薄膜反應器是結合反應與分離的程序強化單元，可藉由薄膜供應或分離反應物質，獲得較佳之反應器性能。混合薄膜反應器更進一步藉由間隔安排薄膜位置，提供額外的設計自由度。薄膜與混合薄膜反應器涉及非單一之性能指標，以及許多的設計與操作條件決定。
本研究針對兩種應用系統，乙烷加氧脫氫生產乙烯(Oxydehydrogenation of Ethane, ODH)與甲烷自熱蒸氣重組產氫(Autothermal Reforming of Methane, ATR)，建立了薄膜反應器與混合薄膜反應器的一維擬均相數學模式，探討反應器內部的特性分佈，以及操作與設計參數影響。
本研究使用遺傳演算法，針對產量/選擇率、產量/轉化率與產量/選擇率/轉化率之雙目標函數與三目標函數，分別完成兩個系統之操作階段與設計階段多目標最佳化分析。
最佳化結果顯示，相較於薄膜反應器，使用混合薄膜反應器時，乙烷加氧脫氫與甲烷自熱蒸氣重組反應器之各項性能均可獲得提升，乙烯產量與氫氣產量分別可獲得約25%與一倍之提升。

Membrane reactor (MR) is a process intensification application, which integrates reaction and separation into one unit operation. By penetrating reaction species through a membrane, either adding into or extracting from the reactor, the performance of the reactor can be enhanced. Mixed membrane reactor (MMR) provides an extra freedom by allowing part of the reactor wall to be non-permeable wall. MR and MMR both involve non-single performance index as well as many decision-makings of design/operation conditions.
In this study, two application systems of MR and MMR are investigated. They are the oxydehydrogenation of ethane (ODH) for the production of ethylene and the autothermal reforming of methane (ATR) for the production of hydrogen. One-dimensional pseudo-homogeneous models were developed for these two systems to study the internal profiles of the reactors as well as the effects of operation/design variables on the performance index.
Genetic algorithm was employed to obtain the optimal solutions for binary objective functions (production rate/selectivity and production rate/conversion) and ternary objective functions (production rate/ selectivity/conversion) for the two systems using MR and MMR.
Compared to MR, the optimal solutions of MMR provide better performance, the ethylene production rate and hydrogen production can be increased by 25% and 100%, respectively.

中文摘要	I
英文摘要	III
目錄	V
圖目錄	IX
表目錄	XV
第一章	前言	1
第二章 文獻回顧	5
2.1 薄膜反應器	5
2.2 乙烷加氧脫氫生產乙烯系統	8
2.3 甲烷自熱重組產氫系統	10
2.4 遺傳演算法多目標最佳化	12
第三章 反應器系統與模擬	13
3.1 乙烷加氧脫氫生產乙烯系統	13
3.1.1 反應器配置	14
3.1.2 數學模式與求解	18
3.1.3 化學反應及反應動力	20
3.1.4 物理與傳輸性質	21
3.1.5 模式驗證	21
3.2 甲烷自熱重組產氫系統	26
3.2.1 反應器配置	26
3.2.2 數學模式與求解	30
3.2.3 化學反應與反應動力模式	32
3.2.4 物理性質與傳輸性質	35
3.2.5 模式驗證	36
第四章 基本個案分析	39
4.1 乙烷加氧脫氫生產乙烯系統	39
4.1.1 反應器內部分佈與性能	39
4.1.2 參數敏感度分析	44
4.2 甲烷自熱重組產氫系統	49
4.2.1 反應器內部分佈與性能	49
4.2.2 參數敏感度分析	53
第五章 遺傳演算法多目標最佳化	58
5.1 遺傳演算法	58
5.2多目標最佳化	62
5.2.1乙烷加氧脫氫生產乙烯系統	62
5.2.2甲烷自熱重組產氫系統	65
第六章 薄膜反應器多目標最佳化	68
6.1 乙烷加氧脫氫生產乙烯系統	68
6.1.1 操作階段最佳化	68
6.1.2 設計階段最佳化	78
6.2 甲烷自熱重組產氫系統	86
6.2.1操作階段最佳化	86
6.2.2 設計階段最佳化	96
第七章 混合薄膜反應器多目標最佳化	106
7.1 乙烷加氧脫氫生產乙烯系統	106
7.1.1邏輯函數參數決定	106
7.1.2 分段數決定	109
7.1.3 操作階段最佳化	113
7.1.4 設計階段最佳化	122
7.2 甲烷自熱重組產氫系統	130
7.2.1 邏輯函數參數決定	130
7.2.2 分段數決定	132
7.2.3 操作階段最佳化	136
7.2.4 設計階段最佳化	145
第八章 結論	159
符號說明	162
參考文獻	165
附錄A ODH系統MR操作階段最佳解	169
附錄B ODH系統MR設計階段最佳解	172
附錄C ATR系統MR操作階段最佳解	182
附錄D ATR系統MR設計階段最佳解	185
附錄E ODH系統MMR(n=3)邏輯函數參數最佳解	197
附錄F ODH系統MMR分段分析最佳解	199
附錄G ODH系統MMR操作階段最佳解	201
附錄H ODH系統MMR設計階段最佳解	204
附錄I ATR系統MMR(n=1)邏輯函數參數最佳解	216
附錄J ATR系統MMR分段分析最佳解	220
附錄K ATR系統MMR操作階段最佳解	224
附錄L ATR系統MMR設計階段最佳解	227


圖2.1 薄膜反應器之薄膜功能選擇性氧氣投劑與選擇性氫氣萃取	5
圖2.2 不同薄膜反應器設計 (a) PBMR (b) CV-PBMR (c) MMR.	6
圖2.3 多管填充床反應器: (a) PBCR, (b) PBMR	10
圖3.1 ODH系統傳統反應器	14
圖3.2 ODH系統薄膜反應器	15
圖3.3 ODH系統混合薄膜反應器	16
圖3.4 ODH系統CR溫度分佈	23
圖3.5 ODH系統CR氧氣分率與選擇率分佈	24
圖3.6 ODH系統MR於不同填充觸媒密度之溫度分佈	25
圖3.7 ATR系統傳統反應器	27
圖3.8 ATR系統薄膜反應器	28
圖3.9 ATR系統混合薄膜反應器	29
圖3.10 ATR系統MR溫度分佈	37
圖3.11 ATR系統MR氫氣產量與氧氣分率分佈	38
圖4.1 ODH系統MR與MMR基本個案溫度分佈	41
圖4.2 ODH系統MR與MMR基本個案壓力分佈	41
圖4.3 ODH系統MR與MMR基本個案氧氣滲透通量分佈	42
圖4.4 ODH系統MR與MMR基本個案氧氣分率分佈	43
圖4.5 乙烷ODH系統MR敏感度分析	46
圖4.6 乙烷ODH系統MMR敏感度分析 (n=1)	48
圖4.7 ATR系統MR與MMR基本個案溫度分佈	51
圖4.8 ATR系統MR與MMR基本個案之氫氣產量與氧氣分率分佈	51
圖4.9 ATR系統MR與MMR基本個案壓力分佈	52
圖4.10 ATR系統MR與MMR基本個案滲透通量分佈	52
圖4.11 ATR系統MR敏感度分析	55
圖4.12 ATR系統MMR敏感度分析(n=1)	57
圖5.1 NSGA-II運算流程	60
圖6.1 ODH系統MR操作階段雙目標(FC2H4,out、SC2H4)最佳解分佈	70
圖6.2 ODH系統MR操作階段雙目標(FC2H4,out、XC2H4)最佳解分佈	72
圖6.3 ODH系統MR操作階段三目標(FC2H4,out、XC2H4、SC2H4)最佳解分佈	74
圖6.4 ODH系統MR操作階段三目標(FC2H4,out、XC2H4、SC2H4)最佳化部分解之內部分佈	77
圖6.5 ODH系統MR設計階段雙目標(FC2H4,out、SC2H4)最佳解分佈	79
圖6.6 ODH系統MR設計階段雙目標(FC2H4,out、XC2H4)最佳解分佈	81
圖6.7 ODH系統MR設計階段三目標(FC2H4,out、XC2H4、SC2H4)最佳解分佈	83
圖6.8 ATR系統MR操作階段雙目標(FH2,out、Snon-comb)最佳解分佈	88
圖6.9 ATR系統MR操作階段雙目標(FH2,out、XCH4)最佳解分佈	90
圖6.10 ATR系統MR操作階段三目標(FH2,out, Snon-comb, XCH4)最佳解分佈	92
圖6.11 ATR系統MR操作階段三目標(FH2,out, Snon-comb, XCH4)最佳化部分解之內部分佈	95
圖6.12 ATR系統MR設計階段雙目標(FH2,out、Snon-comb)最佳解分佈	98
圖6.13 ATR系統MR設計階段雙目標(FH2,out、XCH4)最佳解分佈	101
圖6.14 ATR系統MR設計階段三目標(FH2,out, Snon-comb, XCH4)最佳解分佈	103
圖7.1 邏輯函數	107
圖7.2 ODH系統MMR-使用不同邏輯函數k值之雙目標(FC2H4,out、SC2H4)最佳解分佈(n=1)	108
圖7.3 ODH系統MMR不同分段數之雙目標(FC2H4,out、SC2H4)最佳解分佈(k=8)	110
圖7.4 ODH系統MMR分段數為3雙目標(FC2H4,out、SC2H4)最佳化	112
部分解之內部分佈(k=8)	112
圖7.5 ODH系統MMR操作階段雙目標 (FC2H4,out、SC2H4)最佳解分佈(k=9, n=3)	114
圖7.6 ODH系統MMR操作階段雙目標(FC2H4,out、XC2H4)最佳解分佈(k=9, n=3)	116
圖7.7 ODH系統MMR操作階段三目標(FC2H4,out、XC2H4、SC2H4)	118
最佳解分佈(k=9, n=3)	118
圖7.8 ODH系統MMR操作階段三目標(FC2H4,out、XC2H4、SC2H4)最佳化部分解之內部分佈(k=9, n=3)	121
圖7.9 ODH系統MMR設計階段雙目標(FC2H4,out、SC2H4)最佳解分佈(k=9, n=3)	123
圖7.10 ODH系統MMR設計階段雙目標(FC2H4,out、XC2H4)最佳解分佈(k=9, n=3)	125
圖7.11 ODH系統MMR設計階段三目標(FC2H4,out、XC2H4、SC2H4)最佳解分佈(k=9, n=3)	127
圖7.12 ATR系統MMR-使用不同邏輯函數k值之雙目標(FH2,out、Snon-comb)最佳解分佈(n=1)	131
圖7.13 ATR系統MMR不同分段數之雙目標(FH2,out、Snon-comb)	133
最佳解分佈(k=8)	133
圖7.14 ATR系統MMR分段數為1雙目標(FH2,out、Snon-comb)最佳化部分解	135
之內部分佈(k=8)	135
圖7.15 ATR系統MMR操作階段雙目標(FH2,out、Snon-comb)最佳解分佈(k=8, n=1)	137
圖7.16 ATR系統MMR操作階段雙目標(FH2,out、XCH4)最佳解分佈(k=8, n=1)	139
圖7.17 ATR系統MMR操作階段三目標(FH2,out, Snon-comb, XCH4)最佳解分佈(k=8, n=1)	141
圖7.18 ATR系統MMR操作階段三目標(FH2,out, Snon-comb, XCH4)最佳化部分解之內部分佈(k=8, n=1)	144
圖7.19 ATR系統MMR設計階段雙目標(FH2,out、Snon-comb)最佳解分佈(k=8, n=1)	147
圖7.20 ATR系統MMR設計階段雙目標(FH2,out、XCH4)最佳解分佈(k=8, n=1)	150
圖7.21 ATR系統MMR設計階段三目標(FH2,out, Snon-comb, XCH4)	152
最佳解分佈(k=8, n=1)	152
圖7.22 ODH系統MR與MMR操作與設計階段雙目標(FC2H4,out、XC2H4)最佳解分佈比較(k=9, n=3)	156
圖7.23 ATR系統MR與MMR操作與設計階段雙目標(FH2,out、Snon-comb)最佳解分佈比較(k=8, n=1)	158

表3.1 ODH系統CR、MR與MMR之尺寸規格與操作條件	17
表3.2 乙烷ODH系統薄膜特性參數	19
表3.3 反應速率參數	20
表3.4 ATR系統CR之尺寸規格與操作條件	27
表3.5 ATR系統MR與MMR之尺寸規格與操作條件	29
表3.6 ATR系統薄膜特性參數	31
表3.7 ATR系統反應速率常數之參數值	34
表3.8 ATR系統吸附係數之參數值	34
表3.9 ATR系統反應平衡常數之參數值	34
表3.10 ATR系統CR模式驗證	36
表4.1 ODH系統MR與MMR基本個案進料條件與性能	40
表4.2 乙烷ODH系統MR敏感度分析結果	45
表4.3 乙烷ODH系統MMR敏感度分析結果(n=1)	47
表4.4 ATR系統MR與MMR基本個案資料	50
表4.5 ATR系統MR敏感度分析結果	54
表4.6 ATR系統MMR敏感度分析結果 (n=1)	56
表5.1 ODH系統MR與MMR操作階段最佳化問題定義	63
表5.2 ODH系統MR與MMR設計階段最佳化問題定義	64
表5.3 ATR系統MR與MMR操作階段最佳化問題定義	66
表5.4 ATR系統MR與MMR設計階段最佳化問題定義	67
表6.1 ODH系統MR操作階段多目標最佳解之分佈範圍	75
表6.2 ODH系統MR操作階段最佳化部分解之比較	76
表6.3 ODH系統MR操作與設計階段多目標最佳解之分佈範圍	85
表6.4 ATR系統MR操作階段多目標最佳解之分佈範圍	93
表6.5 ATR系統MR操作階段最佳化部分解之比較	94
表6.6 ATR系統MR操作與設計階段多目標最佳解之分佈範圍	105
表7.1 ODH系統MMR邏輯函數k值影響分析之決策變數範圍	107
表7.2 ODH系統MMR分段分析(n=3)之部分最佳解(k=8)	112
表7.3 ODH系統MMR操作階段多目標最佳解之分佈範圍(k=9, n=3)	119
表7.4 ODH系統MMR操作階段三目標最佳化之部分解(k=9, n=3)	120
表7.5 ODH系統MMR操作與設計階段多目標最佳解之分佈範圍(k=9, n=3)	129
表7.6 ATR系統MMR邏輯函數k值影響分析之決策變數範圍	130
表7.7 ATR系統MMR分段分析(n=1)雙目標(FH2,out、Snon-comb)最佳化部分最佳解(k=8)	134
表7.8 ATR系統MMR操作階段多目標最佳解之分佈範圍(k=8, n=1)	142
表7.9 ATR系統MMR操作階段三目標最佳化部分解之比較(k=8, n=1)	143
表7.10 ATR系統MMR操作與設計階段多目標最佳解之分佈範圍(k=8, n=1)	154
表8.1 ODH系統MR與MMR1操作與設計階段三目標最佳解	160
之目標函數分佈範圍	160
表8.2 ATR系統MR與MMR1操作與設計階段三目標最佳解	161
之目標函數分佈範圍	161

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