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程序設計 : 裝置與材料的選擇 (process design: material and equipment selection)

程序設計 : 裝置與材料的選擇 (process design: material and equipment selection). 清大化工 周更生. 參考資料 – 呂維明教授等著 : 化工程序設計概論 Get this file from my website  上課講義. 畢業時的人生目標 (personal objective)  清晰而且長遠 : 領袖級人物 , 上層社會 (clear and far-reaching: leaders, upper class)  清晰的較為短程 : 專業人物 , 中上層社會

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程序設計 : 裝置與材料的選擇 (process design: material and equipment selection)

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Presentation Transcript

  1. 程序設計: 裝置與材料的選擇(process design: material and equipment selection) 清大化工 周更生 參考資料 – 呂維明教授等著: 化工程序設計概論 Get this file from my website 上課講義

  2. 畢業時的人生目標(personal objective) 清晰而且長遠: 領袖級人物, 上層社會 (clear and far-reaching: leaders, upper class) 清晰的較為短程: 專業人物, 中上層社會 (clear and short range: professional, middle-upper class) 模糊的目標: 普羅大眾, 中層社會 (ambiguous: ordinary people, middle class) 沒有目標: 抱怨終身. 基層社會 (no goals: complaining all the time, base class)

  3. 業界(or 世界)的需求 (industry need): 成本 cost越低越好cheap/low 合理reasonable勉強 表現 performance越棒越好 great 合理reasonable勉強

  4. 擁有獨門技 不怕不景氣 【聯合報╱李家同／清大孫運璿榮譽講座教授（新竹市）2012/9/22】 我最近去線西（彰濱工業區），參觀一家製造特用化學品的公司，這家公司有一百多種化學產品，賣給全世界很多非常有名的廠商。最令我羨慕的是他們的業績非常好，紅利更是高得驚人，外面的不景氣從來沒有對他們有何影響。(推測大概是百達精密化學)

  5. Process: physical/ chemical/biological Raw Materials Purification (separation) Wastes (gas, liquid, solid) + Products

  6. 程序設計(process design): • 原料(raw materials) 產品(product)+ 副產品 (bi-product)(中間的一連串過程process in between) • 廢棄物: waste gas/waste water/solid waste • 意外事件: fire/explosion/leakage • 產品的正面價值 vs環保及安全的負面效應 • 安全第一/環境至上 vs生產第一/效率至上 • 程序(操作)的種類: 生物的/化學的/物理的 • 不同程序(操作)的目的: 轉化 reaction (biological or chemical) /分離純化 • Laboratory R & D  Pilot  Process Design  Construction of Full Plant  Pilot run then full operation • 前面三年所學的綜合應用

  7. Material and Energy Balance: always the first thing to do

  8. Different forms of energy will have different meaning because the efficiency for producing and applying them will be different.

  9. ISO 9000 Quality Control 品質 ISO 14000 Environmental 環保 ISO 1800Safety & Health 安全與衛生 ISO 50001Energy 能源管理

  10. 化學反應操作: -- 均相反應(氣/液)/非均相反應(氣固/液固)(觸媒)/生化反應(發酵) -- 批次反應器batch reactor/CSTR連續式/固定床fixed bed/流體化床 fluidized bed/移動床moving bed -- 操作條件的決定: 反應動力學/溫度—壓力—流速—濃度等參數的決定

  11. 流體流動及操作: -- 流體輸送及儲存 (pump/pipe/storage tank)/流體在裝置內流動(含mixing—uniformity is the key)/流體化(固體的行為)/沈降/過濾/離心分離 (都是固液相的相關操作) 熱傳及操作: -- 沸騰/蒸發/冷凝/燃燒 (鍋爐/熱媒/冷媒/其他各式熱傳裝置)

  12. 熱質傳操作: -- 乾燥/調濕/空調 粉粒體操作: -- 研磨/篩分/混合/造粒/粉體輸送及儲存/表面處理 質傳分離操作: -- 蒸餾/吸附/吸收/離子交換/萃取/薄膜分離/晶析crystallization/層析chromatography

  13. 程序工程: -- 程序設計/程序運轉與管理/程序控制process control/最適化process optimization 常見若干裝置及需要決定的規格: -- 反應器類reactors/塔類towers/槽類tanks/熱交換器heat exchangers/幫浦pumps/攪拌混合 -- 形式/大小(直徑高度)/形狀/製程的溫度與壓力/流體種類/流體特性/內部構造/材質(腐蝕性/吸附特性)/厚度

  14. 製程範例: --glutamic acid (麩胺酸)+ NaOH/activated carbon 中和脫色 (neutralization/decolorization) pH=6.5/45oC(+ 水)過濾/清洗  濾液 + 濾餅 cake (+NaOH or HCl) 離子交換  (廢液) 二次過濾 (+ 過濾助劑 filter aid) (廢固體)蒸發 Evaporation (+ seed crystals) 結晶 清洗/除水  (+ 85oC 熱空氣) 乾燥  篩分 (去除過大及過小粒子) 含0.5%水份 之味精 (MSG= monosodium glutamate)

  15. 一定先質能平衡一下

  16. 建構Process Flow Diagram process optimization(如果有能力)

  17. 裝置的規格: • 名稱  數量  形式 type • 待處理物質的狀態(G/L/S)/條件(x/T/P/etc) • 操作條件/物質數量 • 裝置體積/長寬高/直徑/地板面積 • 主要設計尺寸 (如熱傳面積/過濾面積等) • 建議材質  進出口管徑大小 • 管線的特殊考慮 (閥/材質/etc) • 儀表  公用水電 utility(含蒸氣/高壓空氣) • 建造的細節  可能的供應商 • 工時預估  成本概算 • 製造廠商顯為提供相關規格及表格者之一

  18. 許多裝置已屬標準規格 (配備) 可直接採購: 例如空壓機/真空設備/粉碎機/過濾機/集塵設備/管式熱交換器/板狀熱交換器/乾燥裝置/結晶裝置/蒸發裝置/離心分離/萃取裝置/包裝與計量/幫浦 • 其他需特別訂做: 大多數的反應器/蒸餾塔/吸收塔/吸附塔/etc • 安全係數safety factor的概念: 所設計與未來實際應用必然有差距/一般以設備20%為宜

  19. 範例: 幫浦的選擇 (需要有經驗的人/或者照抄)

  20. 流量與壓差(pressure head)是幫浦選擇考慮主要項目

  21. 氣體輸送壓縮裝置 (風量與輸出壓力)

  22. 離心幫浦 centrifugal pump : 不同的設計而會有不同的特性(例如cavitation的問題)

  23. 這些資料理當由製造商提供 效率係指electrical energy input 與 mechanical energy output 之間的比值

  24. 管及管徑: • 必要的附屬裝置/設備與設備之間的輸送/pipe fitting • 無縫管 vs 一般接頭的管 (各有優缺點) • 壓降考慮(距離,零件)/耐壓性(厚度)/管徑(流量) • 最適管徑 optimum pipe size= 總投資最小 (固定投資 + 操作費用)

  25. 一些經驗數字可供參考

  26. 熱傳裝置: • 熱傳面積計算 Q = U A TlmFt • Q = 總熱負荷 W,U =overall heat transfer coefficientW/m2-oC,A =heat transfer area, △Tlm=log mean temperature difference,Ft = 修正係數 (co-current/counter-current)(此值至少選擇0.75以上)

  27. 為了定期清洗可能需要設計人孔

  28. 攪拌混合-- 一個容易被忽略的項目, 其與成品/反應均勻性息息相關

  29. 許多的選擇, 大概都以經驗為主要依據

  30. NP =P/(ρn3D5)

  31. 反應器的綜合反應率: 實際包括反應動力學外, 還一定包括不同程度的流力/熱傳/質傳的影響

  32. 化學反應的操作方式: 批次/半批次(semi-batch)/半連續式/連續式

  33. 若干反應裝置的式樣

  34. 構造材料之選擇: • 考慮要點: 價格/耐腐蝕力/強度(耐壓性or機械性質, 注意其與溫度之關係)/耐磨性/加工性/附著性物理性質(熱膨脹係數, 熱傳導係數, 吸水特性等) • 金屬材料: 如不銹鋼 316L,304,304L; 普通鋼材, 鋁,Hastelloy C • 其他材料(非金屬): PE, PVC,ABS,TFE (熱固性thermal setting/熱塑性 thermal plastic)複合材料, 玻璃, 橡膠, 陶瓷等

  35. 台塑六輕最近(100/8/1)七次火災, 包括直接起火點的烯烴一廠、煉油二廠、輕油裂解二廠、煉油三廠的四大廠區，及三次起火的公共管線附近可能連動到的廠區 (據稱材料的不當選擇是病因)

  36. 溫度對強度的效應: 高溫時強度急遽下降之效應不可忽略

  37. 襯裡(lining)材料: 主要為搭配比較便宜的外殼材料, 應付所需處理物種的腐蝕性, 玻璃/鐵弗龍為常見之選擇

  38. 範例: 將液苯及氯氣在水相中, 催化劑及凝結迴流溫度下合成BHC除蟲劑 • 主要裝置為反應器chlorinator(99% 反應率), 以及reflux condenser • 因為反應熱不小, 所以除了jacket外, 上需蒸發一部分苯以消耗反應熱, 故意需要冷凝迴流器以回收苯 • 由於含有濕氯氣及鹽酸, 所以腐蝕性甚強

  39. B1反應器 B2凝結迴流器 B3氣液分離器 A3苯輸入幫浦 A5液氯蒸發器 D8鹽酸迴送幫浦

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