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系統識別號 U0002-1101201215280800
中文論文名稱 羰化反應製造醋酸酐之程序合成與設計
英文論文名稱 Using Carbonylation for the Production of Acetic Anhydride: A Process Synthesis and Design
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學工程與材料工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemical and Materials Engineering
學年度 100
學期 1
出版年 101
研究生中文姓名 范哲維
研究生英文姓名 Chei-Wei Fan
電子信箱 699400049@s99.tku.edu.tw
學號 699400049
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-01-05
論文頁數 132頁
口試委員 指導教授-陳錫仁
委員-陳嘉明
委員-黃國楨
中文關鍵字 程序合成與設計  程序整合  狹點技術  製程強化  醋酸酐 
英文關鍵字 Process Synthesis and Design  Process Integration  Pinch Technology  Process Intensification  Acetic Anhydride 
學科別分類
中文摘要 本論文以羰化反應合成醋酸酐之製程為研究主軸,主要包括兩階段羰化製造醋酸酐之程序合成與設計、先趨化學物如甲醇的製造程序,以及醋酸酐之先趨物醋酸甲酯的強化程序也一併提出。研究中並針對「兩階段羰化製造醋酸酐」之程序,應用狹點技術進行熱能整合以期達到節能減碳之目的。
在本研究中,吾人發現:(1) 兩階段羰化製造醋酸酐 (年產量4萬公噸) 之程序,其熱能整合前後熱公用設施減少52 %的能源,冷公用設備減少60 %的能源,(2) 以製程強化而言,羰化反應製造醋酸甲酯之蒸餾塔塔徑從0.63 m 變為 0.83 m (塔徑增加0.2 m),但再沸器熱負荷從原來的1,031 kW減為134 kW。
本論文主要利用 “Aspen Plus” 和 “SuperTarget” 兩套化工製程軟體進行研究;前者用於程序設計與程序模擬,後者則用於狹點分析和換熱器網路合成。
英文摘要 In this thesis, we focus mainly on the carbonylation process for the production of acetic anhydride. Essentially, it consists of two-step carbonylation reactions to produce acetic anhydride. In addition, we also present the manufacturing process of the chemical precursor—methanol and the process intensification for the making of methyl acetate. In the study, we have also carried out heat integration by way of the pinch technique for the “two-step carbonylation reactions to produce acetic anhydride” in order to achieve energy savings in the process.
In the study, we found the two-step carbonylation process (40,000 tonne/yr) results in a saving of 52% hot utility energy and 60% cold utility energy after the heat integration, and the process intensification results in a distillation-tower diameter increase from 0.63 m to 0.83 m, but with a reboiler heat-duty decrease from 1,031 kW to 134 kW for the methyl acetate process.
Two kinds of software were utilized in the research—Aspen Plus and SuperTarget. The former was used to carry out the process synthesis, design, and simulation; the latter was used to implement the pinch analysis and the synthesis of heat exchanger network.
論文目次 目錄
中文摘要...................................................i
英文摘要..................................................ii
目錄.....................................................iii
圖目錄.....................................................v
表目錄.....................................................x
第一章 緒論
1.1 研究動機...............................................1
1.2 醋酸酐合成路徑.........................................3
1.3 研究目的與方法.........................................7
第二章 理論基礎
2.1 程序合成與設計.........................................8
2.1.1 程序合成之經驗法則...................................8
2.1.2 洋蔥模式............................................10
2.2 Aspen Plus模擬軟體簡介................................11
2.2.1 Aspen Plus的基本架構................................11
2.2.2 Aspen Plus的模擬操作步..............................11
2.2.3 熱力學模式之選取....................................14
2.3 Supertarget熱交換器網路設計軟體簡介...................15
2.4 狹點技術..............................................16
2.4.1 數據擷取............................................19
2.4.2 狹點分析............................................21
2.4.3 換熱器網路合成......................................24
2.4.4 換熱器網路設計範例..................................26
2.5 範例結果討論..........................................34
第三章 甲烷蒸汽重組合成甲醇之程序與設計
3.1 前言..................................................35
3.2 製程描述..............................................35
3.3 製程模擬..............................................38
第四章 醋酸酐之程序合成與設計 (兩階段羰化反應)
4.1 前言..................................................42
4.2 羰化合成之程序與設計.................................44
4.2.1 製程描述............................................44
4.2.2 程序核心-反應器.....................................50
4.2.3 分離系統-驟沸槽.....................................61
4.2.4 純化系統-精餾塔.....................................62
第五章 兩階段羰化合成醋酸酐程序之熱能整合
5.1 狹點技術..............................................79
5.2 換熱器網路與程序組態..................................99
第六章 醋酸酐合成之程序強化設計
6.1 製程強化.............................................101
6.2 羰化反應合成醋酸甲酯之製程強化.......................103
第七章 結果與討論
結果與討論.......................................................111
第八章 結論與建議
結論與建議...............................................113
參考文獻.................................................114
附錄1 二階段羰化程序熱交換器面積計算.....................116
附錄2 產品成本和公用設備成本一欄表.......................132

圖目錄
圖1.1 兩階段羰化反應製造醋酸酐之整合方塊流程圖.............2
圖1.2 醋酸酐合成路徑圖.....................................4
圖2.1 程序設計之洋蔥模式圖................................10
圖2.2 Aspen Plus之熱力學模式選擇路徑圖....................13
圖2.3 複合曲線預測能源目標................................16
圖2.4 換熱系統的熱源與熱沼特性............................17
圖2.5 狹點分界 (零越過狹點熱流)...........................17
圖2.6 狹點分界 (越過狹點XP單位的熱流).....................18
圖2.7 線性化分段示意圖....................................20
圖2.8 單成份系統之相變化圖................................21
圖2.9 最佳操作點之示意圖..................................22
圖2.10 設計範例之網格圖...................................27
圖2.11 ΔTmin = 5°C冷、熱複合曲線.........................28
圖2.12 設計範例 (ΔTmin = 5°C) 之換熱器網路合成網格圖.....30
圖2.13 ΔTmin = 5°C之換熱器網路組態圖 (範例)..............33
圖3.1 含熱能整合之甲烷蒸汽重組合成甲醇之程序流程圖........37
圖3.2 含熱能整合之甲烷蒸汽重組合成甲醇之程序模擬圖........39
圖4.1 兩階段羰化反應製造醋酸酐之程序流程圖................45
圖4.2 兩階段羰化反應製造醋酸酐之模擬流程圖................46
圖4.3 JSTOICH成份數與元素種類.............................50
圖4.4 JSTOICH成份名稱和分子式.............................50
圖4.5甲醇脫水反應JSTOICH結果..............................51
圖4.6第一階羰化JSTOICH結果................................51
圖4.7 改變DME進料比率對醋酸甲酯產量的影響.................54
圖4.8 改變DME進料比率對醋酸甲酯濃度的影響.................54
圖4.9 改變CO進料比率對醋酸甲酯產量的影響..................55
圖4.10 改變CO進料比率對醋酸甲酯濃度的影響.................55
圖4.11 第二階羰化JSTOICH結果..............................56
圖4.12 改變醋酸甲酯進料比率對醋酸酐產量的影響.............59
圖4.13 改變醋酸甲酯進料比率對醋酸酐濃度的影響.............59
圖4.14 改變CO進料比率對醋酸酐產量的影響...................60
圖4.15 改變CO進料比率對醋酸酐濃度的影響...................60
圖4.16 高壓驟沸槽模擬圖...................................61
圖4.17 二甲醚精餾塔“Design Spec-Specifications”設定.....62
圖4.18 二甲醚精餾塔“Design Spec-Components”設定.........63
圖4.19 二甲醚精餾塔“Design Spec-Feed/Product Streams”設定........................................................63
圖4.20 二甲醚精餾塔“Vary-Specifications”設定............63
圖4.21 二甲醚純化塔控制結果...............................64
圖4.22 二甲醚精餾塔“Tray sizing”的設定..................64
圖4.23 二甲醚精餾塔“Tray sizing”的結果..................65
圖4.24 二甲醚精餾塔板對塔徑的關係.........................65
圖4.25 甲醇回收塔“Design Spec-Specifications”設定(1)....66
圖4.26 甲醇回收塔“Design Spec-Components”設定(1)........66
圖4.27 甲醇回收塔“Design Spec-Feed/Product Streams”設定(1).......................................................67
圖4.28 甲醇回收塔“Vary-Specifications”設定(1)...........67
圖4.29 甲醇回收塔“Design Spec-Specifications”設定(2)....67
圖4.30 甲醇回收塔“Design Spec-Components”設定(2)........68
圖4.31 甲醇回收塔“Design Spec-Feed/Product Streams”設定(2).......................................................68
圖4.32 甲醇回收塔“Vary-Specifications”設定(2)...........68
圖4.33 甲醇回收塔控制結果(1)..............................69
圖4.34 甲醇回收塔控制結果(2)..............................69
圖4.35 甲醇回收塔“Tray sizing”的設定....................69
圖4.36 甲醇回收塔“Tray sizing”的結果....................70
圖4.37 甲醇回收塔板對塔徑的關係...........................70
圖4.38 醋酸甲酯精餾塔“Design Spec-Specifications”設定...71
圖4.39 醋酸甲酯精餾塔“Design Spec-Components”設定.......71
圖4.40 醋酸甲酯精餾塔“Design Spec-Feed/Product Streams”設定........................................................72
圖4.41 醋酸甲酯精餾塔“Vary-Specifications”設定..........72
圖4.42 醋酸甲酯精餾塔控制結果.............................73
圖4.43 醋酸甲酯精餾塔“Tray sizing”的設定................73
圖4.44 醋酸甲酯精餾塔“Tray sizing”的結果................73
圖4.45 醋酸甲酯精餾塔板對塔徑的關係.......................74
圖4.46 醋酸酐精餾塔“Design Spec-Specifications”設定.....75
圖4.47 醋酸酐精餾塔“Design Spec-Components”設定.........75
圖4.48 醋酸酐精餾塔“Design Spec-Feed/Product Streams”設定........................................................75
圖4.49 醋酸酐精餾塔“Vary-Specifications”設定............76
圖4.50 醋酸酐精餾塔控制結果...............................76
圖4.51 醋酸酐精餾塔“Tray sizing”的設定..................77
圖4.52 醋酸酐精餾塔“Tray sizing”的結果..................77
圖4.53 醋酸酐精餾塔板對塔徑的關係.........................78
圖5.1 羰化製程E-201 T-Q圖.................................81
圖5.2 羰化製程E-202 T-Q圖.................................81
圖5.3 羰化製程E-203 T-Q圖.................................81
圖5.4 羰化製程E-204 T-Q圖.................................82
圖5.5 羰化製程E-205 T-Q圖.................................82
圖5.6 羰化製程E-206 T-Q圖.................................82
圖5.7 羰化製程E-207 T-Q圖.................................83
圖5.8 羰化製程E-208 T-Q圖.................................83
圖5.9 羰化製程E-209 T-Q圖.................................83
圖5.10 羰化製程E-210 T-Q圖................................84
圖5.11 羰化製程E-211 T-Q圖................................84
圖5.12 羰化製程E-212 T-Q圖................................84
圖5.13 羰化製程E-213 T-Q圖................................85
圖5.14 羰化製程E-214 T-Q圖................................85
圖5.15 羰化製程E-215 T-Q圖................................85
圖5.16 羰化製程E-216 T-Q圖................................86
圖5.17 = 5°C 羰化製程複合曲線圖..........................86
圖5.18 = 10°C羰化製程複合曲線圖..........................86
圖5.19 = 15°C羰化製程複合曲線圖..........................87
圖5.20 = 20°C羰化製程複合曲線圖..........................87
圖5.21 = 5°C時,換熱器網路合成之網格圖...................88
圖5.22 = 10°C時,換熱器網路合成之網格圖..................91
圖5.23 = 15°C時,換熱器網路合成之網格圖..................94
圖5.24 = 20°C時,換熱器網路合成之網格圖..................97
圖5.25 = 5°C 羰化製程組態設計圖.........................100
圖6.1 反應蒸餾塔結構圖...................................102
圖6.2 DME羰化反應蒸餾塔模擬圖............................104
圖6.3 DME羰化反應蒸餾塔“Design Spec-Specifications”設定.......................................................105
圖6.4 DME羰化反應蒸餾塔“Design Spec-Components”設定....105
圖6.5 DME羰化反應蒸餾塔“Design Spec-Feed/Product Streams”設定.....................................................105
圖6.6 DME羰化反應蒸餾塔“Vary-Specifications”設定.......105
圖6.7 DME羰化反應蒸餾塔控制結果..........................106
圖6.8 DME羰化反應蒸餾塔“Tray sizing”的設定.............106
圖6.9 DME羰化反應蒸餾塔“Tray sizing”的結果.............106
圖6.10 DME羰化反應蒸餾塔板對塔徑的關係...................107
圖6.11 羰化反應蒸餾板數與氣相成分之關係曲線..............107
圖6.12 羰化反應蒸餾板數與液相成分之關係曲線..............108
圖6.13 羰化反應之製程強化模擬圖..........................109

表目錄
表1.1 物質標準狀態數據.....................................3
表2.1 範例物流資料表......................................26
表2.2 換熱器網路配對資料表................................31
表3.1 甲醇合成物流質能均衡表..............................40
表3.1 甲醇合成物流質能均衡表(續)..........................41
表4.1 兩階段羰化合成醋酸酐之物流質能均衡表................47
表4.1 兩階段羰化合成醋酸酐之物流質能均衡表(續)............48
表4.2 兩階段羰化合成醋酸酐之物流質能均衡表(續)............49
表4.3 DME羰化之溫度變化對平衡常數的影響...................52
表4.3 DME羰化反應標準狀態焓與自由能.......................52
表4.4 醋酸甲酯產量和DME單程轉化率對溫度的關係.............52
表4.5 壓力變化對醋酸甲酯產量和DME轉化率的關係.............53
表4.6 醋酸甲酯羰化反應之物質標準狀態......................56
表4.7 醋酸甲酯羰化之溫度變化對平衡常數的影響..............57
表4.8 醋酸酐產量和醋酸甲酯單程轉化率對溫度的關係..........57
表4.9 醋酸酐產量和醋酸甲酯單程轉化率對壓力的關係.........58
表4.10 分離系統驟沸槽物流質能均衡表.......................61
表4.11 二甲醚精餾塔之設定.................................62
表4.12 甲醇回收塔之設定...................................66
表4.13 醋酸甲酯精餾塔之設定...............................71
表4.14 醋酸酐精餾塔之設定.................................74
表5.1 熱能整合前後公用設施能源減少百分比..................79
表5.2 醋酸酐羰化製程冷熱物流資料表........................80
表5.3 醋酸酐羰化製程不同狹點溫度之比較....................87
表5.4 = 5°C羰化製程熱交換器網路配對表....................89
表5.5 = 10°C羰化製程熱交換器網路配對表...................92
表5.6 = 15°C羰化製程熱交換器網路配對表...................95
表5.7 = 20°C羰化製程熱交換器網路配對表...................98
表6.1 DME羰化反應蒸餾塔之基本設定........................103
表6.2 DME羰化反應蒸餾塔之物流質能均衡表..................104
表6.3 羰化反應之製程強化物流質能均衡表...................110
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【18】 http://ebooks.lib.ntu.edu.tw/1_file/moeaidb/012646/gpt001.pdf, 引用日期 (12/10/2011)。
論文使用權限
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