本研究採用多管式熱交換型式之填充床觸媒反應器產製醫藥級丙酮，以年產量15,000公噸、99.9 mole%純度之丙酮為設計目標。製程中除異丙醇脫氫反應器外，還包括氣液分離單元、丙酮吸收及氣提單元、丙酮純化單元與異丙醇回流等單元。
    透過Aspen Plus軟體之敏感度分析可知，雖然異丙醇在450oC時有最高的轉化率，但是為了避免高溫造成觸媒燒結，本研究反應器溫度操作在350oC。另外值得一提的是，由於脫氫反應是吸熱反應，高壓蒸汽並無法提供足夠的反應溫度，故在反應器的殼側導入融鹽 (Molten Salt) 當作熱媒源，融鹽本身則需藉加熱爐供給熱能。
    在熱能整合及節能減碳部分，吾人利用Aspen Plus內之 “HeatX＂模組進行熱能整合，藉反應器出口物流預熱冷流進料，如此得以省去蒸汽之使用量，經計算得知此熱交換量為547.5 kW；另外的設計方式，吾人可利用反應器出口的高溫物流生產蒸汽以供製程使用，若生產高壓蒸汽，其量有1,453 kg/hr；若生產中壓蒸汽，其量有1,522 kg/hr；而若生產低壓蒸汽，則其量有1,477 kg/hr。
    在製程經濟評估方面，根據計算整廠之年製造成本為US$21,603,090/yr  (不含折舊)，並由蒙地卡羅法模擬獲利及風險分析，在選擇MACRS折舊法的情況下，得知平均淨現值為US$10×106、平均投資報酬率為23%、平均回本期為2.2年。
    本論文之異丙醇脫氫反應製造丙酮的整廠設計，係使用化工程序軟體 “Aspen Plus”，主要進行其程序合成與設計，而程序流程圖則使用 “visio” 軟體繪製。

In this study, a multi-tube heat exchange, packed-bed catalytic reactor was used to produce pharmaceutical-grade acetone. The target was acetone with an annual yield of 15,000 metric tons and a purity of 99.9 mole%. In addition to isopropanol dehydrogenation reactor, gas-liquid separation unit, acetone absorption, stripping unit, acetone purification unit and isopropanol recovery unit are also included in the process.

Sensitivity analysis of Aspen Plus software shows that isopropanol has the highest conversion at 450oC. To avoid sintering of catalysts, we will operate the reactor at 350oC. It is worth mentioning that since the dehydrogenation reaction is an endothermic reaction and the high-pressure steam does not provide sufficient reaction temperature, molten salt is introduced into the shell side of the reactor as a heat medium source. Note that molten salt itself is required by using a heating furnace as a supply of heat.

 
In the thermal energy integration, energy-savings and carbon reduction section, we use the "HeatX" module in Aspen Plus. The strategy is to preheat the cold flow feed by the reactor exit stream, thus eliminating the need for steam usage. The heat exchange capacity is 547.5 kW. Another approach is that we can use the high-temperature reactor exit stream to produce various levels of the steam. High pressure steam can be produced with the amount of 1,453 kg/hr, medium pressure steam can be produced with the amount of 1,522 kg/hr, and low pressure steam can be produced with the amount of 1,477 kg/hr.

In the aspect of process economic assessment, the annual manufacturing cost of the plant-wide IPA process was calculated (excluding depreciation) as US$21,603,090/yr. Monte-Carlo method was used to simulate the profit and risk analysis. In the case of the MACRS depreciation method, we found that the average net present value was US$10×106, the average return on investment was 22%, and the average return period was 2.2 years.

It should be noted that, in this thesis, we used two kinds of software－Aspen Plus and “visio”. The first is applied to implement the process synthesis and design; the second is applied to draw the process flow diagram.

目錄	I
圖目錄	IV
表目錄	VIII
第一章  緒論	1
1.1 研究動機	1
1.2 研究目的與方法	2
第二章  理論基礎	5
2.1 程序合成與設計理論	5
2.1.1 程序合成與設計之經驗法則	5
2.1.2 洋蔥模式	9
2.1.3 程序的核心----反應器	10
2.1.4 分離及迴流	10
2.1.5 換熱氣網路	11
2.1.6公用設施	11
2.2  Aspen Plus簡介	12
2.2.1 Aspen Plus之基本架構	12
2.2.2 Aspen Plus之模擬操作步驟	13
2.3 狹點技術	17
2.4 吸收原理	19
2.5 蒸餾原理	21
2.5.1 原理介紹	21
2.5.2 平衡板模式 vs. 質傳速率模式	21
2.6 經濟評估分析	24
第三章  程序流程圖與製程描述	27
3.1 前言	27
3.2製程描述及流程圖	27
第四章  製程模擬	32
4.1製程之核心-----------反應器 (R-101)	32
4.2 分離系統-----------氣液分離槽 (V-102)	54
4.3 分離系統-----------氣提塔 (T-101)	56
4.4 分離系統-----------丙酮蒸餾塔 (T-102)	58
4.5 分離系統-----------異丙醇回收塔 (T-103)	61
4.6 異丙醇生產丙酮之整廠質能均衡表	63
第五章  熱能整合與節能減碳	65
5.1 前言	65
5.2 節能減碳之換熱器	67
5.3 蒸汽產出	71
第六章  工程經濟分析三部曲	76
6.1 經濟評估首部曲 ------ 總製造成本之計算	76
6.1.1 固定設備成本 (Fixed Capital Investment)	77
6.1.2人事操作成本 (Cost of Operating Labor)	80
6.1.3公共設施成本 (Cost of Utilities)	81
6.1.4 原料成本 (Cost of Raw Materials)	88
6.1.5 廢棄物處理成本 (Cost of Waste Treatment)	88
6.2 經濟評估貳部曲 : 利率、現金流、折舊與稅率	91
6.3 經濟評估參部曲 : 獲利分析、投資報酬率及風險概念	98
第七章  結果與討論	106
第八章  結論與建議	108
8.1 結論	108
8.2 建議	109
第九章  參考文獻	110
附錄	112



圖目錄

圖1.1、亞洲丙酮價格 (美金/噸)	2
圖1.2、各類丙酮之製程	3
圖1.3、異丙醇脫氫製程之方塊流程	4
圖2.1、洋蔥模式示意圖	9
圖2.2、常見蒸餾塔型式	14
圖2.3、為Aspen Plus中熱力學模式的選擇方式	16
圖2.4、狹點示意圖	17
圖2.5、吸收塔板數之McCabe-Thiele圖解法	20
圖2.6、物理性質需求比較	22
圖2.7、考慮方程式的比較…………………………………………….22
圖2.8、理想化之塔板流動模式	23
圖2.9、非平衡狀態示意圖	23
圖2.10、現金流量圖	26
圖2.11、現金流量圖之意義	26
圖2.12、現金流量圖之結果	26
圖3.1、異丙醇與水共沸之關係圖	28
圖3.2、異丙醇脫氫反應製造丙酮之製程流程圖 (PFD)	29
圖4.1、Sensitivity功能中”Vary”設定	33
圖4.2、Sensitivity功能中” Define”設定	34
圖4.3、Sensitivity功能中” Tabulate”設定	34
圖4.4、Sensitivity功能中” Fortran”設定	35
圖4.5、Sensitivity功能之模擬結果	35
圖4.6、溫度對轉化率及產率進行敏感度分析	37
圖4.7、反應器長度對製程內流體及熱媒源之溫度分佈	38
圖4.8、異丙醇脫氫反應器之模擬圖	39
圖4.9、反應器Property method之設定	40
圖4.10、燃燒室之程序模擬圖	42
圖4.11、加熱爐之操作條件	44
圖4.12、加熱爐之熱力學模式	45
圖4.13、燃燒室之操作條件	45
圖4.14、燃燒室之燃燒狀態	45
圖4.15、“Design Specs” 中之 “Define” 設定	46
圖4.16、“Design Specs” 中之 “Spec” 設定	46
圖4.17、“Design Specs” 中之 “Vary” 設定	47
圖4.18、“Design Specs” 中之 “Define” 設定	47
圖4.19、“Design Specs” 中之 “Spec” 設定	48
圖4.20、“Design Specs” 中之 “Vary” 設定	48
圖4.21、“Design Specs” 中之 “Fortran” 設定	48
圖4.22、“Design Specs” 中之結果	49
圖4.23、“Design Specs” 中之結果	49
圖4.24、燃燒室之程序模擬圖	50
圖4.25、“Design Specs” 中之 “Define” 設定	51
圖4.26、“Design Specs” 中之 “Spec” 設定	51
圖4.27、“Design Specs” 中之 “Vary” 設定	52
圖4.28、“Design Specs” 中之結果	52
圖4.29、燃燒室之物流資料	53
圖4.30、氣液分離槽之程序模擬圖	54
圖4.31、氣提塔之程序模擬圖	56
圖4.32、丙酮蒸餾塔之程序模擬圖	58
圖4.33、Refiux ratio之收斂結果	59
圖4.34、Distillate to feed ratio之收斂結果	59
圖4.35、異丙醇回收塔之程序模擬圖	61
圖5.1、換熱器E-101之T-Q圖	65
圖5.2、換熱器E-102之T-Q圖	66
圖5.3、原始製程流程	67
圖5.4、整合後製程流程	67
圖5.5、原先製程模擬流程	68
圖5.6、經整合過後之製程模擬流程	69
圖5.7、換熱器E-109設定	70
圖5.8、換熱器E-109資料	70
圖5.9、蒸汽輸出模擬圖	71
圖5.10、高壓蒸汽設定	72
圖5.11、高壓蒸汽輸出結果	72
圖5.12、中壓蒸汽設定	73
圖5.13、中壓蒸汽輸出結果	73
圖5.14、低壓蒸汽設定	74
圖5.15、低壓蒸汽輸出結果	74
圖6.1 總製造成本比例圖	90
圖6.2、MACRS折舊法之現金流量圖	93
圖6.3、MACRS折舊法之分析	93
圖6.4、直線折舊法之現金流量圖	95
圖6.5、直線折舊法之分析	95
圖6.6、NPV對獲利變數範圍之作圖	99
圖6.7、ROR對獲利變數範圍之作圖	100
圖6.8、PBP對獲利變數範圍之作圖	100
圖6.9、NPV對獲利變數範圍之作圖	101
圖6.10、ROR對獲利變數範圍之作圖	101
圖6.11、PBP對獲利變數範圍之作圖	102
圖6.12、淨現值數值分析圖	102
圖6.13、投資報酬率數值分析圖	103
圖6.14、回本期數值分析圖	103
圖6.15、淨現值數值分析圖	104
圖6.16、投資報酬率數值分析圖	104
圖6.17、回本期數值分析圖	105



表目錄

表2.1、Aspen Plus物流型態說明	13
表2.2、範例之經濟假設	24
表2.3、現金流量表	25
表3.1、異丙醇脫氫製程之設備清單	30
表4.1、異丙醇脫氫反應之物流資料表	41
表4.2、氣液分離槽之物流資料表	55
表4.3、氣提塔之物流資料表	57
表4.4、丙酮蒸餾塔之物流資料表	60
表4.5、丙酮蒸餾塔之物流資料表	62
表4.6、異丙醇生產丙酮之整廠質能均衡表	63
表4.7、異丙醇生產丙酮之整廠質能均衡表(續)	64
表5.1、換熱器之物流資料	66
表5.2、高、中、低壓蒸汽操作條件	71
表5.3、蒸汽產出量之比較表	75
表5.4、蒸汽產出之價格比較	75
表6.1、Pump設備成本	77
表6.2、Vessel設備成本	77
表6.3、Reactor設備成本	77
表6.4、蒸餾塔設備成本	78
表6.5、換熱器設備成本	78
表6.6、加熱爐設備成本	79
表6.7、各項設備人員需求量	80
表6.8、高/中/低壓蒸氣操作條件	81
表6.9、各顆換熱器之蒸氣需求量	82
表6.10、各顆換熱器之冷卻水需求量	84
表6.11、各顆pump之電力需求量	87
表6.12、各項成本金額	90
表6.13、貼現現金流量之經濟假設	91
表6.14、產品售價之回本期比較	92
表6.15、MACRS折舊之貼現現金流量表	94
表6.16、直線折舊之貼現現金流量表	96
表6.17、MACRS折舊法及SL直線折舊法之比較	97
表6.18、獲利變數之範圍	98
表7.1、鍋爐蒸汽產量及售出價格之結果	106

【1】 王永健，異丙苯法苯酚丙酮清潔生產技術，中國石化出版社，
  中國(2009)。
【2】	  https://google.com/patents/CN103772174B?cl=zh，引用日期 
  (24/11/2017)
【3】	  http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=8653，引用日期
  (24/11/2017)
【4】	Aspen Plus, ASPEN PLUS User’s Guide, V9, Aspen Tech., Boston, Ma, U.S.A. (2016).
【5】	Seider, W. D., J. D. Seader, D. R. Lewin, and S. Widagdo, Product and Process Design Principles Synthesis, Analysis and Evaluation, 3rd ed., John Wiley & Sons. Inc., Hoboken, N. J. U.S.A. (2010).
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【8】	Hohmann, E. C., Optimum Networks for Heat Exchange. Ph.D. Thesis, University of Southern California, U.S.A. (1971).
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【10】	Ahmad, S., B. Linnhoff, and R. Smith, “Cost Optimum Heat Exchanger Network-2: Targets and Design for Detailed Capital Cost Models,” Comput. Chem. Eng., 14, 751-767 (1990).
【11】	葉和明，單元操作(三)，三民出版社，第119-164頁(1997)。
【12】	萬家通，直傳速率模式預測蒸餾塔效率之研究，碩士論文，明新科技大學，台灣(2013)。
【13】	唐寧慧，質傳速率基礎模型在焦爐氣水洗氨製程模擬的應用，碩士論文，國立清華大學，台灣(2012)。
【14】	Taylor, R., R. Krishna, and H. Kooijman, Real-World Modeling of Distillation, Chem. Eng. Prog., 28, July (2003).
【15】	Turton, R., R. C. Bailie, W. B. Whiting, and J. A. Shaeiwitz and D. Bhattacharyya, Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes, 4th ed., Prentice Hall, New Jersey, U.S.A,265-269 (2012).
【16】	Turton, R., R. C. Bailie, W. B. Whiting, and J. A. Shaeiwitz and D. Bhattacharyya, Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes, 3th ed., Prentice Hall, New Jersey, U.S.A, B.10 (2008).
【17】	楊文霖，異丙醇CuO/ZnO觸媒表面脫氫反應的動力研究，碩士論文，國立成功大學，台灣 (1982)。
【18】	Turton, R., R. C. Bailie, W. B. Whiting, and J. A. Shaeiwitz and D. Bhattacharyya, Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes, 4th ed., Prentice Hall, New Jersey, U.S.A,(2012).