本論文針對甲醇生化程序作整合設計與其控制，首先使用AspenPlus完成製程的穩態模擬。擷取相關的冷熱物流資料，依照狹點技術的經驗法則，再使用SuperTarget進行換熱器網路的合成，完成甲醇生化程序節能研究。最後吾人使用AspenDynamics 針對製程中之分離單元分別以回饋控制與串級控制進行動態模擬。

This research focuses on the process integration and control of the methanol bioprocess. First, we used AspenPlus to complete the steady-state simulation of the bioprocess. The cold and hot stream data were extracted accordingly. Secondly, by using the heuristics of pinch technology and SuperTarget, we were able to complete the heat exchanger network synthesis for the efficient use of energy of the bioprocess. Finally, we used AspenDynamics to complete the dynamic simulations of the separation units of the bioprocess by means of the feedback control and cascade control.

目錄
誌謝------------------------------------------------------Ⅰ
中文摘要--------------------------------------------------Ⅱ
英文摘要--------------------------------------------------Ⅲ
目錄------------------------------------------------------Ⅳ
圖目錄----------------------------------------------------Ⅵ
表目錄----------------------------------------------------Ⅸ
第一章　緒論-----------------------------------------------1
1-1　前言--------------------------------------------------1
1-2　研究目的----------------------------------------------4
1-3  研究方法----------------------------------------------5
第二章　理論基礎-------------------------------------------7
2-1　製程穩態模擬------------------------------------------7
2-2  熱能整合---------------------------------------------13
2-2-1  狹點技術-------------------------------------------17
2-2-2  狹點技術分析步驟-----------------------------------19
2-2-3  換熱器網路設計範例---------------------------------28
2-3  製程動態模擬-----------------------------------------42
2-3-1  化工廠常用控制策略---------------------------------50
2-3-2  動態模擬範例---------------------------------------53
第三章 甲醇生化程序之設計---------------------------------63
3-1　製程描述---------------------------------------------63
3-2  製程模擬---------------------------------------------70
3-3  裝置設計---------------------------------------------78
第四章 甲醇生化程序之熱能整合-----------------------------80
4-1　狹點技術在甲醇生化程序熱能整合之應用-----------------80
4-2  數據資料之擷取---------------------------------------80
4-3  狹點分析---------------------------------------------80
4-4  換熱器網路合成---------------------------------------91
4-5  換熱器網路組態設計----------------------------------108
第五章 甲醇生化程序之動態分析----------------------------110
5-1　控制目的--------------------------------------------110
5-2  H2O2蒸餾塔 (T-101) 之動態模擬-----------------------110
5-2  福馬林蒸餾塔 (T-103) 之動態模擬---------------------120
第六章 結論與建議----------------------------------------128
符號表---------------------------------------------------130
參考文獻-------------------------------------------------131
附錄A----------------------------------------------------134
圖目錄
圖1-1  製程分析步驟	6
圖2-1  製程模擬之架構與步驟圖	9
圖2-2  狹點理論中所謂的最小耗能目標	14
圖2-3  線性化分段示意圖	20
圖2-4  單成分系統之相變化圖 (假設ΔT=1℃)	20
圖2-5  最佳操作點之示意圖	22
圖2-6  總複合曲線之說明	25
圖2-7  熱複合曲線建立示意圖	30
圖2-8  冷複合曲線建立示意圖	32
圖2-9  範例之冷熱複合曲線	34
圖2-10  範例之總複合曲線	35
圖2-11  範例未經換熱器配對前 (ΔTmin＝10℃) 之網格圖	36
圖2-12  範例之 ∆Tmin＝10℃完成換熱器網路合成之網格圖	39
圖2-13  範例換熱器網路之最後組態設計圖 (∆Tmin＝10℃)	41
圖2-14  化工程序輸入與輸出關係示意圖	44
圖2-15  蒸餾之偵誤系統	46
圖2-16  蒸餾塔回饋控制系統	50
圖2-17  蒸餾塔串級控制系統	51
圖2-18  蒸餾塔前饋控制系統	52
圖2-19  甲基環已烷萃取蒸餾塔回饋控制之控制架構	56
圖2-20  進料 (物流1) 之甲基環己烷流量增加10%，甲苯
減少10%時，回饋控制環路之動態變化	57
圖2-21  甲基環己烷萃取蒸餾塔串級控制之控制架構	59
圖2-22  甲基環己烷萃取蒸餾塔溫度分佈圖	60
圖2-23  進料 (物流1) 之甲基環己烷流量增加10%甲苯減少
10%時主控制器環路之動態變化	61
圖2-24  進料 (物流1) 之甲基環己烷流量增加10%甲苯減少
10%時副控制器環路之動態變化	62
圖3-1  甲醇生化製程之方塊流程圖	65
圖3-2  甲醇生化製程反應區段之程序流程圖	66
圖3-3  甲醇生化製程分離及純化區段之程序流程圖	67
圖3-4  甲醇生化製程反應區冷凍循環之程序流程圖	68
圖3-5  甲醇生化製程之Overall程序流程圖	69
圖3-6  Aspen Plus模擬甲醇生化製程之流程圖	71
圖3-7  Aspen Plus模擬反應區之冷凍循環流程圖	75
圖4-1  甲醇生化製程中換熱器E-101之T-Q圖	82
圖4-2  甲醇生化製程中換熱器E-102之T-Q圖	82
圖4-3  甲醇生化製程中加熱器E-103之T-Q圖	83
圖4-4  反應區冷凍循環中加熱器E-201之T-Q圖	83
圖4-5  ΔTmin＝5℃時，甲醇生化製程之冷、熱複合曲線	85
圖4-6  ΔTmin＝10℃時，甲醇生化氫製程之冷、熱複合曲線	86
圖4-7  ΔTmin＝15℃時，甲醇生化製程之冷、熱複合曲線	87
圖4-8  ΔTmin＝20℃時，甲醇生化氫製程之冷、熱複合曲線	88
圖4-9  ΔTmin＝25℃時，甲醇生化氫製程之冷、熱複合曲線	89
圖4-10  熱能整合後 (ΔTmin=5℃) 之甲醇生化製程換熱器
網路合成	93
圖4-11  熱能整合後 (ΔTmin=10℃) 之甲醇生化製程換熱器
網路合成	96
圖4-12  熱能整合後 (ΔTmin=15℃) 之甲醇生化製程換熱器
網路合成	99
圖4-13  熱能整合後 (ΔTmin=20℃) 之甲醇生化製程換熱器
網路合成	102
圖4-14  熱能整合後 (ΔTmin=25℃) 之甲醇生化製程換熱器
網路合成	105
圖4-15  熱能整合 (ΔTmin=10℃) 後之甲醇生化製程最後組態圖	109
圖5-1  H2O2 蒸餾塔 (T-101) 回饋控制之控制架構	112
圖5-2  進料中過氧化氫增加 10 kmol/hr，水減少10 kmol/hr
，回饋控制環路之動態變化	113
圖5-3  H2O2 蒸餾塔 (T-101) 串級控制之控制架構	115
圖5-4  進料中過氧化氫增加 10 kmol/hr，水減少10 kmol/hr
，串級控制主控制器環路之動態變化	116
圖5-5  進料中過氧化氫增加 10 kmol/hr，水減少10 kmol/hr
，串級控制副控制器環路之動態變化	117
圖5-6  H2O2 蒸餾塔失去冷卻水對塔壓影響之動態變化	118
圖5-7  H2O2 蒸餾塔再沸器熱負荷失去對塔壓影響之動態變化	119
圖5-8  福馬林蒸餾塔 (T-103) 回饋控制之控制架構	121
圖5-9  進料中甲醛流量增加10%之干擾下回饋控制環路之
        動態變化	122
圖5-10  福馬林蒸餾塔 (T-103) 串級控制之控制架構	124
圖5-11  福馬林蒸餾塔溫度分佈	125
圖5-12  進料中甲醛流量增加10%之干擾下串級控制主控制
        器之動態變化	126
圖5-13  進料中甲醛流量增加10%之干擾下串級控制副控制
        器之動態變化	127
表目錄
表2-1  AspenPlus 軟體中EOS/GE模式範例	12
表2-2  範例之冷熱物流資料表	28
表2-3  範例之熱物流在各區間內之熱含量計算	31
表2-4  範例之熱物流在各區間內之熱含量計算	33
表2-5  範例之換熱器網路配對資料表	40
表2-6  穩態模擬與動態模擬之比較	43
表2-7  常用蒸餾塔之偵誤系統	47
表2-8  範例萃取蒸餾塔之物流資料表	54
表2-9  範例萃取蒸餾塔之控制器參數	54
表3-1  甲醇生化程序製程之物流資料表	72
表3-2  反應區之冷凍循環物流資料表	76
表4-1  製程之冷熱物流資料表	84
表4-2  甲醇生化製程不同最小趨近溫度之比較表	90
表4-3  ∆Tmin=5℃之換熱器網路整合結果	94
表4-4  ∆Tmin=10℃之換熱器網路整合結果	97
表4-5  ∆Tmin=15℃之換熱器網路整合結果	100
表4-6  ∆Tmin=20℃之換熱器網路整合結果	103
表4-7  ∆Tmin=25℃之換熱器網路整合結果	106
表4-8  甲醇生化製程不同最小趨近溫度與冷熱公用設施
        換熱器面積換熱器數目之比較	107
表5-1  H2O2蒸餾塔之控制器參數	110
表5-2  福馬林蒸餾塔之控制器參數	120

【1】	Hattfield, G. W., “Enzymatic Process for Manufacturing Formaldehyde and Hydrogen Peroxide, ”U.S. Patent #5,234,827, 1993.
【2】	Linnhoff, B., D. 	W. Townsend, D. Boland, G. F. Hewitt, B. E. A. Thomas, A. R. Guy and R. H. Marsland, “User Guide on Process Integration for the Efficient Use of Energy,” Rugby, IChemE, 1982.
【3】	AspenPlus, AspenPlus User’s Guide：Version 11.0, Aspen Tech., Boston, MA, USA, 2002.
【4】	SuperTarget, SuperTarget User’s Guide, Linnhoff March  Ltd., Cheshire, UK, 2003.
【5】	AspenDynamics, AspenDynamics User’s Guide：Version 11.0, Aspen Tech., Boston, MA, USA, 2002.
【6】	Hohmann, E.C. “Optimum Network for Heat Exchanger,” PhD Thesisi, University of Southern California, USA, 1971.
【7】	Linnhoff, B. and J. R. Flower, “Synthesis of Heat Exchanger Networks：I.Systematic Generation of Energy Optimal Networks,” AIChE J., vol. 24, 633-642, 1978.
【8】	Umeda, T., J. Ttoh and K. Shiriko, “Heat Exchanger System Synthesis,” Chem. Engng. Prog., Vol. 74, 70-76, 1978.
【9】	Grossmann I. E. and Z. Kravanja, “Mixed-integer nonlinear Programming Techniques for Process Systems Engineering,” Suppl. Of Computers & Chem. Engng., Vol. 19, S189-S205, 1995.
【10】	Linnhoff, B. and E. Hindmarsh, “The Pinch Design Method for Heat Exchanger Network,” Chem. Engng. Sci., Vol. 38, 745-763, 1983.
【11】	Townsend, D. W. and B. Linnhoff, “Designing total energy systems,” Chem. Engng. Prog., Vol. 78, 72-80, 1982.
【12】	Ahmad, S., B. Linnhoff and R. Smith, “Cost Optimum Heat Exchanger Networks, Part Ⅱ：Targets and Design for Detailed Captail Cost,” Computers & Chem. Engng., Vol. 14, NO. 7, 751-767, 1990.
【13】	Gundersen, T. and I. E. Grossmann, Comp. & Chem. Eng., Vol. 14, 925, 1990.
【14】	Papoulias, S. A. and I. E. Grossmann, Comp. & Chem. Eng., Vol.7, 707, 1983
【15】	Yee, T. F. and I. E. Grossmann, Comp. & Chem. Eng., Vol. 14, 1151, 1990.
【16】	Turton, R., R. C. Bailie, W. B. Whiting, J. A. Shaeiwitz, “Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes,” 2nded Edition, Prentice Hall, PTR, 670-677, 2003.
【17】	Luyben, W. L., “Plantwide Dynamic Simulators In Chemical Processing and Control,” Marcel Dekker Inc, 162-180, 2002.
【18】	Luyben, W. L. and D. C. Hendershot, “Dynamic Disadvantages of Inherently Safer Process Design,” Ind. Eng. Chem. Res., 43,  384-396, 2004.
【19】	Shuler, M. L., F. Kargi, “Bioprocess Engineering Basic Concepts,” Prentice Hall, PTR, 62-64, 1992.
【20】	Levenspiel, O. “Chemical Reaction Engineering,” 3rd Edition, John Wiley, 623-629, 1999.
【21】	Smith, R. “Chemical Process Design,” McGraw-Hill, New York, USA, 160-176, 1995. 
【22】	岑邦豪 等譯, 施顏祥 訂, “製程整合與能源節約技術,” 高圖書有限公司, 台北, 1986.
【23】	王ㄧ虹, “程序控制,” 揚智出版社, 台北, 1999.
【24】	趙榮澄,黃孝平, “程序控制學,” 鹽巴出版社, 台北, 1982.