圖解單元操作
作  者╱
吳永富
出版社別╱
五南
書  系╱
圖解系列
出版日期╱
2022/05/01   (1版 1刷)
  
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I  S  B  N ╱
978-626-317-765-9
書  號╱
5BK4
頁  數╱
176
開  數╱
20K
定  價╱
280 (特價 221)



工廠中一系列的製造流程可以被拆解成小單元,分開的個別程序被稱為單元操作。每一種單元操作皆可視為原料輸入再形成產物輸出的程序,在各式各樣的生產流程中,只要基於相同的機制,皆代表同一類單元操作,唯有其規模不同。
工程師在生產技術的發展中扮演重要角色,尤其面臨新製程之設計時,往往只知道原料與產品,對於反應器、產品分離方法、操作條件等議題,皆有待思索,因而需要進行單元操作的設計。之後再思考整體程序,期望能減少步驟,改進個別操作之效率,尋找最適化的流程,最後再將規模放大,從實驗室推廣到試驗廠,再擴大到量產廠。工程師必須整理與研判各種構想和訊息,重複利用單元操作的概念,採用最經濟與最安全的程序,以建廠製造出產品。單元操作的對象可依物質狀態分為固體、液體和氣體,有時也包含超臨界流體,這些物質必須被輸送、加熱或冷卻,而且需要經歷混合與分離,因此牽涉動量、熱量與質量之輸送。掌握了單元操作的概念,即可奠定工業生產的基礎。本書扼要介紹混合與分散、多相分離、均相分離等單元操作,並闡述其原理、延伸和應用,可作為工程科系學生快速理解製程領域的入門資料。

吳永富

[現職]
明志科技大學化學工程系 副教授
明志科技大學半導體材料與製程學士學程 主任

[學歷]
台灣大學化學工程系 學士
台灣大學化學工程所 博士

[經歷]
工研院電子研究所 工程師
工研院平面顯示中心 研發課長
明志科技大學化學工程系 系主任

[著作]
電化學工程原理 (五南文化)
電化學工程應用 (五南文化)
圖解輸送現象 (五南文化)

第一章 基本原理
1-1 化學工程 
1-2 質能平衡 
1-3 輸送現象 
1-4 成分與相 
1-5 單元操作 
1-6 分離技術 
1-7 規模放大與縮小 
第二章 混合與分散操作
2-1 巨觀混合 
2-2 微觀混合 
2-3 固體填充床 
2-4 流體化床 
第三章 多相分離操作
3-1 沉降 
3-2 離心與旋風分離 
3-3 過濾 
3-4 泡沫分離 
3-5 洗滌與瀝取 
3-6 乾燥 
第四章 均相分離操作
4-1 蒸餾 
4-2 萃取 
4-3 吸收與氣提 
4-4 吸附與脫附 
4-5 離子交換 
4-6 層析 
4-7 蒸發 
4-8 增溼與除溼 
4-9 結晶 
4-10 膜分離 
第五章 整合性操作
5-1 萃取蒸餾 
5-2 反應蒸餾 
5-3 反應萃取 
5-4 反應萃取蒸餾 
第六章 總結
參考資料—延伸閱讀 
各章習題 
習題解答 

圖解顧客滿意經

圖解迴歸分析
第一次學工程數
學就上手(1)
─微積分與微分
方程式
普通化學
圖解改善管理
第一次學微積分
就上手




1-1 化學工程
生活用品如何生產?
現代生活裡的衣食住行育樂用品,多數是透過化學工業生產而得,甚至連綠能科技或循環經濟等新議題,也都伴隨著化學工程。但在古代,化工技術卻常出現於煉丹術或煉金術中,相關研究皆屬皇室貴族的特權。歐洲經歷文藝復興後,實用科學復甦,才逐漸發展出煅燒、溶解、蒸餾、染色等技術。1661年,Boyle出版《懷疑的化學家》,奠定了分析化學的基礎;1803年,Dalton提出原子說;1811年,Avogadro提出分子說。這些進展皆使化學步入微觀領域,至1869年Mendeleev建立週期表後,更確定了化學工業的發展基礎。進入20世紀,全球人口增加,為了滿足民生需求,化工技術被用來量產肥皂、玻璃、紙張等用品,並從家庭製造擴張成工廠量產。
以應用於玻璃、洗衣粉、氧化鋁、氫氧化鈉、淨水軟化劑、麵食的碳酸鈉(Na2CO3)為例,在工業革命前必須透過砍樹燒成灰才能製造,後來法國的Le Blanc使用食鹽、硫酸和煤炭,在高溫爐中製造出Na2CO3,但卻會生成具公害性的副產物HCl與CaS。比利時的土木工程師Solvay從小在父親經營的製鹽廠長大,熟悉裝置與程序知識,開發出6倍產量的新方法。然而,Solvay與他的同事們都是不懂工程的化學家,只能憑藉經驗掌握特定化學品之生產技術,無法推展至其他產品。
至19世紀末,英國的公害監察官George Davis發現不同的化學工廠皆具有共通程序,例如磨碎、分散、燃燒、攪拌、冷卻、蒸餾、過濾、萃取等單元,因而寫成《A Handbook of Chemical Engineering》,提出由單元操作組成化工程序的概念,並定義出化學工程師的職稱;之後還闡述了從實驗室研發進展到建廠量產的構想,因此被後人尊為「化學工程之父」。另在1888年,美國麻省理工學院(MIT)首創化工學程系,以工業化學與機械工程為主要授課內容,吸引許多大學跟進。1902年,W.H. Walker就任MIT化工系主任後,改採單元操作為核心課程,因而美國尊其為「化學工程之父」。
成型的化學工業技術首先來自化學家在實驗室測試構想,接著由化學工程師建立具有效益的生產線,大量製造產品並上市發售。因為化學家在實驗室中,只以泛用器材尋找反應條件或觸媒材料,經過簡單分離後得到產物,但不一定考慮到純度。然而,商品量產時不能單純地放大實驗室流程,還必須考慮原料純度、反應器類型、未反應物之回收、觸媒或溶劑之回收、反應熱之處理、產物分離方法、廢液廢氣處理等生產問題。因此,化工技術的發展可總結成下列步驟:
1. 實驗室測試
2. 試驗工廠測試
3. 程序最佳化模擬
4. 建廠與試車
5. 大規模量產
在上述流程中,化學工程師扮演重要的角色,尤其在設計新製程之前,往往只知道原料與產品,對於反應器、產品分離技術、操作條件等議題,皆待思索,因而需要進行單元操作的設計。之後再思考整體程序,期望能減少步驟,提升個別操作之效率。為了達到最高效率,可能會採用較多設備,但卻導致總成本增加,因此存在一種最佳設計,而化學工程師必須尋找最適化的流程,並且要將規模放大,從實驗室推廣到試驗廠,再擴大到量產廠。設計完成後,工廠尚需安全順暢的運轉,因此工程師還要提出良好的控制策略。
總結化學工業的流程,是指原料經過物理、化學或生化處理後得到最終產品的程序,之中的步驟包括進料前處理、化學反應、反應產物分離、產品純化和產品包裝輸送。化學工程師必須整理、研判與設計化學家所提出的構想和可資運用之訊息,採取最經濟與最安全的程序,以設廠製造出產品,之中將重複利用單元操作的概念。單元操作的對象可依物質狀態分為固體、液體和氣體,有時也包含超臨界流體,這些物質必須被輸送、加熱或冷卻,而且需要經歷混合與分離,因此牽涉動量、熱量與質量之輸送。掌握了單元操作的概念,即可奠定化學工業生產的基礎。