本論文主要進行麻林酐 (順丁烯二酐) 之化工程序合成與設計，研究中並結合狹點技術與換熱器網路原理，比較熱能整合前與整合後的能源消耗和成本花費。其次，比較兩個研究案例：案例一是以苯為原料生產麻林酐的製程，案例二是以正丁烷為原料生產麻林酐的製程。最後，從綠色化學觀點比較兩個製程的優缺點及其同異處。
論文中主要利用兩套軟體進行研究：「Aspen Plus」與「Super Target」。前者主要是用於程序合成、設計與模擬；後者則是進行狹點分析與換熱器網路合成。

In this thesis, we focus mainly on the chemical process synthesis and design of maleic anhydride production.  This research combines pinch technology with heat exchanger network synthesis in order to compare the energy consumptions and capital costs of the process with/without heat integration.  In this work, we investigate two case studies pertaining to the production of maleic anhydride; one uses benzene as the starting raw material, the other uses n-butane as the starting raw material.  Lastly, we also compare their advantages and disadvantages along with their similarities and dissimilarities from the perspective of green chemistry.
Two kinds of software were utilized in the research--AspenPlus and SuperTarget. The former was used for the process synthesis, design, and simulation; the latter was used to carry out the pinch analysis and the synthesis of heat exchanger network.

目錄
中文摘要………………………………………………………………….i
英文摘要…………………………………………………………………ii
目錄………………………………………………………………….....iii
圖目錄………………………………………………………………...vi
表目錄………………………………………………………………......ix
第一章  緒論 …………………………………………………………..1
1.1  研究動機……………………………………………………...1
1.2  研究目的與方法……………………………………………...1
1.3  文獻回顧……………………………………………………2
第二章  理論基礎……………………………………………..………..3
    2.1  程序合成與設計理論……………………….……...………..3
2.1.1  程序合成範例…………………………………………..3
   2.1.2  洋蔥模式…………….……….…….…………………...7
       2.1.3  程序的核心 ─ 反應器………………………………...8
       2.1.4  分離和回流…………………….……………………….8
       2.1.5  換熱器網路…………………….……………………….9
       2.1.6  公用設施……………………………….……………….9
2.2  綠色化學…………………………………………………….10
       2.2.1  綠色化學簡介…………………………………………10
2.2.2  綠色化學原則…………………………………………11
2.2.3  綠色化學之範圍………………………………………12
2.3  熱能整合原理………………………………………………13
2.4  狹點原理……………………………………………………17
2.5  狹點技術在節能上的應用…………………………………20
2.6  Aspen Plus模擬軟體簡介……………...………….……….22
       2.6.1  Aspen Plus基本架構…………………………………22
2.6.2  Aspen Plus模擬步驟…………………………………22
2.6.3  敏感度 (Sensitivity) 分析簡介………………………24
    2.7  SuperTarget換熱器網路設計軟體簡介...………….…..…29
2.8  設計範例…………………………………………………….30
2.8.1  範例結果討論…………………………………………41
第三章  麻林酐 (苯為原料) 之程序合成與設計…………………42
3.1  前言………………………………………………………….42
3.2  製程描述…………………………………………………….44
3.3  以苯為原料生產麻林酐之程序合成與設計……………….47
3.3.1  製程模擬……………....................................................47
3.3.2  狹點分析………………………………………………62
3.3.3  換熱器網路合成…………………………………..…..65
3.4  經濟評估………………………………………………….....78
3.4.1  換熱器網路整合前之成本計算……………………....79
3.4.2  換熱器網路整合後之成本計算………………………86
3.5  換熱器網路組態設計……………………………………….88
第四章  麻林酐 (正丁烷為原料) 之程序合成與設計……………...90
4.1  前言………………………………………………………….90
4.2  製程描述…………………………………………………….92
4.3  以正丁烷為原料生產麻林酐之程序合成與設計………….94
4.3.1  製程模擬………………………………………………94
4.4  公用設施成本計算………………………………………...103
第五章  麻林酐不同製程之比較……………………………………105
5.1  製造流程方面……………………………………………...105
5.2  公用設施方面……………………………………………...107
5.3  轉化率、產率及選擇率……………………………………109
5.4  原子效率和質量效率……………………………………...110
5.5  環境指數 (Environmental Index)…………....…………….112
5.6  製程安全分析…………………………………………….114
第六章  結論…………………………………………………………115
參考文獻………………………………………………………………117
附錄……………………………………………………………………120



圖目錄
圖2.1  選擇分離系統…………………………………………………...4
圖2.2  程序合成範例之方塊流程圖…………………………………...6
圖2.3  程序設計之洋蔥模式圖………………………………………...7
圖2.4  整體分離系統組合圖…………………………………………...9
圖2.5  綠色化的化工製程………………………………………….…12
圖2.6  一道冷物流及一道熱物流的熱回收問題………………….…14
圖2.7  結合熱物流形成熱複合曲線………………………………….15
圖2.8  結合冷物流形成冷複合曲線………………………………….15
圖2.9  ΔTmin＝10℃和ΔTmin＝20℃的冷、熱複合曲線…………….16
圖2.10  複合曲線預測能源目標……………………………………...18
圖2.11  換熱系統的熱源與熱沼特性………………………………...18
圖2.12  狹點分解 (零越過狹點熱流)………………………………..19
圖2.13  狹點分解 (越過狹點XP單位的熱流)………………………19
圖2.14  線性化分段示意圖…………………………………………...21
圖2.15  RPlug反應器示意圖…………………………………………24
圖2.16  敏感度 (Sensitivity) 分析之步驟1…………………………25
圖2.17  敏感度 (Sensitivity) 分析之步驟2…………………………25
圖2.18  敏感度 (Sensitivity) 分析之步驟3…………………………26
圖2.19  敏感度 (Sensitivity) 分析之步驟4…………………………26
圖2.20  管子數量與產率 (YIELD) 關係圖…………………………28
圖2.21  設計範例之TID……………………………………………...31
圖2.22  設計範例之Cascade Diagram……………………………….32
圖2.23  設計範例之冷、熱複合曲線圖……………………………..33
圖2.24  設計範例之網格圖…………………………………………..35
圖2.25  設計範例 (ΔTmin =15℃) 之換熱器網路合成網格圖………37
圖2.26  設計範例之換熱器網路組態圖……………………………...40
圖2.27  最佳操作點之示意圖………………………………………...41
圖3.1  麻林酐之分子結構…………………………………………….42
圖3.2  苯醌的分子結構…………………..…………………………...43
圖3.3  以苯為原料製造麻林酐之PFD………………………………46
圖3.4  由Aspen Plus繪製以苯為原料製造麻林酐之PFD………….48
圖3.5  反應器中反應的選擇率和產率對溫度關係圖……………….51
圖3.6  進料苯在預熱器E-101中之T-Q圖………………………….57
圖3.7  反應器出口物流在冷凝器E-102中之T-Q圖……………….57
圖3.8  吸收塔T-101的再沸器E-103之T-Q圖…………………….58
圖3.9  吸收塔T-101的冷凝器E-104之T-Q圖…………………….58
圖3.10  蒸餾塔T-102的再沸器E-105之T-Q圖……………………59
圖3.11  蒸餾塔T-102的冷凝器E-106之T-Q圖……………………59
圖3.12  加熱爐H-101之T-Q圖……………………………………..60
圖3.13  ΔTmin = 10℃時，以苯生產麻林酐的冷熱複合曲線………..63
圖3.14  ΔTmin = 5℃時，以苯生產麻林酐製程之換熱器網路合成之網格圖…………………………………………………………..66
圖3.15  ΔTmin = 10℃時，以苯生產麻林酐製程之換熱器網路合成之網格圖………………………………………………………..69
圖3.16  ΔTmin = 15℃時，以苯生產麻林酐製程之換熱器網路合成之網格圖………………………………………………………..72
圖3.17  ΔTmin = 20℃時，以苯生產麻林酐製程之換熱器網路合成之網格圖………………………………………………………..75
圖3.18  於ΔTmin = 5℃時，麻林酐之程序整合設計圖………………89
圖4.1  麻林酸之分子結構…………………………………………….90
圖4.2  以正丁烷為原料製造麻林酐之PFD………………………….93
圖4.3  由Aspen Plus繪製以正丁烷為原料製造麻林酐之PFD……..95
圖4.4  反應器R-101出口物流在冷凝器E-101中之T-Q圖………100
圖4.5  吸收塔T-101塔底物流在冷凝器E-102之T-Q圖…………100
圖4.6  蒸餾塔T-102的冷凝器E-103之T-Q圖…………………….101
圖4.7  蒸餾塔T-102的再沸器E-104之T-Q圖……………………..101
圖5.1  以不同原料來生產麻林酐之方塊流程圖……..…………….106



表目錄
表2.1  一道冷物流與一道熱物流的熱交換………………………….13
表2.2  換熱器物流資料……………………………………………….14
表2.3  敏感度分析-測試管子數量結果……………………………...27
表2.4  範例物流資料表……………………………………………….30
表2.5  換熱器網路配對資料表……………………………………….38
表3.1  以苯為原料生產麻林酐之物流資料表……………………….52
表3.2  以苯為原料生產麻林酐之熱交換器資料表………………….54
表3.3  以苯為原料生產麻林酐之冷熱物流表……………………….61
表3.4  不同最小趨近溫度比較表…………………………………….64
表3.5  ΔTmin = 5℃之換熱器網路配對資料表……………………….67
表3.6  ΔTmin = 10℃之換熱器網路配對資料表……………………...70
表3.7  ΔTmin = 15℃之換熱器網路配對資料表……………………...73
表3.8  ΔTmin = 20℃之換熱器網路配對資料表……………………...76
表3.9  換熱器網路整合前各換熱器使用之公用設施種類………….81
表3.10  常用公用設施單位成本……………………………………...82
表3.11  未經熱能整合之各換熱器公用設施成本…………………...83
表3.12  換熱器網路整合前之設備成本……………………………...85
表3.13  換熱器網路整合前後之比較……………………….………..87
表4.1  以正丁烷為原料製造麻林酐之物流資料表………………….96
表4.2  以正丁烷為原料製造麻林酐之熱交換器資料表…………….98
表4.3  以正丁烷為原料生產麻林酐之冷熱物流表………………...102
表4.4  以正丁烷為原料製造麻林酐之公用設施成本……………...104
表4.5  熱整合後所需公用設施成本………………………………...104
表5.1  熱能整合前後之公用設施比較……………………………...108
表5.2  不同麻林酐製程轉化率、選擇率及產率之比較……………109
表5.3  兩個麻林酐製程的成份之化學計量數、TLV和TW………112

參考文獻

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