化工流程图.docx

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化工流程图

1、化工流程圖

ﻩ

（一）流程圖簡介

ﻩﻩ　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

ﻩ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）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

ﻩ　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。

（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

2、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

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：

100　Ｋg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

ﻩ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

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？

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?

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H２O

6016.4

5０　　　　　14.45

　　　　4０　　　　　　1２．7

　　　　３0　　　　　11.1

　　　20　　９.6

　　１0　　　　　　　　8.15

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：

ﻩﻩ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

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

ﻩ有化學變化系統:

　　　　　質量守恆方程式:

ﻩ若為穩態下:

質量積存＝0

ﻩ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

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。

ﻩﻩ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（tiｅ　compoｎｅnｔ）：

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:

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?

ﻩﻩ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？

ﻩ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？

ﻩ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：

ﻩﻩ*反應物反應量可由下列二者求得：

　　　　　　1．產物生成量

　　　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　　％。

ﻩ２．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=　　　　　

　Ｄ的工廠產率＝　　　　　　

ﻩﻩ　　例：

1Ａ+1B→２C

　　　　1Ａ+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

ﻩﻩﻩﻩ上題C、Ｄ之化學計量因素為：

C＝　、D＝　　　　。

ﻩ＊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？

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?