Transcript 裝置與材料的選擇
程序設計: 裝置與材料的選擇 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 1 Teach Vs Learn 2 正面價值 vs 負面損失 有形 vs 無形 3 畢業時的人生目標 清晰而且長遠: 領袖級人物, 上層社會 清晰的較為短程: 專業人物, 中上層社會 模糊的目標: 普羅大眾, 中層社會 沒有目標: 抱怨終生. 基層社會 4 業界(or 世界)的需求: 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 5 • 程序設計: • 原料 產品 + 副產品 (中間的一連串過程) • 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 6 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 7 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) 8 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 9 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 10 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) 11 一定先質能 平衡一下 12 建構Process Flow Diagram process optimization (如果有能力) 13 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 14 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 15 範例: 幫浦的選 擇 (需要有 經驗的人/ 或者照抄) 16 17 流量與壓差(pressure head)是幫浦選擇考慮主要項目 18 氣體輸送壓縮 裝置 (風量與輸 出壓力) 19 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) 20 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 21 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) 22 一些經驗數字可供參考 23 熱傳裝置: 熱傳面積計算 Q = U A Tlm Ft Q = 總熱負荷 W, U = overall heat transfer coefficient W/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) 25 為了定期清洗可能需要設計人孔 26 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 27 許多的選擇, 大概都以經驗為主要依據 28 NP = P/(ρn3 D5) 29 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 30 化學反應的操作方式: 批次/半批次(semi-batch)/半 連續式/連續式 31 若干反應 裝置的式 樣 32 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 34 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) 溫度對強度 的效應: 高溫 時強度急遽 下降之效應 不可忽略 36 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 37 C6 H6 ( 液相 ) 3Cl2 ( 汽相 ) 不存在化學放射線及置代觸媒 C6 H6Cl6 70C 水溶液 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 38 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 39