傳統上，雖然可以利用程序模擬與分析軟體來進行程序操作診斷與製程改善，但常出現數據處理耗費大量人力與時間、模型精準度欠佳且欠缺分析設備效能之直接數值等問題。本技術報告使用Aspen Plus之「工廠數據」及「數據調和」兩項功能建立蒸餾塔操作診斷系統，以解決前述問題，並以具有實廠數據之甲醇蒸餾塔與環己酮純化塔為探討案例。
甲醇蒸餾塔之性能診斷結果為該塔之不合理效率並非由於溫度量測誤差導致調和結果不佳所致，而是該塔操作於不適當的水力條件所造成。第二座冷凝器總括熱傳係數偏低是因熱交換量過低所致。
環己酮純化塔之性能診斷結果為該塔之不合理效率可能是溫度計誤差造成，水力分析結果則顯示該塔操作於適當的水力條件。
此診斷系統也進一步用以調和速率模式之氣液介面面積修正因子，並建立該修正因子與進料流量之二次多項式關聯式。此預測模型並成功地應用於決定環己酮純化塔的則最大處理量與操作變量(回流量、蒸汽量)。此預測模型將可應用於導引式程序模擬器(Guiding Process Simulator, GPS)。

Traditionally, the process simulation and the analysis software can be used for the diagnosis of process operation and process improvement. However, the shortfalls include the extensive human resource and time, poor model accuracy and lacking of direct numerical index for equipment performance. The purpose of this study is to solve these problems by deploying a diagnosis system for the operation of distillation columns by employing the “Plant Data” and “Data Reconciliation” functions provided in Aspen Plus. A methanol distillation column and a cyclohexanone purification column with real plant operating data were chosen for case study.
The performance diagnosis of the methanol distillation column reveals that the reason for the unreasonable low efficiency of the tower is not due to the temperature measurement errors, rather it is caused by the failure of operating within the proper hydraulic regime. The hydraulic problem is resulted from the low-feed-rate operation conditions. For the heat exchangers, because the second condenser is operated under very small heat duty, very low heat transfer coefficient is obtained.
The performance diagnosis of the cyclohexanone purification column reveals that temperature measurement errors can probably cause the unreasonable low efficiency of the tower. The hydraulic analysis shows that the column is operated in the proper regime.
The real plant data is further used to reconcile the area correction factor (ACF) in of the gas-liquid interfacial area in the rate-based model and a quadratic polynomial correlation of the area correction factor and feed flow has been developed. The reconciled rate-based model is successfully employed to determine the maximum throughput and operating variables (reflux flow and steam flow) for the cyclohexanone purification column. This prediction model can be applied to Guided Process Simulator (GPS).

目 錄
中文摘要    I
英文摘要    II
目錄    III
圖目錄    V
表目錄    IX
實習機構簡介	1
實習內容概述	2
實習心得及自我期許	3
一、緒論	4
1.1 前言	4
1.2 技術回顧	5
1.3 技術瓶頸與改善方法	7
1.4 報告組織與架構	11
二、程序模型建立	12
2.1 甲醇蒸餾塔	14
2.1.1 程序說明	14
2.1.2 熱力學模式與驗證	16
2.1.3 實廠操作數據擷取	19
2.1.4 模擬模型建立	23
2.2 環己酮純化塔	28
2.2.1 程序說明	28
2.2.2 熱力學模式與驗證	30
2.2.3 實廠操作數據擷取	32
2.2.4 模擬模型建立	37
三、程序診斷系統建置	41
3.1 數據匯入	41
3.2 數據篩選	42
3.3 現場操作變量與模型變數對應	43
3.4 進行模型數據調和	44
3.5 調和結果整理	47
四、結果與討論	48
4.1 性能診斷	48
4.1.1 甲醇蒸餾塔	48
4.1.2 環己酮純化塔	66
4.2 實務應用	88
五、結論與建議	91
六、參考文獻	92
 
圖目錄
圖 1. 模擬模型蒸餾塔溫度分佈曲線與實廠值比較示意	7
圖 2. 數據驗證示意	9
圖 3. 程序模型建立流程	12
圖 4. 熱力學模式選擇	13
圖 5. 甲醇蒸餾塔程序流程	15
圖 6. 水與甲醇於101320 N/m2之氣液相平衡 (實驗數據：Hughes and Maloney, 1952)	16
圖 7. 水與異丙醇於101320 N/m2之氣液相平衡 (實驗數據：Kojima and Nakazawa, 1969)	17
圖 8. 異丙醇與甲醇於101320 N/m2之氣液相平衡 (實驗數據：Łenka et al., 1991)	17
圖 9. 甲醇與甲苯於101320 N/m2之氣液相平衡 (實驗數據：Budantseva et al., 1975)	18
圖 10. 異丙醇與甲苯於101325 N/m2之氣液相平衡 (實驗數據：Kireev et al., 1952)	18
圖 11. 進料與回流流量數據	19
圖 12. 進料溫度數據	19
圖 13. 蒸氣流量數據	20
圖 14. 冷卻水流量數據	20
圖 15. 產品流量數據	20
圖 16. 塔內溫度數據	21
圖 17. 冷凝器冷卻水溫度數據(中間溫度為冷卻水於兩冷凝器間的溫度)	21
圖 18. 冷凝器熱物流溫度數據(中間溫度為熱物流於兩冷凝器間的溫度)	21
圖 19. 塔內壓力數據	22
圖 20. 甲醇蒸餾塔模擬流程	23
圖 21. 簡化模型之墨菲效率設定示意	24
圖 22. 甲醇蒸餾塔嚴謹與簡化模型之塔內溫度分佈曲線比較	25
圖 23. 環己酮純化塔模擬流程	29
圖 24. 環己酮與環己醇於4000 N/m2之氣液相平衡 (實驗數據：Burguet et al., 1993)	30
圖 25. 環己醇與酚於12000 N/m2之氣液相平衡 (實驗數據：Cova, 1960)	31
圖 26. 環己醇與酚於8000 N/m2之氣液相平衡 (實驗數據：Karavaeva et al., 1975)	31
圖 27. 進料與回流流量數據	32
圖 28. 進料溫度數據	32
圖 29. 塔頂產品流量數據	33
圖 30. 蒸汽流量數據	33
圖 31. 塔內溫度數據	33
圖 32. 回流溫度數據	34
圖 33. 塔內壓力數據	34
圖 34. 進料組成數據(環己酮、環己醇、酚)	34
圖 35. 進料組成數據(水、輕組成)	35
圖 36. 塔底產品組成數據(酚、輕組成)	35
圖 37. 塔底產品組成數據(環己醇)	35
圖 38. 塔頂產品組成(環己醇、輕組成、酚)	36
圖 39. 環己酮純化塔模擬流程	37
圖 40. 環己酮純化塔模型嚴謹與簡化模型之塔內溫度分佈曲線比較	38
圖 41. 程序診斷系統建置流程	41
圖 42. 數據匯入流程	41
圖 43. 數據篩選流程	42
圖 44. 現場操作變量與模型變數對應	43
圖 45. 蒸餾塔數據調和前後溫度分佈結果示意	44
圖 46. 甲醇蒸餾塔各操作情境之塔內各區段墨菲效率結果	49
圖 47. 甲醇蒸餾塔各操作情境之冷凝器總括熱傳係數結果	49
圖 48. 甲醇蒸餾塔低流量情境之塔內溫度分佈比較(進料條件：low case1)	55
圖 49. 甲醇蒸餾塔低流量情境之塔內溫度分佈比較(進料條件：low case2)	56
圖 50. 甲醇蒸餾塔中流量情境之塔內溫度分佈比較(進料條件：mid case1)	57
圖 51. 甲醇蒸餾塔中流量情境之塔內溫度分佈比較(進料條件：mid case2)	58
圖 52. 甲醇蒸餾塔高流量情境之塔內溫度分佈比較(進料條件：high case1)	59
圖 53. 甲醇蒸餾塔高流量情境之塔內溫度分佈比較(進料條件：high case2)	60
圖 54. 甲醇蒸餾塔低流量情境之塔上半部水力分析圖(進料條件：low case1)	61
圖 55. 甲醇蒸餾塔低流量情境之塔下半部水力分析圖(進料條件：low case1)	62
圖 56. 甲醇蒸餾塔低流量情境之塔上半部水力分析圖(進料條件：low case2)	62
圖 57. 甲醇蒸餾塔低流量情境之塔下半部水力分析圖(進料條件：low case2)	62
圖 58. 甲醇蒸餾塔中流量情境之塔上半部水力分析圖(進料條件：mid case1)	63
圖 59. 甲醇蒸餾塔中流量情境之塔下半部水力分析圖(進料條件：mid case1)	63
圖 60. 甲醇蒸餾塔中流量情境之塔上半部水力分析圖(進料條件：mid case2)	63
圖 61. 甲醇蒸餾塔中流量情境之塔下半部水力分析圖(進料條件：mid case2)	64
圖 62. 甲醇蒸餾塔高流量情境之塔上半部水力分析圖(進料條件：high case1)	64
圖 63. 甲醇蒸餾塔高流量情境之塔下半部水力分析圖(進料條件：high case1)	64
圖 64. 甲醇蒸餾塔高流量情境之塔上半部水力分析圖(進料條件：high case2)	65
圖 65. 甲醇蒸餾塔高流量情境之塔下半部水力分析圖(進料條件：high case2)	65
圖 66. 環己酮純化塔進料條件分類	66
圖 67. 環己酮純化塔各操作情境之塔內各區段墨菲效率結果	67
圖 68. 環己酮純化塔各操作情境之再沸器總括熱傳係數結果	68
圖 69. 環己酮純化塔低流量情境之塔內溫度分佈比較(進料條件：low90 case1)	74
圖 70. 環己酮純化塔低流量情境之塔內溫度分佈比較(進料條件：low90 case2)	75
圖 71. 環己酮純化塔中流量情境之塔內溫度分佈比較(進料條件：mid75 case1)	76
圖 72. 環己酮純化塔中流量情境之塔內溫度分佈比較(進料條件：mid75 case2)	77
圖 73. 環己酮純化塔中流量情境之塔內溫度分佈比較(進料條件：mid90 case1)	78
圖 74. 環己酮純化塔中流量情境之塔內溫度分佈比較(進料條件：mid90 case2)	79
圖 75. 環己酮純化塔高流量情境之塔內溫度分佈比較(進料條件：high75 case1)	80
圖 76. 環己酮純化塔高流量情境之塔內溫度分佈比較(進料條件：high75 case2)	81
圖 77. 環己酮純化塔低流量情境之塔上半部水力分析圖(進料條件：low90 case1)	82
圖 78. 環己酮純化塔低流量情境之塔下半部水力分析圖(進料條件：low90 case1)	82
圖 79. 環己酮純化塔低流量情境之塔上半部水力分析圖(進料條件：low90 case2)	83
圖 80. 環己酮純化塔低流量情境之塔下半部水力分析圖(進料條件：low90 case2)	83
圖 81. 環己酮純化塔中流量情境之塔上半部水力分析圖(進料條件：mid75 case1)	83
圖 82. 環己酮純化塔中流量情境之塔下半部水力分析圖(進料條件：mid75 case1)	84
圖 83. 環己酮純化塔中流量情境之塔上半部水力分析圖(進料條件：mid75 case2)	84
圖 84. 環己酮純化塔中流量情境之塔下半部水力分析圖(進料條件：mid75 case2)	84
圖 85. 環己酮純化塔中流量情境之塔上半部水力分析圖(進料條件：mid90 case1)	85
圖 86. 環己酮純化塔中流量情境之塔下半部水力分析圖(進料條件：mid90 case1)	85
圖 87. 環己酮純化塔中流量情境之塔上半部水力分析圖(進料條件：mid90 case2)	85
圖 88. 環己酮純化塔中流量情境之塔下半部水力分析圖(進料條件：mid90 case2)	86
圖 89. 環己酮純化塔高流量情境之塔上半部水力分析圖(進料條件：high75 case1)	86
圖 90. 環己酮純化塔高流量情境之塔下半部水力分析圖(進料條件：high75 case1)	86
圖 91. 環己酮純化塔高流量情境之塔上半部水力分析圖(進料條件：high75 case2)	87
圖 92. 環己酮純化塔高流量情境之塔下半部水力分析圖(進料條件：high75 case2)	87
圖 93. 環己酮純化塔介面面積校正因子調和結果	89
圖 94. 環己酮純化塔介面面積校正因子迴歸結果	89
圖 95. 環己酮純化塔預測溫度分佈	90
 
表目錄
表 1. 甲醇蒸餾塔主要成分性質	16
表 2. 甲醇蒸餾塔基本個案實廠數據	22
表 3. 甲醇蒸餾塔嚴謹與簡化模型之產品濃度與流量比較	25
表 4. 甲醇蒸餾塔嚴謹模型墨菲效率結果	26
表 5. 甲醇蒸餾塔簡化模型各區段墨菲效率設定值	26
表 6. 環己酮純化塔主要成分性質	30
表 7. 環己酮純化塔實廠操作數據擷取整理	36
表 8. 環己酮純化塔嚴謹模型與簡化模型之產品濃度與流量比較	38
表 9. 環己酮純化塔嚴謹模型與簡化模型之墨菲效率結果	39
表 10. 環己酮純化塔模型簡化後各分段墨菲效率設定值	39
表 11. 甲醇蒸餾塔模型之調和變數	45
表 12. 甲醇蒸餾塔模型組成目標函數之操作變量	45
表 13. 環己酮純化塔模型之調和變數	46
表 14. 環己酮純化塔模型組成目標函數之操作變量	46
表 15. 甲醇蒸餾塔調和變數之調和結果(進料條件：low)	50
表 16. 甲醇蒸餾塔操作變量之調和結果(進料條件：low)	51
表 17. 甲醇蒸餾塔調和變數之調和結果(進料條件：mid)	51
表 18. 甲醇蒸餾塔操作變量之調和結果(進料條件：mid)	52
表 19. 甲醇蒸餾塔調和變數之調和結果(進料條件：high)	52
表 20. 甲醇蒸餾塔操作變量之調和結果(進料條件：high)	53
表 21. 甲醇蒸餾塔低流量情境之塔內效率值比較(進料條件：low case1)	55
表 22. 甲醇蒸餾塔低流量情境之塔內溫度測量點結果比較(進料條件：low case1)	55
表 23. 甲醇蒸餾塔低流量情境之塔內效率值比較(進料條件：low case2)	56
表 24. 甲醇蒸餾塔低流量情境之塔內溫度測量點結果比較(進料條件：low case2)	56
表 25. 甲醇蒸餾塔中流量情境之塔內效率值比較(進料條件：mid case1)	57
表 26. 甲醇蒸餾塔中流量情境之塔內溫度測量點結果比較(進料條件：mid case1)	57
表 27. 甲醇蒸餾塔中流量情境之塔內效率值比較(進料條件：mid case2)	58
表 28. 甲醇蒸餾塔中流量情境之塔內溫度測量點結果比較(進料條件：mid case2)	58
表 29. 甲醇蒸餾塔高流量情境之塔內效率值比較(進料條件：high case1)	59
表 30. 甲醇蒸餾塔高流量情境之塔內溫度測量點結果比較(進料條件：high case1)	59
表 31. 甲醇蒸餾塔高流量情境之塔內效率值比較(進料條件：high case2)	60
表 32. 甲醇蒸餾塔高流量情境之塔內溫度測量點結果比較(進料條件：high case2)	60
表 33. 甲醇蒸餾塔各操作情境個案之泛溢率	65
表 34. 環己酮純化塔調和變數之調和結果(進料條件：low90)	69
表 35. 環己酮純化塔操作變量之調和結果(進料條件：low90)	69
表 36. 環己酮純化塔調和變數之調和結果(進料條件：mid75)	70
表 37. 環己酮純化塔操作變量之調和結果(進料條件：mid75)	70
表 38. 環己酮純化塔調和變數之調和結果(進料條件：mid90)	71
表 39. 環己酮純化塔操作變量之調和結果(進料條件：mid90)	71
表 40. 環己酮純化塔調和變數之調和結果(進料條件：high75)	72
表 41. 環己酮純化塔操作變量之調和結果(進料條件：high75)	72
表 42. 環己酮純化塔各進料條件再沸器E-201總括熱傳係數(單位：kW/m2-K)	72
表 43. 環己酮純化塔低流量情境之塔內效率值比較(進料條件：low90 case1)	74
表 44. 環己酮純化塔低流量情境之塔內溫度測量點結果比較(進料條件：low90 case1)	74
表 45. 環己酮純化塔低流量情境之塔內效率值比較(進料條件：low90 case2)	75
表 46. 環己酮純化塔低流量情境之塔內溫度測量點結果比較(進料條件：low90 case2)	75
表 47. 環己酮純化塔中流量情境之塔內效率值比較(進料條件：mid75 case1)	76
表 48. 環己酮純化塔中流量情境之塔內溫度測量點結果比較(進料條件：mid75 case1)	76
表 49. 環己酮純化塔中流量情境之塔內效率值比較(進料條件：mid75 case2)	77
表 50. 環己酮純化塔中流量情境之塔內溫度測量點結果比較(進料條件：mid75 case2)	77
表 51. 環己酮純化塔中流量情境之塔內效率值比較(進料條件：mid90 case1)	78
表 52. 環己酮純化塔中流量情境之塔內溫度測量點結果比較(進料條件：mid90 case1)	78
表 53. 環己酮純化塔中流量情境之塔內效率值比較(進料條件：mid90 case2)	79
表 54. 環己酮純化塔中流量情境之塔內溫度測量點結果比較(進料條件：mid90 case2)	79
表 55. 環己酮純化塔高流量情境之塔內效率值比較(進料條件：high75 case1)	80
表 56. 環己酮純化塔高流量情境之塔內溫度測量點結果比較(進料條件：high75 case1)	80
表 57. 環己酮純化塔高流量情境之塔內效率值比較(進料條件：high75 case2)	81
表 58. 環己酮純化塔高流量情境之塔內溫度測量點結果比較(進料條件：high75 case2)	81
表 59. 環己酮純化塔各操作情境個案之吞吐率	87
表 60. 環己酮純化塔預測操作變量	90

Bailey, M.P., Placing analytics in the hands of engineers, Chemical Engineering, 12-15, Feb. 2018.
Budantseva, L.S., Lesteva, T.M., Nemtsov, M.S., Liquid-vapor equilibrium in systems methanol-C7-8 hydrocarbons of different classes, Zhurnal Fizicheskoi Khimii, 49, 1844, 1975.
Burguet, M.C., Monton, J.B., Sanchotello, M., Vázquez, M.I., Vapor-liquid equilibria of cyclohexanone cyclohexanol and cyclohexanone 2-methylcyclohexanone systems at 4.00 and 26.66 kPa, Journal of Chemical and Engineering Data, 38, 328-331, 1993.
Carlson, E.C., Don't gamble with physical properties for simulations, Chemical Engineering Progress, 92, 35-46, 1996.
Cova, D.R.J., Vapor-liquid equilibria in binary and ternary systems. Cyclohexanol-Phenol, Cyclohexanone-Cyclohexanol, and Cyclohexanol-Phenol-Cyclohexanone. Journal of Chemical and Engineering Data, 5, 282-284, 1960.
Faagau, G., Reduce column energy consumption, Jul. 2008
https://www.chemicalprocessing.com/articles/2008/123/
Hughes, H.E., Maloney, J.O., The application of radioactive tracers to diffusional operations. Binary and ternary equilibrium data, Chemical Engineering Progress, 48, 1952.
Kireev, V.A., Sheinker, Y.N., Peresleni, E.M., Liquid-vapor phase equilibrium in some binary systems, Zhurnal Fizicheskoi Khimii, 26, 352-357, 1952.
Kister, H.Z., Haas, J.R., Hart, D.R., Gill, D.R., Distillation Design. McGraw-Hill, New York, 1992.
Kojima, K., Ochi, K., Nakazawa, Y., Relationship between liquid activity coefficient and composition for ternary systems, International Chemical Engineering, 9, 342-347, 1969.
Łenka, M., Persson, O., Rasmussen, P., A modified Dvořak-Boublik (vapour liquid) recirculating still with continuous analysis of the compositions of phases, The Journal of Chemical Thermodynamics, 23, 851-858, 1991.
Mix, T.J., Dueck, J.S., Weinberg, M., Energy conservation in distillation, Chemical Engineering Progress, 74, 49-55, 1978.
Ottewell, S., A different plant appears on the horizon, Jul. 2009
https://www.chemicalprocessing.com/articles/2009/159
Perry, R., Green, D., Maloney, J., Perry's Chemical Engineer's Handbook, 7th ed. McGraw-Hill, New York, 1997.
Sloley, A., Plant Operations: Become a great troubleshooter, Mar. 2018
https://www.chemicalprocessing.com/articles/2018/plant-operations-become-a-great-troubleshooter/