搜索
～1～一、化工流程圖（一）流程圖簡介流程圖乃是利用一些簡單符號及圖表，將生產過程中的反應程序繪成一張簡圖，方便了解生產流程，及利於流程的操作。依使用的目的不同，一般比較常使用的流程圖如下：1.方塊流程圖以方格表示程序的主要功能，直線箭頭表示物質流動方向，並加註重要程序資料之流程圖。此圖用於開發初期程、序概念的介紹，並方便做質能均衡的計算，作為化工程序設計的基礎。故又稱為方塊式質量或能量均衡圖。2.程序流程圖以簡單的圖形表示程序中重要的裝置、管路，以直線箭頭連接，再標式關鍵性的操作條件，如溫度、壓力等之流程圖，故又稱為裝置簡示流程圖。此種流程圖最常見於化工廠的各種程序中，在化工計算中不常被使用。化工廠中常見的程序流程圖有三種：（1）定性流程圖標式物料的流動，程序中各裝置的次序，及操作的條件等。～2～（2）定量流程圖標式程序操作中，原料、各階段物料以及產品等的量。（3）綜合流程圖以定性流程圖為基礎，並加入裝置的規格、物料的量及程序上之各操作條件。3.工程流程圖此圖以程序流程圖為基礎，再標式化工程序的多種重要資料，如正常生產、緊急停爐，維修保養….等所需相關資料。比程序流程圖更清楚。因用途不同，可區分為機械流程圖及配管儀器流程圖。～3～（二）流程圖符號為使流程圖簡明，又能表現相當的資料，常使用流程圖符號來繪製流程圖。1.簡述字號2.裝置符號～4～二、質量均衡物質經過不同化工程序單元時，不管是如何複雜，或經過多少反應，都必須遵守物理和化學的守恆定律：1.質量守恆定律（非核子反應）2.原子守恆定律3.能量守恆定律4.動量守定律5.電荷守恆定律。而前三個定律應用於化工程序之計算中，稱為質能均衡、質能平衡、或化工計算。1.質能均衡又分為質量均衡及能量均衡兩種計算，一般會先計算質量均衡，再計算能量均衡。2.質量均衡是利用質量守恆定律、原子守恆定律計算化工程序中原料、產物各物料的量。先學簡單的無化學變化系統，再學較複雜的化學變化系統之質量均衡。（一）無化學變化系統的質量均衡系統：質量守恆方程式：穩態下：質量積存＝0則，質量守恆方程式可簡化為：＊解題法：1.畫流程圖2.標出物質之已知質量及濃度，未知量設符號（純物質不需標式濃度）3.列方程式1.全部物質：質量輸入＝質量輸出～5～2.部分物質：質量輸入＝質量輸出（可多條）4.解出未知數（n條方程式可解n個未知數）5.寫出問題的答案＊解題技巧1.部分物質之質量求法質量分率＝溶質質量∕溶液質量so溶質質量＝溶液質量×質量分率例：100Kg的Ca(OH)2水溶液，若Ca(OH)2之質量分率（x）為0.2，則水溶液中含水及氫氧化鈣多少克？2.設定基準：若題目中沒有任何質量（莫耳數），則需設定已知濃度之物質之質量為100克（1莫耳）＊題型：皆為將物質分離或集合的物理程序1.稀釋2.混合3.分餾4.乾燥5.結晶6.分餾回流7.分流8.蒸發9.氣體吸收10.萃取以上操作可以可區分為三個基本類型：1.儲存操作2.分離操作3.組合操作～6～例1：今有氫氣化鈣之水溶液，內含氫氣化鈣之質量分率為0.2，若欲將其稀釋為2000仟克含氫氣化鈣5%之水溶液，則需用若干公斤的水，以稀釋20%之水溶液？例2：一混合器中原存有1910公斤的稀硫酸水溶液，內含硫酸12.43wt%，若欲將混合器中的硫酸提升到18.63wt%，則需加入77.7wt%之硫酸溶液多少公斤？又得新溶液若干？～7～例3：今有一連續蒸餾塔，在大氣壓下，此塔每小時須分離13640仟克之苯與甲苯之混合物，進料中苯之質量分率為0.40，塔頂產物中苯之質量分率為0.97，塔底產物中甲苯之質量分率為0.98，試計算每一小時塔底產物為多少仟克？塔頂產物為多少千克？例4：某乾燥器每小時需處理含水量71%之濕紙漿1000公斤，乾燥後除去60%的水，則每小時需除去若干公斤水分？乾燥後的紙漿的組成為何？～8～例5：結晶器中原有10000公斤之60℃飽和NaHCO3水溶液，若欲將500公斤之NaHCO3結晶析出，問結晶器中的溫度應降為幾度？溫度溶解度℃克NaHCO3/100克H2O6016.45014.454012.73011.1209.6108.15例6：一精餾塔用以分離10000公斤/小時之苯與甲苯混合物（各含50％），餾出物中含苯95％，餾餘物中含甲苯96％。自塔頂入冷凝器蒸氣量為8000公斤，則回流比若干？精餾塔分離苯及甲苯流程如下：F=1000kg/V=800kg/小時L～9～例7：如下圖之操作，從戊烷異購物之混合物中分離出部分之異戊烷，則分流入分離器的量佔原料若干百分率？例8：有一製造NaOH程序，使用一雙效蒸發器以濃縮NaOH水溶液，設每小時進入第一器內4000公斤之10%NaOH，蒸發後離開第一效之濃度為18%，此溶液再進入第二效蒸發器內，最後P、XP＝0.9F=100Kg00KgXY、XY＝1.0S、Xs＝0（純異戊烷）XF=0.8D,XD=0.95～10～得到50%NaOH溶，則1.各蒸發器中水的之蒸發速率為多少Kg/hr？2.進入第二效蒸發器的流量為多少Kg/hr？3.最後產品的流量為多少Kg/hr？例9：將10公斤酚與10公斤水混合後形成二層溶液，上層含12%酚，下層含62%酚，則上層的質量為多少Kg？（二）有化學變化系統的質量均衡有化學變化系統：質量守恆方程式：若為穩態下：質量積存＝0公式簡化為：＊解題法：1.畫流程圖2.標示各成分之已知質量及濃度，未知量設符號～11～3.列化學方程式4.燃燒問題：利用惰性成分（繫質）、過量空氣解題5.化學製程問題：利用轉化率、產率解題6.解出每一未知量及回答問題1.燃燒問題：（一般以莫耳數計算）1.燃燒指物質與氧氣反應，一般指有機燃料與空氣燃燒，完全燃燒生成H2O及CO2，不完全燃燒則生成H2O、CO或C。例：寫出乙烷、乙烯完全燃燒之化學方程式？2.名辭定義：1.關連成分、繫質（tiecomponent）：於化學反應中，某一成分為惰性物質而始終不發生化學反應者，可藉此成分的質量均衡關係，計算進出口物流的組成。一般空氣中的N2（g）即為繫質。2.理論氧氣（O2理）：物質完全燃燒，理論上所需之氧氣量。由燃燒方程式求得3.理論空氣（Air理）：物質完全燃燒，理論上所需之空氣量。由理論氧氣求得4.過量氧氣O2（空氣Air）：物質實際燃燒所需之氧氣（空氣）量。5.過量氧氣百分率（％）＝過量空氣百分率（％）公式：～12～6.過剩氧氣百分率（％）＝過剩空氣百分率（％）公式：例1：5莫耳乙烯完全燃燒需理論氧氣＝mole，需供給mole理論空氣（氧氣之莫耳分率為0.2）。若供給100莫耳空氣，則供給之過量空氣百分率＝％，過量氧氣百分率為＝％，過剩空氣百分率＝％，過剩氧氣百分率＝％。例2：燃燒88克丙烷，需標準狀態下氧氣約若干公升？若使用20%過量空氣，則需標準狀態下空氣若干公升？例3：輸入20％過剩空氣，完全燃燒10莫耳乙烷燃料，則需輸入空氣量為？～13～例4：輸入20％過剩空氣，完全燃燒某天然氣（成分為95％甲烷、5％乙烷），試計算輸入空氣量與天然氣量之比？例5：一燃爐所使用之天然氣中含95％甲烷與5％氮，當天然氣燃燒時，自燃爐排出的氣體，入冷凝器將水份冷凝除去後，其組成為9.1％之二氧化碳、0.2％之一氧化碳、4.6％之氧，及86.1％之氮，試計算入口空氣之過剩百分率？～14～例6：一合成氣含7.2％CO2、0.2％O2、38.6％CO、48.6％H2（其餘為氮氣），使用30％過量乾空氣燃燒，則其燃氣之組成為何？2.化學製程問題（以質量、莫耳數計算皆可）1.轉化率：指反應中，反應物參與反應之分率，實際上反應物不可能完全反應完，故轉化率小於100％。定義：＊反應物反應量可由下列二者求得：1.產物生成量～15～2.反應物反應後之剩餘量例：乙烯氫化成乙烷之反應為：1C2H4+1H2→1C2H6若乙烯進料20莫耳，在下列兩種情形下之乙烯轉化率為多少%1.生成乙烷10莫耳，乙烯轉化率為％。2.反應後，出料中含乙烯5莫耳，乙烯轉化率為％。2.產率：可以用以測量一反應器或一工廠之性能（效率），及生成某一種產物之效能。定義：一反應為A+B→C（產物）A+B→D（產物）1.反應器產率：C的反應器產率＝D的反應器產率＝2.工廠產率：C的工廠產率＝～16～D的工廠產率＝例：1A+1B→2C1A+1B→3D若輸入A為10莫耳，B過量，反應後生成C為5莫耳及D為6莫耳，則C、D二產物之工廠產率及反應器產率分別為多少％？＊化學計量因素：產物每生成一莫耳所需反應物之化學計量莫耳數上題C、D之化學計量因素為：C＝、D＝。＊限量試劑：反應物中會完全反應完的反應物（如上題之A），化學計量關係以此物質之莫耳數為基準。＊過量試劑：反應物中過量的反應物，反應後會剩下來的物質（如上題之B），此物之量與化學計量無關。例1：下列為氯化乙烯之製程：C2H4Cl2→C2H3Cl+HCl二氯乙烷之轉化率為55％，則每小時欲得5000公斤之氯化乙烯，每小時需輸送若干公斤的二氯乙烷入反應器？～17～例2：乙烯水解製程乙醇的過程中，若100莫耳的進料中含55％C2H4、5％化學惰性物、40％水，則產物中含52.26％C2H4、5.49％C2H5OH、0.16％（C2H5）2O、36.81％H2O及5.28％化學惰性物。試以乙烯為基準，計算乙醇與乙醚之反應器產率？～18～