稱為成熟的（proven）技術，其可靠性較未實地使用過技術為高。
不包含在基本設計技術資料之內，而為設計所必須的資料有：
•反應系統所含有各物質的物理性質例如比重、黏度，蒸氣壓等。
•各物質之傳熱性質例如比熱和熱傳導係數等。

上篇　程序設計及經濟評估

1　導　論
1.1　製程設計的定義
1.2　製程設計的目標
1.3　製程設計的基本資料
1.4　製程設計的內涵和次序
1.5　製程設計與經濟評估
1.6　內容安排

2　化學反應
2.1　化學反應
2.2　反應速率
2.3　反應速率常數
2.4　化學反應平衡及平衡常數
2.5　溫度對平衡常數及化學反應常數的影響
2.6　Le châtelier原理
2.7　速控步驟
2.8　綜結

3　化學反應器的選擇和設計
3.1　典型反應器
3.2　平推流反應器和CSTR之間的異同
3.3　收率與反應器的形態
3.4　反應器內的能量平衡及反應熱
3.5　反應器內的混合
3.6　反應器的熱傳
3.7　實務上的考量
3.8　反應器的放大
3.9　停留時間分布

4　多相分離
4.1　分離原理
4.2　多相分離
4.3　沉澱法
4.4　離心及動量法
4.5　靜電分離
4.6　過濾
4.7　水滌
4.8　乾燥

5　均相分離
5.1　分餾的理論基礎和裝置
5.2　分餾設計程序
5.3　特殊分餾
5.4　分餾的次序及整合
5.5　吸收和氣提
5.6　萃取
5.7　吸收
5.8　結晶和蒸開
5.9　膜分離

6　綜合討論
6.1　一般化工廠的操作範圍
6.2　理想製程
6.3　製程整合
6.4　綠色製程

7　從設計到建廠
7.1　資金成本及資金需求量
7.2　建廠過程
7.3　資金來源
7.4　結語

8　成本與利潤
8.1　直接成本
8.2　折舊和其他財務支出
8.3　利潤

9　經濟評估
9.1　預測未來的原料、產品和資金市場
9.2　評估的方法和指標
9.3　算例
9.4　敏感度分析
9.5　成本與售價的價差—利潤的來源

參考資料

下篇　範例

範例1　反應器設計
1.1　批次式反應器和連續式攪拌反應器的比較
1.2　CSTR和管式反應中溫度控制的方法
1.3　反應器中觸媒需要量的計算方法

範例2　蒸餾塔設計

範例3　觸媒反應器設計
3.1　程序設計解說
3.2　計算流程圖
3.3　各種物料基本性質數據之蒐集及計算
3.4　質量平衡計算
3.5　能量平衡計算
3.6　反應器質能平衡計算
3.7　反應器停工開工時間表
3.8　反應器尺寸大小的計算及設計
3.9　結語

範例4　烷基化反應
4.1　相關製程簡介
4.2　現階段製程上的選擇與考量
4.3　Mass Balance Calculation
4.4　Chem CAD的質量平衡計算
4.5　反應器所需的熱傳面積之計算
4.6　反應器體積之計算
4.7　蒸餾塔的設計
4.8　HF催化劑的分離
4.9　蒸餾塔塔徑與塔重之數據處理

範例5　尼龍66聚合反應器設計
5.1　質量平衡
5.2　反應器
5.3　製程成本分析

範例6　苯乙烯製程
6.1　製程簡介
6.2　最佳Reactor condition的選擇
6.3　CC-3 流程圖的說明
6.4　其他主要參數之計算
6.5　工廠生產與各項單元參數之整理
6.6　經濟上的評估（均以美元計）
6.7　最佳reactor condition的決定

範例7　多成分組成的分餾次序
7.1　決定分餾次序
7.2　四種分餾排列次序
7.3　模擬分析方法
7.4　Chem CAD的模擬結果
7.5　成本分析方法
7.6　總論