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化工程序設計

Chemical Process Design

作　　者：徐武軍、張有義
出版社別：五南
出版日期：2017/04/01(2版1刷)
ＩＳＢＮ：978-957-11-9095-2
書　　號：5BB7
頁　　數：552
開　　數：16K
定　　價：650元
優惠價格：585元

試閱

　　化學工程學系是以教學研究生產化學品程序為中心的學系，而程序設計(process design)則是化學工程學系中將質能平衡、單元操作、動力學、熱力學等基本課程綜合凝聚在一起的課程。
　　本書是第一本由國人自行編著的中文化工程序設計的教材。內容以平實的敘述筆法鋪陳了化工程序設計的過程和步驟、工業界的實務經驗，和以美國化工學會(AIChE)年度競賽題目為基礎的設計範例。適合作為化工系程序設計課程的教材，以及作為化工從業人員的基本參考資料，對台灣的化工教育界及產業界提供有意義的參考。

●徐武軍
學經歷：1958年　成功大學化工學士
　　　　1962年　Washington Uni,化工碩士
　　　　1969年　University of Missouri(Columbia)化工博士副修固態物理
　　　　1971年-1975年　成功大學化工系副教授
　　　　1976年-1980年　工業技術研究院化工所顧問、副所長
　　　　1980年-1985年　菲力浦石油亞洲公司資深企劃發展經理
　　　　　　　　　　　Senior Project Development Mngr.Phillip Petroleum Co.Asia
　　　　1985年-1991年　台灣合成橡膠公司顧問，業務副總經理，資深副總經理
　　　　1991年-2002年　東海大學化工系副教授，曾兼任研發處執行長、總務長
●張有義
現職：東海大學化工系專任教授
學歷：南加州大學化工博士

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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：
第一種是設計原理（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。

PFD（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。
操作手冊（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（test run）。
•正常操作（nomal operation）。
•停（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。

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