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從化學實驗到量產

從化學實驗到量產. 日期： 2011.05.24. 主講人：徐武軍 東海大學 化材系 副教授 成功大學化學工程學系 華盛頓大學化學工程學系碩士 密蘇里大學化學工程學系博士. 導論. 基礎設計 反應系統 分離系統 細部設計 基礎設計 + 場地及安全和環保要求 + 場地條件 細部設計. 化工人：. 經由化學反應生產不同材料的工廠： 染料、塑膠、人纖、合成橡膠、添加劑等等。 和其他產業的區別大，從業人少。 將材料加工為終端產品；及構成終端產品零配件的工廠： 和其他產業的相似度高；從業人數多。 前者是化工教育的重點。. 理想製程.

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從化學實驗到量產

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Presentation Transcript

  1. 從化學實驗到量產 日期：2011.05.24 主講人：徐武軍 東海大學 化材系 副教授 成功大學化學工程學系 華盛頓大學化學工程學系碩士 密蘇里大學化學工程學系博士

  2. 導論 • 基礎設計 • 反應系統 • 分離系統 • 細部設計 • 基礎設計 + 場地及安全和環保要求 + 場地條件 細部設計

  3. 化工人： • 經由化學反應生產不同材料的工廠： • 染料、塑膠、人纖、合成橡膠、添加劑等等。 • 和其他產業的區別大，從業人少。 • 將材料加工為終端產品；及構成終端產品零配件的工廠： • 和其他產業的相似度高；從業人數多。 • 前者是化工教育的重點。

  4. 理想製程 • 加工步驟最短 • 最簡單的製程

  5. 化工製程包含 • 化學反應和分離操作 • 化學反應：必不可少 • 分離操作的繁簡→由化學反應決定

  6. 如果： • 產品的收率(yield)或原料的選擇性(selectivity)= 100% → 沒有副產品 • 原料的轉化率(conversion) =100% → 沒有未反應的原料 • 沒有不參與反應的物質 則 即是最簡單、最美的化學製程。

  7. 溶劑 • 固態反應物以分子狀態呈現 → 增加反應機率。 • 氣態反應物在溶液中的濃度大於氣態 → 減低反應時的壓力。 • 溶劑的極性影響反應物形成離子的速率 → 增加反應速率。 • 減低黏度，增進攪拌和混合效率，促進產品性質的均勻。 • 作為控溫的方式。

  8. 水 • 控制黏度及溫度 • 水蒸氣 • 在反應後摩爾數增加的反應中，增加轉化率。 • 氮氣 • 保護產品不被氧化 • 流動床類反應氣中流動的媒體。

  9. 轉化率 • 取決於平衡條件。 • 反應開始後，單位時間中轉化率隨反應時間增加而減少；即 反應器效率 = 下降。 即是，過度提高轉化率，會減低設備效率。

  10. 製程研發和設計的目標： • 提升產品的收率 或 • 原料的選擇性 比較製程研發和設計的基礎： • 收率高的優。

  11. 高收率的優點： • 原料的利用率高，原料的成本低。 • 分離產品和副產品的困難度，高於分離產品和未反應的原料。 如果相同產品，不同製程的收率相近， • 副產品和產品容易分離者優。

  12. 選擇反應條件的優先次序： • 安全，反應在可控制且安全情況進行。 • 高收率 • 分離的困難度，和費用。

  13. 資訊 • 生成物 (產品、副產品) 的： • 平衡條件 • 反應速率式 • 反應速率式： • 活化能：溫度對速率的影響 • 反應級數：濃度對速率的影響 選擇： • 利於產品生成 • 不利於副產品生成 的反應條件

  14. 分離的困難度和費用 • 以溶劑為例： • 價格 • 物性的差距 • 氣化熱的高低 • 用量

  15. 反應器設計 • 理論指導方向 • 實務尊重經驗 • 實踐是檢驗真理的唯一途徑

  16. 理論指導方向 • 例如高濃度有利於提高收率 • CSTR：反應物逐批分別加入到反應器中， 以保持高濃度。 • 平推流反應器：反應物延反應器逐批加入。 • 反應器內的濃度和溫度要均勻一致。

  17. 實務經驗 • 以反應器為例： • 高與直徑比 • 底部的弧度 • 攪拌葉之 • 種類、數量和位置 • 冷卻系統 • 夾套、蒸氣冷凝、外循環 • 材質

  18. 實踐是檢驗真理的唯一途徑 • 用於生產的反應器和取實驗資訊的反應器是不一樣的。 • 第一次試俥所得到的資訊要詳細分析、比較，以便修正。

  19. 反應系統 • 設計產能 → 反應器的大小和數量 • 反應條件 → 進料的溫度、壓力和量 前置處理設備 • 原料供應 → 貯存設備

  20. 緊急應變系統未包含在內

  21. 分離系統 • 反應系統的出料，即是分離系統的進料 • 反應系統出料狀態(溫度、壓力) • 如果和分離系統進料的要求有差異，即需要先用前置作業，使二者配合。 (最好不要，是能源的耗用)

  22. 分離次序 • 最難分的，最後分。 • 蒸氣壓高的先分(分餾)。 • 量大的先分。 • 塔頂和塔底的摩爾流量盡可能相同(分餾)。 • 活性高的成分先分。 • 未反應的反應物先分。

  23. 分離的原則 • 不同的物質 → 不同的分子結構 • 性質的差異性愈大，愈容易滿足分離的要求 → 容易做到完全分離，費用也相對的少。 不同的性質 物理性質 化學性質

  24. 相的差異 • 比重的差異 • 分子結構的差異 • 大小 • 分子間的作用力 • 沸點、蒸氣壓 • 不同分子之間的作用力；相容性，形成溶液(均勻相)的可能。 • 極性 • 形成離子的條件 • 化學性質

  25. 異相分離 • 固態和液態及氣態 • 液態和氣態 • 介面性質不同的固態─選礦 • 不相容的液態

  26. 沉澱 • 離心及動量 • 靜電 • 過濾 • 膜分離 • 水滌 • 乾燥

  27. 不相溶的液態 • 油水分離 • 自汽油中分離BTX 膜分離： • 均相分離分子結構 • 不同的物質

  28. 均相分離 • 將均相 → 異相 • 分餾 • 結晶 • 利用物質性質的差異 • 吸收 • 萃取 • 吸附 • 膜分離

  29. 分餾 • 研究的最多、最深的分離過程，佔70~80%的分離過程 • 塔板和填充料由專業工廠提供 • 設計時經驗和實驗數據很重要

  30. 分離過程設計 • 理論指導方向 • 專業器材供應者的資訊非常重要 • 實驗是檢驗真理的唯一途徑

  31. 確定分離單元 • 反應器出口的物流，即是第一分離單元的進料 • 調整二作業單元間物流的狀態，溫度、壓力、流量 • 設計操作單元的前置作業： • 泵、熱交換、壓縮機 • 視需要，在單元之間設緩衝槽

  32. 從BFD → PFD → P&ID • BFD：確定所需要的操作單元 • PFD：確定產量 • 產量 → 反應器的大小 進、出料及狀態 前置設備：種類、規範、處理量 • 分離單元：進出料量及狀態 前置設備：種類、規範、處理量 • 做出流程圖，包含：水、電、水蒸氣的需求

  33. 標明：進出個操作單元，及泵、熱交換器等設備的、每一物質的流量(重量及摩爾)及狀態標明：進出個操作單元，及泵、熱交換器等設備的、每一物質的流量(重量及摩爾)及狀態 • 做成物流總表(Material Flow Summary) • 將設備： • 分類(槽、塔、反應器，熱交換器、泵等)、分項、列出主要規格和材質 • 做成設備總表(Equipment Summary)

  34. PFD=流程圖 + 物流總表 + 設備總表 • P&ID = PFD + 管路大小及要求 水、電、蒸氣規格 儀表的種類、位置

  35. 基本技術(設計)資料 • Basic Design Package • 設計原理(Design Principle)或 製程說明(Process Description) • PFD • P&ID • 操作手冊

  36. 設計原理 • 化學反應的條件，包含： • 溫度、壓力、速率、反應熱、轉化率、收率、副產品的種類和量。 • 化學反應機理、平衡條件等 • 影響反應的因素：雜質、溫度上限等 • 原料的規格及單位用量 • 產品規格及檢驗方法 • 副原料：催化劑、溶劑的種類、規格及耗用量

  37. 建廠 • 選定場地 • 環保及安全要求 + 基本設計 • 細部設計(建廠施工圖) 工廠配置圖 Pilot Plan

  38. 發包施工 • 操作手冊 • 清洗 • 測漏 • 開俥 • 正常運作 • 緊急停俥 • 停俥

  39. 謝謝！

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