本論文主要進行二氧化碳回收再利用之化工設計與整合，分別整合三個程序：(1) 二氧化碳回收轉製合成氣；(2) 合成氣製造甲醇及；(3) 甲醇轉製汽油。研究中並針對「甲醇轉製汽油」程序進行狹點技術與換熱器網路分析，吾人比較其熱能整合前後的能源需求以及成本花費，最後選擇出最佳方案。
論文中主要利用兩套軟體進行研究：“Aspen Plus” 與 “SuperTarget”。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 have presented a chemical process design and integration for the recovery and utilization of carbon dioxide.  Essentially, it consists of three processes: (1) recovery and utilization of carbon dioxide and conversion to the making of synthesis gas; (2) methanol production from the syngas, and (3) production of gasoline from methanol.  In the study, we have also carried out a pinch analysis and heat exchanger network synthesis for the “production of gasoline from methanol”.  At last, we have compared the energy consumption and capital costs of the process with/without heat integration and selected the optimal case.

Two kinds of software were utilized in the research—Aspen Plus 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…………………………………………………………… XI
第一章	緒論	1
1.1  研究動機	1
1.2  研究目的與方法	1
第二章	理論基礎	4
2.1  程序合成與設計	4
2.2  Aspen Plus 模擬軟體簡介	7
2.3  SuperTarget 換熱器網路設計軟體簡介	9
2.4  狹點原理	10
2.4.1  狹點技術	13
2.4.2  數據擷取	14
2.4.3  狹點分析	16
2.4.4  換熱器網路合成	19
2.5  換熱器網路設計範例	21
2.6  範例結果討論	29
第三章	二氧化碳回收再利用之程序合成與設計	30
3.1  前言	30
3.1.1  二氧化碳還原成一氧化碳之熱力學原理	30
3.1.2  氣化技術	32
3.1.3  二氧化碳回收再利用之程序合成 — Carnol 程序	34
3.2  二氧化碳回收再利用製造合成氣	34
3.2.1  二氧化碳回收再利用製造合成氣之製程描述	34
3.2.2  二氧化碳回收再利用製造合成氣	37
第四章	合成氣製造甲醇之程序合成與設計	44
4.1  前言	44
4.2  合成氣製造甲醇之製程描述	44
4.3  合成氣製造甲醇	46
4.3.1  三段壓縮系統	46
4.3.2  程序的核心 — 反應器	47
4.3.3  分離系統 — 驟沸槽	60
4.3.4  分離系統 — 甲醇之精餾	63
第五章	甲醇轉製汽油之程序合成與設計	70
5.1  前言	70
5.2  甲醇轉製汽油簡介	71
5.2.1  甲醇轉製汽油製程特點與簡介	71
5.2.2  反應器之觸媒簡介	72
5.2.3  甲醇轉製汽油之製程描述	73
5.2.4	驟沸槽三相分離理論	77
5.3  甲醇轉製汽油之程序合成與設計	79
5.3.1  程序核心 — 反應器	79
5.3.2  甲醇脫水轉製二甲醚	80
5.3.3  二甲醚轉製汽油	88
5.3.4  二甲醚製造汽油及液化石油氣	96
第六章	甲醇轉製汽油製程之熱能整合	104
6.1  甲醇轉製汽油之換熱器網路合成	104
6.1.1  狹點分析	104
6.2  經濟評估	129
6.2.1  固定設備成本	129
6.2.2  公用設施成本	130
6.3  方案選擇	148
第七章	結論與建議	150
參考文獻	152
附錄	155
附錄1：二氧化碳回收再利用製造汽油	155
附錄2：甲醇轉製汽油整合前及整合之不同趨近溫度下之換熱器面積計算	167
附錄3：換熱器設備成本計算	198


圖目錄

圖 (1.1)   回收再利用轉製汽油之整合方塊流程圖	3
圖 (2.1)  程序設計之洋蔥模式圖	6
圖 (2.2)  Aspen Plus 之熱力學模式選擇路徑圖	9
圖 (2.3)  複合曲線預測能源目標	11
圖 (2.4)  換熱系統的熱源與熱沼特性	11
圖 (2.5)  狹點分界 (零越過狹點熱流)	12
圖 (2.6)  狹點分界 (越過狹點XP單位的熱流)	12
圖 (2.7)  線性化分段示意圖	15
圖 (2.8)  單成份系統之相變化圖	15
圖 (2.9)  最佳操作點之示意圖	16
圖 (2.10) 設計範例之網格圖	22
圖 (2.11) 	ΔTmin = 5°C冷、熱複合曲線	23
圖 (2.12) 設計範例 (ΔTmin = 5°C) 之換熱器網路合成網格圖	25
圖 (3.1)   再利用製造合成氣之程序流程圖	36
圖 (3.2)  “Define” 之設定	37
圖 (3.3)  “Specifications” 之設定	37
圖 (3.4)  “Fortran” 之設定	38
圖 (3.5)  “Vary” 之設定	38
圖 (3.6)  “Define” 之設定	39
圖 (3.7)  “Specifications” 之設定	39
圖 (3.8)  “Fortran” 之設定	40
圖 (3.9)  “Vary” 之設定	40
圖 (3.10) 合成氣之程序模擬圖	41
圖 (4.1)  合成氣製造甲醇之程序流程圖	45
圖 (4.2)  三段壓縮系統	46
圖 (4.3)  JSTOICH輸入成份數與元素種類	47
圖 (4.4)  JSTOICH輸入成份名稱和分子式	48
圖 (4.5)  JSTOICH結果視窗	48
圖 (4.6)  進料莫爾比 下產物Methanol在不同溫度壓力之組成	58
圖 (4.7)  進料莫爾比 下產物water在不同溫度壓力之組成	58
圖 (4.8)  進料莫爾比 下產物Methanol在不同溫度壓力之組成等高線	59
圖 (4.9)  進料莫爾比 下產物water在不同溫度壓力之組成等高線	59
圖 (4.10) 結合三段壓縮/Gibbs反應器/驟沸槽之製程模擬圖	61
圖 (4.11)	T-201 “Design Specs” (1) 中 “Specifications” 之設定	63
圖 (4.12)	T-201 “Design Specs” (1)中 “Components” 之設定	63
圖 (4.13)	T-201 “Design Specs”(1)中“Feed/Product Streams”之設定	64
圖 (4.14)	T-201 “Vary” (1)中之 “Specifications” 之設定	64
圖 (4.15)	T-301 “Vary” (1)中之 “Results”	64
圖 (4.16)	T-201 “Design Specs” (2)中 “Specifications” 之設定	65
圖 (4.17)	T-201 “Design Specs” (2) 中 “Components” 之設定	65
圖 (4.18)	T-201 “Design Specs”(2)中“Feed/Product Streams”之設定	65
圖 (4.19)	T-201 “Vary” (2)中之 “Specifications” 之設定	66
圖 (4.20)	T-201 “Vary” (2)中之 “Results”	66
圖 (4.21)	合成氣製造甲醇之製程模擬圖	67
圖 (5.1)  MtG之化學反應式簡圖	71
圖 (5.2)  Mobil公司1972年合成的新型沸石結構圖	72
圖 (5.3)  Patasil Chains連結而成的骨架結構	73
圖 (5.4) 	甲醇轉製汽油之程序流程圖	75
圖 (5.5) 	甲醇轉製汽油及液化石油氣 (LPG) 之程序流程圖	76
圖 (5.6) 	三相驟沸槽	77
圖 (5.7) 	T-301 “Design Specs” 中 “Specifications” 之設定	81
圖 (5.8) 	T-301 “Design Specs” 中 “Components” 之設定	81
圖 (5.9) 	T-301 “Design Specs” 中 “Feed/Product Streams” 之設定	81
圖 (5.10)	T-301 “Vary” 中之 “Specifications” 之設定	81
圖 (5.11)	T-301 “Vary” 中之 “Results”	82
圖 (5.12)	T-302 “Design Specs” 中 “Specifications” 之設定	83
圖 (5.13)	T-302 “Design Specs” 中 “Components” 之設定	83
圖 (5.14)	T-302“Design Specs” 中 “Feed/Product Streams”之設定	84
圖 (5.15)	T-302 “Vary” 中之 “Specifications” 之設定	84
圖 (5.16)	T-302 “Vary” 中之 “Results”	84
圖 (5.17)	甲醇脫水轉製二甲醚 (DME) 之程序模擬圖	85
圖 (5.18)	“Yeild” 反應器之產物分佈設定	89
圖 (5.19)	製程模擬之 “Components” 之設定	89
圖 (5.20)	“Pseudocomponent” 之設定	90
圖 (5.21)	“SP-301” 之設定	90
圖 (5.22)	T-303 “Design Specs” 中 “Specifications” 之設定	91
圖 (5.23)	T-303 “Design Specs” 中 “Components” 之設定	91
圖 (5.24)	T-303 “Design Specs” 中 “Feed/Product Streams”之設定	91
圖 (5.25)	T-302 “Vary” 中之 “Specifications” 之設定	92
圖 (5.26)	T-303 “Vary” 中之 “Results”	92
圖 (5.27)	汽油製程模擬圖	93
圖 (5.28)	T-303 “Design Specs” (1) 中 “Specifications” 之設定	96
圖 (5.29)	T-303 “Design Specs” (1) 中 “Components” 之設定	97
圖 (5.30)	T-303 “Design Specs”(1)中“Feed/Product Streams”之設定	97
圖 (5.31)	T-302 “Vary” (1) 中之 “Specifications” 之設定	97
圖 (5.32)	T-303 “Vary” (1) 中之 “Results”	97
圖 (5.33)	T-303 “Design Specs” (2) 中 “Specifications” 之設定	98
圖 (5.34)	T-303 “Design Specs” (2) 中 “Components” 之設定	98
圖 (5.35)	T-303 “Design Specs”(2)中“Feed/Product Streams”之設定	99
圖 (5.36)	T-302 “Vary” (2) 中之 “Specifications” 之設定	99
圖 (5.37)	T-303 “Vary” (2) 中之 “Results”	99
圖 (5.38)	T-303 “Design Specs” (3) 中 “Specifications” 之設定	100
圖 (5.39)	T-303 “Design Specs” (3) 中 “Components” 之設定	100
圖 (5.40)	T-302 “Vary” (3) 中之 “Specifications” 之設定	101
圖 (5.41)	T-302 “Vary” (3) 中之 “Specifications” 之設定	101
圖 (5.42)	T-303 “Vary” (3) 中之 “Results”	101
圖 (5.43)	二甲醚製造汽油及液化石油氣之程序模擬圖	102
圖 (6.1)  加熱器E-301之T-Q圖	104
圖 (6.2)  冷卻器E-302之T-Q 圖	105
圖 (6.3)  加熱器E-303之T-Q圖	105
圖 (6.4)  冷卻器E-304之T-Q圖	106
圖 (6.5)  蒸餾塔T-301冷凝器之T-Q圖	106
圖 (6.6)  蒸餾塔T-301再沸器之T-Q圖	107
圖 (6.7)  蒸餾塔T-302冷凝器之T-Q圖	107
圖 (6.8)  蒸餾塔T-302再沸器之T-Q圖	108
圖 (6.9)   = 5°C時，MtG之複合曲線圖	110
圖 (6.10)	 = 10°C時，MtG之複合曲線圖	110
圖 (6.11)	 = 15°C時，MtG之複合曲線圖	111
圖 (6.12)	 = 20°C時，MtG之複合曲線圖	111
圖 (6.13)	MtG  = 5°C時，換熱器網路合成之網格圖	113
圖 (6.14)	MtG  = 10°C時，換熱器網路合成之網格圖	117
圖 (6.15)	MtG  = 15°C時，換熱器網路合成之網格圖	121
圖 (6.16)	MtG  = 20°C時，換熱器網路合成之網格圖	125
圖 (6.17)	甲醇轉製汽油於  = 5°C之最後組態設計	149


表目錄

表 (2.1)  範例物流資料表	21
表 (2.2)  換熱器網路配對資料表	26
表 (3.1)  二氧化碳於常見放熱反應之焓與吉布士自由能	31
表 (3.2)  一氧化碳於常見放熱反應之焓與吉布士自由能	31
表 (3.3)  二氧化碳於常見吸熱反應之焓與吉布士自由能	32
表 (3.4)  比較二氧化碳及一氧化碳常見反應之焓與吉布士自由能	32
表 (3.5)  二氧化碳回收轉製合成氣之物流資料表	42
表 (3.5)  二氧化碳回收轉製合成氣之物流資料表 (續)	43
表 (4.1)  標準狀態 (298K、1.013 bar) 生成自由能與生成熱	49
表 (4.2)  標準狀態下自由能、生成熱與反應常數	50
表 (4.3)  不同化學反應在不同溫度下之 與 	51
表 (4.4)  Methanol 反應之改變量 (合 成 氣 進 料 莫 爾 比 為 )	52
表 (4.5)  1.013 bar下之不同溫度反應產物莫爾數及生成率	53
表 (4.6)  不同溫度與不同壓力下Methanol莫爾生成率的關係	56
表 (4.7)  分離系統驟沸槽之物流資料表	62
表 (4.8)  合成氣製造甲醇之物流資料表	68
表 (4.8)  合成氣製造甲醇之物流資料表 (續)	69
表 (5.1)  熱力學模式說明表	79
表 (5.2)  甲醇脫水轉製二甲醚 (DME) 之物流資料表	86
表 (5.2)  甲醇脫水轉製二甲醚 (DME) 之物流資料表 (續)	87
表 (5.3)  汽油製程之物流資料表	94
表 (5.3)  汽油製程之物流資料表 (續)	95
表 (5.4)  汽油及LPG之物流資料表	103
表 (6.1)  MtG製程之冷熱物流資料表	109
表 (6.2)  MtG製程之不同趨近溫度比較表	112
表 (6.3)  MtG製程於 = 5°C之換熱器網路配對資料	114
表 (6.4)  MtG製程於 = 10°C之換熱器網路配對資料	118
表 (6.5)  MtG製程於 = 15°C之換熱器網路配對資料	122
表 (6.6)  MtG製程於 = 20°C之換熱器網路配對資料	126
表 (6.7)  換熱器設備成本表	129
表 (6.8)  常用之公用設施之單位成本	130
表 (6.9)  蒸汽使用量 (Base Case)	131
表 (6.10)	冷卻水使用量表	133
表 (6.11)	MtG公用設施消耗量表 (Base Case)	134
表 (6.12)	MtG公用設施消耗量表 ( = 5°C)	136
表 (6.13)	MtG公用設施消耗量表 ( = 10°C)	138
表 (6.14)	MtG公用設施消耗量表 ( = 15°C)	140
表 (6.15)	MtG公用設施消耗量表 ( = 20°C)	142
表 (6.16)	 = 5°C之各個換熱器面積與總面積計算表	143
表 (6.17)	 = 10°C之各個換熱器面積與總面積計算表	144
表 (6.18)	 = 15°C之各個換熱器面積與總面積計算表	145
表 (6.19)	 = 20°C之各個換熱器面積與總面積計算表	146
表 (6.20)	不同最小趨近溫度下EAOC 之比較	147
表 (6.21) MtG製程各種 下與原製程公用設施消耗量比較表	147

參考文獻
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