本研究採用指定溫度形式之填充床反應器進行丙烯氧化反應製造丙烯酸，反應產生之丙烯酸需經過驟冷單元、吸收單元、萃取單元、溶劑分離、酸分離單元，最終產出純度達99.9 mol%，年產量達50,000公噸之丙烯酸。
    吾人首先透過Aspen Plus進行敏感度分析，分析溫度對選擇率、產率、轉化率、丙烯酸流率、醋酸流率、放熱性能之影響，其結果在 310 - 350oC此溫度範圍時之轉化率與丙烯酸流率最佳，且反應之熱能較少。吾人選用310 oC (丙烯酸流率最佳點) 當作反應器出口溫度。在氧化反應器中需使用可燃物之爆炸界限進行安全評估，結果發現在進料端仍需額外通入約2500 kmol/hr 之氮氣(不參與反應)，方可確保反應器在安全範圍內運作。
在節能減碳部分吾人透過Aspen Plus之“Heat X＂模組進行冷熱物流之熱交換，吾人發現在整體製程上節省了8061 kW。
在製程經濟評估方面，根據計算整廠之年製造成本為US$100,687,193/yr (不包含折舊)，並由蒙地卡羅法模擬分析，在對企業有經濟效益的情況下，選擇MACRS折舊法計算，平均淨現值為US$40×106、平均投資報酬率為57%、平均回本期為4.8年。
本論文之丙烯氧化反應製造丙烯酸之製程設計，主要使用 “Aspen Plus” 化工程序軟體，進行程序合成與設計及換熱器網路合成，而程序流程圖則使用“visio” 繪製。

In this research, a packed-bed reactor with a specified temperature mode was used for the production of acrylic acid via the oxidation reaction of propylene. The plant-wide design undergoes a series of units, including oxidative reaction, quench, absorption, extraction, solvent separation and acid purification unit in an attempt to reach the goal of an annual yield of 50,000 tonnes acrylic acid with purity of 99.9 mol%.
Sensitivity analysis was conducted by using Aspen Plus. This analysis gives the effects of reaction temperature on the selectivity, yield, conversion, acrylic acid and acetic acid flow rate, and reaction exothermicity as well. The results indicated that conversion and acrylic acid flow rate was at optimum and lesser oxidative reaction heat generated when performed within the temperature range of 310-350oC. Therefore, the temperature of the reactor outlet was set at 310oC (optimal rate of acrylic acid flow). Explosive limits of combustible hydrocarbons in the reactor were evaluated and an additional of 2,500 kmol/hr of nitrogen gas (an inert gas which does not involved in the reaction) was found as a necessity to add in 
the feed streams so as to ensure the reactor was operated in the safety margin. An overall of 8,061kW of energy was saved from the entire process by conducting heat exchange via the“HeatX” module in Aspen Plus.
According to the calculation, the manufacturing cost of the whole plant was estimated at a cost of $100,687,193 per annual (depreciation excluded). In view of the enterprise economic benefit using Monte-Carlo simulation with MACRS depreciation method adopted, we found that the average net present value is US$40×106, the average rate of return on investment is 57%, and the average return period is 4.8 years, respectively.
In this study, two kinds of software were used—Aspen Plus and Microsoft “visio.”The former was implemented for the process synthesis and design. The latter was utilized to draw the plant-wide process flow diagram.

目錄

第一章、緒論	1
1.1 研究動機	1
1.2 研究方法	4
第二章、理論基礎	6
2.1程序合成與設計理論	6
2.1.1程序合成與設計之經驗法則	6
2.1.2 洋蔥模式	10
2.1.3程序的核心-反應器	11
2.1.4分離與迴流	11
2.1.5 換熱器網路	12
2.1.6 公用設施	13
2.2 Aspen Plus 模擬軟體簡介	13
2.2.1 Aspen Plus之基本架構	13
2.2.2 Aspen Plus之模擬操作步驟	14
2.3 狹點原理	17
2.3.1 狹點技術	20
2.3.2 數據擷取	21
2.3.3 狹點分析	23
2.3.4 熱交換器網路合成	26
2.4吸收之原理	28
2.5萃取程序之原理	29
2.5.1溶劑之選擇	30
2.5.2溶劑之比較	30
2.6 蒸餾原理	35
2.6.1 原理介紹	35
2.6.2 平衡板模式 vs. 質傳速率模式	35
2.7 經濟評估分析	38
第三章、丙烯氧化法製造丙烯酸之程序流程圖與製程描述	41
3.1前言	41
3.2製程描述及流程圖	42
第四章、丙烯氧化法製造丙烯酸之製程模擬	47
4.1程序的核心：填充床反應器	47
4.1.1反應器之敏感度分析	49
4.1.2安全評估分析	52
4.1.3填充床反應器模式之選擇	57
4.1.4分離系統-驟冷塔(T-101)	65
4.1.5分離系統-吸收塔(T-102)	68
4.1.6分離系統-萃取塔(T-103)	70
4.1.7分離系統-溶劑分離塔(T-104)	73
4.1.8溶劑補充量模擬	76
4.1.9分離系統-酸分離塔(T-105)	76
4.1.10二段壓縮系統-壓縮機(C-101)	79
第五章、節能減碳	86
第六章、工程經濟分析三部曲	91
6.1經濟評估首部曲-年製造成本的計算	91
6.1.1固定設備成本FCI(Fixed Capital Investment)	92
6.1.2人事操作成本COL(Cost of Operating Labor)	95
6.1.3公用設施成本CUT (Cost of Utilities)	97
6.1.4原物料成本CRM (Cost of Materials)	103
6.1.5廢棄物處理成本CWT (Cost of Waste Treament)	104
6.2經濟評估二部曲-現金流量圖	106
6.3經濟評估叁部曲-獲利分析	111
第七章、結果與討論	121
第八章、結論與建議	123
8.1結論	123
8.2建議	124
第九章、參考文獻	125
附錄	127




























圖目錄
圖1.1、丙烯酸之各類生產過程	3
圖1.2、填充床反應器產製丙烯酸之程序方塊流程	5
圖2.1、程序設計之洋蔥模式	10
圖2.2、整體分離系統整合	12
圖2.3、Aspen Plus之熱力學模式選擇流程	16
圖2.4、複合曲線預測能源目標	18
圖2.5、換熱系統的熱源與熱沼特性	18
圖2.6、狹點分界(零越過狹點熱流)	19
圖2.7、狹點分界(越過狹點XP單位的熱流)	19
圖2.8、線性化分段示意圖	22
圖2.9、單成份系統之相變化圖	22
圖2.10、最佳操作點之示意圖	23
圖2.11、吸收塔板數之McCabe-Thiele Diagram	28
圖2.12、萃取理論板數圖	29
圖2.13、二異丙醚三角相圖	32
圖2.14、醋酸乙酯三角相圖	33
圖2.15、甲基戊酮三角相圖	34
圖2.16、非平衡模式與平衡模式的物理性質需求比較	37
圖2.17、非平衡模式與平衡模式需考慮方程式之比較	37
圖2.18、現金流量圖	40
圖2.19、現金流量圖之意義	40
圖2.20、現金流量圖之結果	40
圖3. 1、填充床反應器產製丙烯酸之程序流程	44
圖4.1、反應器(R-101)敏感度分析	48
圖4.2、丙烯氧化反應之Rplug反應器模擬	49
圖4.3、Sensitivity功能中“Vary”之設定	50
圖4.4、Sensitivity功能中“Define”之設定	50
圖4.5、Sensitivity功能中“Tabulate”之設定	51
圖4.6、Sensitivity功能中“Summary”之結果	51
圖4.7、製程進料Air之設定	56
圖4.8、製程進料Propylene之設定	57
圖4.9、鍋爐飼水模式填充床反應器	57
圖4.10、反應器高度及鍋爐水之溫度分佈	58
圖4.11、鍋爐飼水模式填充床反應器之設定	59
圖4.12、鍋爐飼水模式填充床反應器熱力學設定	59
圖4.13、鍋爐飼水模式填充床反應器之 “Configuration” 設定	59
圖4.14、鍋爐飼水模式填充床反應器之 “Reactions” 設定	60
圖4.15、填充床反應器鍋爐飼水用量結果	61
圖4.16、鍋爐飼水模式填充床反應器產製丙烯酸產量	61
圖4.17、指定溫度模式填充床反應器	62
圖4.18、指定溫度模式填充床反應器之溫度設定	62
圖4.19、指定溫度模式填充床反應器之熱力學設定	63
圖4.20、指定溫度模式填充床反應器之 “Configuration” 設定	63
圖4.21、指定溫度模式填充床反應器之 “Reactions” 設定	63
圖4.22、指定溫度模式填充床反應器產製丙烯酸產量	65
圖4.23、驟冷塔(T-101)之設定	65
圖4.24、驟冷塔(T-101)之壓力設定	66
圖4.25、吸收塔(T-102)之設定	68
圖4.26、吸收塔(T-102)之壓力設定	68
圖4.27、萃取塔(T-103)之設定	70
圖4.28、萃取塔(T-103)之壓力設定	70
圖4.29、萃取塔(T-103)之物流設定	71
圖4.30、萃取塔(T-103)之萃取設定	71
圖4.31、溶劑分離塔DSTWU之簡潔法設定	73
圖4.32、溶劑分離塔DSTWU之簡潔法模擬結果	75
圖4.33、溶劑分離塔“Balance” 功能之設定	76
圖4.34、溶劑補充量之結果	76
圖4.35、酸分離塔DSTWU之簡潔法設定	77
圖4.36、酸分離塔DSTWU之簡潔法模擬結果	77
圖4.37、壓縮機 (C-101)	79
圖4.38、壓縮機 (C-101)之設定	80
圖4.39、壓縮機 (C-101) 之結果	80
圖4.40、填充床反應器產製丙烯酸之Aspen Plus模擬流程	81
圖5.1、換熱器“HEATX”	86
圖5.2、原始丙烯氧化法製造丙烯酸製程	87
圖5.3、整合後之丙烯氧化法製造丙烯酸製程	88
圖5.4、換熱器“HEATX”之設定	89
圖5.5、換熱器E-102之結果	89
圖5.6、換熱器E-109之結果	90
圖5.7、換熱器“HEATX”之結果	90
圖6.1、MACRS折舊法現金流量圖	107
圖6.2、MACRS折舊法貼現回本期	107
圖6.5、NPV對獲利變數範圍之作圖	114
圖6.6、ROR對獲利變數範圍之作圖	114
圖6.7、PBP對獲利變數範圍之作圖	115
圖6.8、NPV對獲利變數範圍之作圖	116
圖6.9、ROR對獲利變數範圍之作圖	116
圖6.10、PBP對獲利變數範圍之作圖	117
圖6.11、淨現值數值分析圖	118
圖6.12、投資報酬率數值分析圖	118
圖6.13、回本期數值分析圖	119
圖6.14、淨現值數值分析圖	119
圖6.15、投資報酬率數值分析圖	120
圖6.16、回本期數值分析圖	120





























表目錄

表1.1、2006-2010年世界丙烯酸需求(萬噸)	2
表1.2、2012年世界丙烯酸產量(萬噸)	2
表2.1、Aspen Plus物流型態說明	14
表2.2、範例之條件	38
表2.3、現金流量表	39
表3.1、丙烯氧化反應製造丙烯酸之設備清單	45
表4.1、反應器進口流量	54
表4.2、反應器出口主要燃燒物之爆炸上下限	54
表4.3、反應器出口流量	55
表4.4、反應動力式之常數	60
表4.5、反應動力式之常數	64
表4.6、驟冷塔(T-101)之物流表	66
表4.7、吸收塔(T-102)之物流表	69
表4.8、萃取塔(T-103)之物流表	72
表4.9、溶劑分離塔(T-104)之物流表	74
表4.10、酸分離塔(T-105)之物流表	78
表5.1、填充床反應器產製丙烯酸製程換熱器之物流資料	86
表6.1、換熱器設備成本表	93
表6.2、幫浦設備成本表	94
表6.3、蒸餾塔設備成本表	94
表6.4、壓縮機設備成本表	95
表6.5、固定設備成本(FCI)總結表	95
表6.6、丙烯氧化法製造丙烯酸之程序操作人員需求估計表	96
表6.7、蒸汽潛熱表	97
表6.8、冷卻水成本表	99
表6.9、電力成本表	100
表6.10、公用設施成本(CUT)總結表	102
表6.11、原物料成本表	103
表6.12、原物料成本(CRM)總結表	104
表6.13、各成本總結表	105
表6.14、貼現現金流量之經濟假設	106
表6.15、MACRS折舊法貼現現金流量表	108
表6.16、SL直線折舊法貼現現金流量表	110
表6.17、MACRS折舊法及SL直線折舊法之比較	111
表6.18、獲利變數之範圍	112

【1】	陳育誠，全球丙烯酸產業近況與展望，工研院 IEK，台灣 (2014) 。
【2】	劉奕宏，丙烯酸樹酯在亞太地區的應用狀況，工研院 IEK，台灣 (2012) 。
【3】	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. 717-727 (2008)。
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【6】	Crowl, D. A., J. F. Louvar,“Chemical Process Safety” Third Edition, U.S.A.(2011)。
【7】	葉和明，單元操作(二)，三民出版社，第119-164頁(1997)。
【8】	葉和明，單元操作(三)，三民出版社，第281-313頁(1997)。
【9】	Aspen Plus, ASPEN PLUS User’s Guide, Version 9, Aspen Tech., Boston, Ma, U.S.A (2016).
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【11】	Smith, R., Chemical Process Design and Integration, 2nd ed., John Wiley & Sons Ltd., West Sussex, U. K. (2005).
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