臺灣博碩士論文加值系統

熱能整合自能源危機開始受到重視，而能源價格飆漲後，如何有效地增加製程上的能源使用效率，在程序設計中成為一個重要的課題。
「環氧乙烷」和「苯乙烯」都是最重要的石化基本原料－乙烯的衍生物。「環氧乙烷」用於製造乙二醇 (主要是用於抗凍劑)。它也常用於製造環氧乙烷的衍生物，包括高分子量或低分子量聚合體做為許多用途，例如，清潔劑的添加劑。苯乙烯用以製造苯乙烯聚合體，它的用途很廣泛，是作為合成多種塑膠產業和橡膠產業重要的中間原料。在本質安全設計中，因環氧乙烷有很廣範圍的爆炸界線3-80%，吾人需注意反應器的設計。另外，值得一提的是苯乙烯單體在高溫時會自發性的聚合，因此吾人需將產物溫度維持在低於125℃。
本論文針對兩個製程進行研究：「環氧乙烷程序」與「苯乙烯單體製程」。環氧乙烷製程屬於化學程序中重要的氧化反應；苯乙烯製程則包含了化學反應的兩個重要反應，即乙烯的烷化反應 (為放熱反應，可用來製造蒸汽) 與乙苯的脫氫反應 (為吸熱反應，需用到蒸汽)，兩個製造單元之間理應有熱能整合的設計。論文中主要使用兩套程序軟體：首先AspenPlus進行製程設計與模擬，其次使用SuperTarget進行狹點分析和換熱器網路合成。觀察兩個個案的研究結果在公用設施的需求量上皆比原始設計為少，所以能夠有效的降低成本與節省能源。在兩個個案研究中環氧乙烷製程 (ΔTmin＝10℃) 和原始設計比較，在熱公用設施節省34％而冷公用設施節省25%；苯乙烯製程 (ΔTmin＝10℃) 的乙烯烷化反應部份和原始設計比較，在熱公用設施節省70％而冷公用設施節省63%；乙苯脫氫部份和原始設計比較，在熱公用設施節省30％而冷公用設施節省3%；苯乙烯單體整個製程中選取合適的冷/熱物流進行熱能整合和原始設計比較 (ΔTmin＝10℃)，在熱公用設施節省65％但冷公用設施沒有。

Since energy crisis, heat integration has become one of the important issues in the process systems engineering. Due to the price of energy is constantly rising, how to increase the efficient use of energy in the process has also become of great importance in the field of process design.
Ethylene oxide and styrene are both derived from the most basic and important building block of petrochemicals, i.e., ethylene. Ethylene oxide is a chemical used to make ethylene glycol, which is the primary ingredient in antifreeze. It is also used in the manufacture of ethylene-oxide derivatives (EOD), including both of the low molecular and high molecular polymers for use in many applications such as detergent additives. Styrene is the monomer used to make polystyrene, which has a multitude of uses, and has been an important intermediate chemical in the plastics industries and rubber industries. In terms of inherent safe designs, since ethylene oxide has a very wide range of explosion limits－3-80%, we have to pay attention to the design of reactors. It is also worth mentioning that the styrene product can spontaneously polymerize at higher temperature, it is necessary to maintain the product temperature below 125℃.
In this thesis, we have carried out two case studies: one is “ethylene oxide process”, and the other is “styrene monomer process”. Ethylene-oxide process belongs to an important category as oxidation in the chemical industries. Like most ethyl benzene/styrene facilities, there is significant heat integration between the two plants. The ethyl benzene reaction is exothermic, so steam is produced, and the styrene reaction is endothermic, so energy is used in the form of steam. Both of the two cases were simulated first by using AspenPlus. Then, heat- exchanger network designs were synthesized and analyzed by using SuperTarget. Significant utility savings were achieved for both of the two case studies. The hot utility savings is 34% and cold utility savings is 25%, as compared with the base-case design, for the ethylene-oxide process with a minimum approach temperature of 10℃. While the hot utility savings is 70% and cold utility savings is 63%, as compared with the base-case design, for the alkylation reaction (exothermic) of the styrene process with a minimum approach temperature of 10℃, the hot utility savings is 30% and cold utility savings is 3%, as compared with the base-case design, for the dehydrogenation reaction (endothermic) of the styrene process with the same minimum approach temperature. Finally, if we take appropriate cold/hot streams for heat integration from the whole styrene process, we found the hot utility savings is 65% but no cold utility savings with a minimum approach temperature of 10℃.

中文摘要…………………………………………………………………i
英文摘要………………………………………………………………iii
目錄………………………………………………………………………v
圖目錄………………………………………………………………viii
表目錄…………………………………………………………………xii
第一章 諸論 …………………………………………………………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………………………………………………………2
2.1 程序合成與設計理論………………………………………2
2.1.1 程序合成與設計 ─ 洋蔥模式………………………2
2.1.2 程序合成的模式………………………………………3
2.1.3 程序的核心 ─ 反應器………………………………3
2.1.4 分離和迴流……………………………………………4
2.1.5 換熱器網路……………………………………………5
2.1.6 公用設施………………………………………………5
2.2 Aspen Plus模擬軟體簡介…………………………………5
2.3 SuperTarget換熱器網路設計軟體簡介……………………6
2.4 製程模擬之架構與步驟……………………………………7
2.5 狹點技術……………………………………………………8
2.5.1 數據擷取(Data Extraction) ……………………11
2.5.2 狹點分析 (Pinch Analysis) ……………………13
2.5.3 換熱器網路合成 (HEN Synthesis) ………………16
2.5.4 換熱器網路組態設計 (Network Configuration
Design)………………………………………………18
2.6 範例設計……………………………………………………18
2.6.1 數據擷取……………………………………………18
2.6.2 狹點分析……………………………………………21
2.6.3 換熱器網路合成……………………………………30
2.6.4 換熱器網路組態設計………………………………30
第三章 環氧乙烷程序之設計與整合………………………………33
3.1 前言………………………………………………………33
3.2 製程描述…………………………………………………34
3.3 進行製程之設計…………………………………………37
3.4 環氧乙烷製程之本質安全分析…………………………47
3.5 環氧乙烷之三角燃燒圖…………………………………49
3.6 儲槽之設計………………………………………………50
3.7 環氧乙烷槽車之安全設計………………………………51
3.8 環氧乙烷槽車之靜電安全評估…………………………53
3.9 環氧乙烷槽車之灌裝作業程序…………………………57
3.10 環氧乙烷製程上之熱能整合……………………………60
3.10.1 數據擷取……………………………………………60
3.10.2 狹點分析……………………………………………60
3.10.3 換熱器網路之合成…………………………………60
3.10.4 換熱器網路組態設計………………………………60
第四章 苯乙烯單體製程程序之熱能整合研究……………………92
4.1 前言…………………………………………………………92
4.2 烷化反應……………………………………………………94
4.2.1 製程描述及其模擬…………………………………94
4.2.2 烷化反應之熱能整合……………………………106
4.2.2.1 數據擷取………………………………………106
4.2.2.2 狹點分析………………………………………106
4.2.2.3 換熱器網路之合成……………………………106
4.2.2.4 換熱器網路組態設計…………………………106
4.3 乙苯脫氫…………………………………………………134
4.3.1 製程描述及其模擬…………………………………134
4.3.2 脫氫反應之熱能整合………………………………145
4.3.2.1 數據擷取………………………………………145
4.3.2.2 狹點分析………………………………………145
4.3.2.3 換熱器網路之合成……………………………145
4.3.2.4 換熱器網路組態設計…………………………145
4.4 苯乙烯單體製程熱能整合………………………………172
4.4.1 數據擷取……………………………………………172
4.4.2 狹點分析……………………………………………172
4.4.3 換熱器網路合成……………………………………172
4.4.4 換熱器網路組態設計………………………………172
第五章 結論與建議…………………………………………………190
符號說明………………………………………………………………192
參考文獻………………………………………………………………193
圖目錄
圖2.1 程序設計之洋蔥模式圖………………………………………2
圖2.2 整體分離系統組合圖…………………………………………5
圖2.3 製程模擬之架構與步驟圖…………………………………10
圖2.4 線性化分段示意圖…………………………………………12
圖2.5 單成分系統之相變化圖 (假設ΔT = 1℃)…………………14
圖2.6 最佳操作點之示意圖………………………………………14
圖2.7 未經熱能整合前之範例製程流程圖………………………19
圖2.8 熱複合曲線建立示意圖……………………………………23
圖2.9 冷複合曲線建立示意圖……………………………………25
圖2.10 範例製程之冷熱複合曲線…………………………………27
圖2.11 範例製程之總複合曲線……………………………………28
圖2.12 範例製程未經換熱器配對前 (ΔTmin＝5℃) 之網格圖…29
圖2.13 熱能整合 (ΔTmin＝10℃) 後之換熱器網路合成網格圖…31
圖2.14 熱能整合 (ΔTmin＝10℃) 後之範例製程最後組態圖……32
圖3.1 環氧乙烷製程之PFD…………………………………………36
圖3.2 AspenPlus之環氧乙烷製程流程圖…………………………38
圖3.3 環氧乙烷三角燃燒圖………………………………………49
圖3.4 環氧乙烷槽車之設計圖……………………………………51
圖3.5 空氣進料之預熱器E-301之T-Q圖…………………………61
圖3.6 空氣進料之預熱器E-302之T-Q圖…………………………61
圖3.7 乙稀進料與空氣混合物進入E-303之T-Q圖………………62
圖3.8 反應器R-301 出口冷凝器E-304之T-Q圖…………………62
圖3.9 吸收塔T-301 塔頂出口預熱器E-305之T-Q圖……………63
圖3.10 反應器R-302 出口冷凝器E-306之T-Q圖…………………63
圖3.11 吸收塔T-301、T-302 塔底出口混合預熱器E-307之T-Q圖64
圖3.12 蒸餾塔T-303冷凝器之T-Q圖………………………………65
圖3.13 蒸餾塔T-303再沸器之T-Q圖………………………………65
圖3.14 ΔTmin=5 ℃時，環氧乙烷製程之複合曲線圖……………67
圖3.15 ΔTmin=10 ℃時，環氧乙烷程序之複合曲線圖……………67
圖3.16 ΔTmin=15 ℃時，環氧乙烷程序之複合曲線圖……………68
圖3.17 ΔTmin=20 ℃時，環氧乙烷程序之複合曲線圖……………68
圖3.18 ΔTmin=25 ℃時，環氧乙烷程序之複合曲線圖……………69
圖3.19 ΔTmin=5 ℃環氧乙烷製程之換熱器網路合成之網格圖…73
圖3.20 ΔTmin=10℃環氧乙烷製程之換熱器網路合成之網格圖…77
圖3.21 ΔTmin=15℃環氧乙烷製程之換熱器網路合成之網格圖…81
圖3.22 ΔTmin=20℃環氧乙烷製程之換熱器網路合成之網格圖…85
圖3.23 ΔTmin=25℃環氧乙烷製程之換熱器網路合成之網格圖…89
圖3.24 ΔTmin=10℃時環氧乙烷製程之最後組態設計圖…………91
圖4.1 乙苯製程之BFD………………………………………………93
圖4.2 苯乙苯製程之BFD……………………………………………93
圖4.3 乙苯製程之PFD………………………………………………96
圖4.4 AspenPlus之乙苯製程流程圖………………………………97
圖4.5 反應器R-101出口冷卻器E-101之T-Q圖…………………107
圖4.6 反應器R-102出口冷卻器E-102之T-Q圖…………………107
圖4.7 反應器R-103出口冷卻器E-103之T-Q圖…………………108
圖4.8 冷凝器E-104之T-Q圖………………………………………108
圖4.9 冷凝器E-105之T-Q圖………………………………………109
圖4.10 蒸餾塔T-101再沸器E-106之T-Q圖………………………109
圖4.11 蒸餾塔T-101冷凝器E-107之T-Q圖………………………110
圖4.12 蒸餾塔T-102冷凝器E-108之T-Q圖………………………110
圖4.13 蒸餾塔T-102冷凝器E-109之T-Q圖………………………111
圖4.14 加熱爐H-101之T-Q圖………………………………………112
圖4.15 加熱爐H-102之T-Q圖………………………………………112
圖4.16 ΔTmin=5 ℃時，乙苯製程之複合曲線圖…………………114
圖4.17 ΔTmin=10 ℃時，乙苯程序之複合曲線圖………………114
圖4.18 ΔTmin=15 ℃時，乙苯程序之複合曲線圖………………115
圖4.19 ΔTmin=20 ℃時，乙苯程序之複合曲線圖………………115
圖4.20 ΔTmin=5 ℃乙苯製程之換熱器網路合成之網格圖………119
圖4.21 ΔTmin=10 ℃乙苯製程之換熱器網路合成之網格圖……123
圖4.22 ΔTmin=15 ℃乙苯製程之換熱器網路合成之網格圖……127
圖4.23 ΔTmin=20 ℃乙苯製程之換熱器網路合成之網格圖……131
圖4.24 ΔTmin=10 ℃時乙苯製程之最後組態設計圖……………133
圖4.25 苯乙烯製程之PFD…………………………………………136
圖4.26 AspenPlus之苯乙烯製程流程圖…………………………137
圖4.27 進料預熱器 E-201之T-Q圖…….…………………………146
圖4.28 反應器R-202出口冷卻器E-203之T-Q圖…………………146
圖4.29 反應器R-202出口冷卻器E-204之T-Q圖…………………147
圖4.30 反應器R-202出口冷卻器E-205之T-Q圖…………………147
圖4.31 苯、甲苯回收塔 T-201再沸器 E-206之T-Q圖…………148
圖4.32 苯、甲苯回收塔 T-201冷凝器 E-207之T-Q圖…………148
圖4.33 苯乙烯精餾塔 T-202再沸器E-208之T-Q圖………………149
圖4.34 苯乙烯精餾塔 T-202冷凝器E-209之T-Q圖………………149
圖4.35 加熱爐H-201之T-Q圖………………………………………150
圖4.36 ΔTmin=5 ℃時，苯乙烯製程之複合曲線圖………………152
圖4.37 ΔTmin=10 ℃時，苯乙烯程序之複合曲線圖……………152
圖4.38 ΔTmin=15 ℃時，苯乙烯程序之複合曲線圖……………153
圖4.39 ΔTmin=20 ℃時，苯乙烯程序之複合曲線圖……………153
圖4.40 ΔTmin=5 ℃苯乙烯製程之換熱器網路合成之網格圖……157
圖4.41 ΔTmin=10 ℃苯乙烯製程之換熱器網路合成之網格圖…161
圖4.42 ΔTmin=15 ℃苯乙烯製程之換熱器網路合成之網格圖…165
圖4.43 ΔTmin =20 ℃苯乙烯製程之換熱器網路合成之網格圖…169
圖4.44 ΔTmin =10 ℃時苯乙烯製程之最後組態設計圖…………171
圖4.45 苯乙烯單體製程全圖………………………………………173
圖4.46 ΔTmin = 5℃時，苯乙烯單體製程之複合曲線圖………174
圖4.47 ΔTmin = 10℃時，苯乙烯單體製程之複合曲線圖………174
圖4.48 ΔTmin = 15℃時，苯乙烯單體製程之複合曲線圖………175
圖4.49 ΔTmin=5℃苯乙烯單體製程之換熱器網路合成之網格圖179
圖4.50 ΔTmin=10℃苯乙烯單體製程之換熱器網路合成之網格圖183
圖4.51 ΔTmin=15℃苯乙烯單體製程之換熱器網路合成之網格圖187
圖4.52 ΔTmin=10 ℃時苯乙烯單體製程之最後組態設計圖………189
表目錄
表2.1 範例製程之冷熱物流資料表………………………………20
表2.2 範例之熱物流在各區間內之熱含量計算…………………24
表2.3 範例之冷物流在各區間內之熱含量計算…………………26
表3.1 環氧乙烷製程之物流資料表………………………………39
表3.2 環氧乙烷製程之熱交換器資料表…………………………44
表3.3 單成分爆炸界限……………………………………………47
表3.4 環氧乙烷槽車安全設計表…………………………………52
表3.5 常用化學品之靜電相關常數………………………………54
表3.6 環氧乙烷槽車之灌裝標準作業程序………………………57
表 3.7 環氧乙烷製程之物流表……………………………………66
表3.8 環氧乙烷製程不同最小趨近溫度之比較表………………70
表3.9 ΔTmin=5℃之換熱器網路配對資料表………………………74
表3.10 ΔTmin=10℃之換熱器網路配對資料表……………………78
表3.11 ΔTmin=15℃之換熱器網路配對資料表……………………82
表3.12 ΔTmin=20℃之換熱器網路配對資料表……………………86
表3.13 ΔTmin=25℃之換熱器網路配對資料表……………………90
表4.1 乙苯製程之物流資料表……………………………………98
表4.2 乙苯製程之熱交換器資料表………………………………102
表4.3 乙苯製程之物流表…………………………………………113
表4.4 乙苯製程不同最小趨近溫度之比較表……………………116
表4.5 ΔTmin=5℃之換熱器網路配對資料表……………………120
表4.6 ΔTmin=10℃之換熱器網路配對資料表……………………124
表4.7 ΔTmin=15℃之換熱器網路配對資料表……………………128
表4.8 ΔTmin=20℃之換熱器網路配對資料表……………………132
表4.9 苯乙烯製程之物流資料表…………………………………138
表4.10 苯乙烯製程之熱交換器資料表……………………………142
表4.11 苯乙烯製程之物流表………………………………………151
表4.12 苯乙烯製程不同最小趨近溫度之比較表…………………154
表4.13 ΔTmin=5℃之換熱器網路配對資料表……………………158
表4.14 ΔTmin=10℃之換熱器網路配對資料表……………………162
表4.15 ΔTmin=15℃之換熱器網路配對資料表……………………166
表4.16 ΔTmin=20℃之換熱器網路配對資料表……………………170
表4.17 苯乙烯單體製程不同最小趨近溫度之比較表……………176
表4.18 ΔTmin=5℃之換熱器網路配對資料表……………………180
表4.19 ΔTmin=10℃之換熱器網路配對資料表……………………184
表4.20 ΔTmin=15℃之換熱器網路配對資料表……………………188

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