化工流程图

化工流程图

（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，一样比較常使用的流程圖如下：方塊流程圖

以方格表示程序的要紧功能，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）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。比程序流程圖更清晰。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。

簡述字號

2. 裝置符號

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、質能平稳、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，一样會先計算質量均衡，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.氣體吸取10.萃取

以上操作能够可區分為三個差不多類型：

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

60 16.4

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8 000公斤，則回流比若干？

精餾塔分離苯及甲苯流程如下：

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？

S、Xs＝0（純異戊烷）

例8：有一製造NaOH程序，使用一雙效蒸發器以濃縮N aOH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

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

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：（一样以莫耳數計算）

1.燃燒指物質與氧氣反應，一样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（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。一样空氣中的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1 00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？

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？

例6：一合成氣含7.2％CO2、0.2％O2、38.6％CO、4 8.6％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：