化工製程強化

序

化學工業是技術與資金密集的傳統工業，由於任何創新的技術都可能存有潛在的風險，因此業者對於創新的態度不僅保守，而且非常敏感。然而，自從二十世紀末期以來，全球化與環保意識抬頭，迫使化工業者不得不改變保守的心態，開始尋求解決之道。

由於製程的強化是以逐步、順序漸進的方式進行改善，而且無論由商業、法規或環境衝擊的角度而言，製程強化對於能源、空間、成本、廢棄物、操作彈性等項目皆有正面的功效，因此，製程強化的研究與應用成為化學工程的顯學。它已經澈底轉變了化學製程設計與開發的策略，不僅大幅提高生產力、降低環境汙染與風險，並且將傳統化學工廠的規模朝向「輕薄短小」的目標前進。

製程強化的概念早在1960年代即開始萌芽，但是一直到1970年代末期，英國卜內門化學公司研究團隊將超重力技術應用到蒸餾與吸收程序後，才開始受到化學工業界的重視。斯坦凱維茲（Andrzej I. Stankiewicz）與穆林（Jacob A. Moulijn）綜合各家說法，提出下列的廣義定義：

「製程強化包括所有大幅改善現有生產製程、降低設備體積或數量與生產量的比例、提升能源效率及汙染排放與生產成本的創新裝置與技術發展」。換句話說，就是「任何能導致更輕薄短小、更潔淨與低能源消費的工程技術」。

我國化學工業雖然有輝煌的歷史，但是，近年來由於原料、土地取得不易與民眾抗爭的結果，發展已經面臨瓶頸。與其擴大生產，不如強化製程，將先進的觸媒、袖珍型熱交換器與反應器、製程整合等技術應用於既有的生產程序中，不僅可以大幅提高生產力，並且可以降低環境汙染與風險。然而，我國產官學界對於製程強化的發展認識不足，相關技術尚未普遍應用於工業製程上。

有鑒於此，筆者乃蒐集歐、美、日本等先進國家著作與期刊中相關資訊，撰寫本書，除了介紹基本理念外，並強調案例的應用，期以協助化工業者認識製程強化的發展、應用範圍與績效等。

本書分為基本理念、停留時間強化、空間結構強化、能量強化、功能強化與工業應用等六個主要部分，彙總於十個章節之中。第一章概述製程強化的發展歷史、基本理念、效益與推廣障礙，期以提供讀者一個完整的概念。「停留時間強化」在

第二章中介紹，以改善質量傳輸的方式，強化反應物質間的接觸與混和，並縮短反應時間與反應器體積。第三章為「空間結構強化」，以改變微觀世界中化學分子間空間與結構的參數，如觸媒孔徑與內部通道、單位體積的表面積與活性等為手段，以提升反應效率、降低設備體積與風險。「能量強化」依所應用的能量形式分別列入第四（電、磁、微波、超音波等）、五（光）、六（超重力）章中。功能整合係將幾個不同估能的設備與技術經整合後，產生協同效應，達到「一加一大於二」的功效。相關內容列入第七、八、九章中，分別介紹觸媒╱多能源整合、反應╱混和與熱交換、反應與分離整合等。工業應用方法與案例則在第十章中介紹。

本書平鋪直陳，多輔以實例，盡量避免理論的探討，凡大學化學、化工相關科系畢業生皆可理解，除了可供從業工程師參考外，並可作為研究所教科書。「製程強化」範圍很廣，其技術仍不斷地發展中。筆者雖廣泛蒐集資訊與參閱近年來發表的期刊論文，但由於獨自編寫，限於人力與物力，難以周全。未盡善美之處，恐不勝枚舉，尚祈專家學者不吝指正。

本書承揚智文化事業股份有限公司葉忠賢先生鼎力支持，閻富萍小姐協助編輯與出版事宜，得以順利出版，謹在此向他們表示最大的謝意。

張一岑 謹識

序

化學工業是技術與資金密集的傳統工業，由於任何創新的技術都可能存有潛在的風險，因此業者對於創新的態度不僅保守，而且非常敏感。然而，自從二十世紀末期以來，全球化與環保意識抬頭，迫使化工業者不得不改變保守的心態，開始尋求解決之道。

由於製程的強化是以逐步、順序漸進的方式進行改善，而且無論由商業、法規或環境衝擊的角度而言，製程強化對於能源、空間、成本、廢棄物、操作彈性等項目皆有正面的功效，因此，製程強化的研究與應用成為化學工程的顯學。它已經澈底轉變了化學製程設計與開發的策略，不僅大幅提高生產力、降低...

序 i

Chapter 1 基本理念 1
1.1 定義 2
1.2 歷史沿革 3
1.3 範圍 6
1.4 基本原理 7
1.5 領域 13
1.6 益處與推廣障礙 18
1.7 結語 21

Chapter 2 停留時間強化 23
2.1 前言 24
2.2 縮短停留時間 24
2.3 強制性動態與瞬間激發 31

Chapter 3 空間結構強化 49
3.1 前言 50
3.2 奈米結構強化 51
3.3 中尺度強化 67
3.4 宏觀強化 82

Chapter 4 能量強化一 105
4.1 能量與化學反應的關係 106
4.2 電場 109
4.3 磁場 111
4.4 微波 114
4.5 超音波 120

Chapter 5 能量強化二：光化學 129
5.1 前言 130
5.2 化學品生產 132
5.3 光解作用 136
5.4 光氧化作用 138
5.5 光觸媒作用 139
5.6 微藻光合作用 150

Chapter 6 能量強化三：超重力技術 157
6.1 前言 158
6.2 發展歷史 158
6.3 基本原理 160
6.4 應用 167
6.5 旋轉碟反應器 182
6.6 結語 191

Chapter 7 功能強化一：觸媒、多能源整合 197
7.1 前言 198
7.2 觸媒層次協同作用 201
7.3 能源型式的結合 207

Chapter 8 功能強化二：反應、混和與熱交換 219
8.1 前言 220
8.2 反應與混和 220
8.3 反應與熱能交換 228

Chapter 9 功能強化三：反應與分離整合 255
9.1 前言 256
9.2 反應蒸餾 257
9.3 以膜為基礎的反應分離 268
9.4 反應吸附 278
9.5 反應萃取 282
9.6 反應結晶∕沉澱 283
9.7 反應吸收∕氣提 285
9.8 分離技術整合 286
9.9 優缺點與障礙 304

Chapter 10 工業應用：方法與案例 309
10.1 前言 310
10.2 製程強化必要性 310
10.3 製程強化的特徵 312
10.4 製程開發程序 313
10.5 製程強化步驟 314
10.6 應用案例 316
10.7 結語 333

序 i

Chapter 1 基本理念 1
1.1 定義 2
1.2 歷史沿革 3
1.3 範圍 6
1.4 基本原理 7
1.5 領域 13
1.6 益處與推廣障礙 18
1.7 結語 21

Chapter 2 停留時間強化 23
2.1 前言 24
2.2 縮短停留時間 24
2.3 強制性動態與瞬間激發 31

Chapter 3 空間結構強化 49
3.1 前言 50
3.2 奈米結構強化 51
3.3 中尺度強化 67
3.4 宏觀強化 82

Chapter 4 能量強化一 105
4.1 能量與化學反應的關係 106
4.2 電場 109
4.3 磁場 111
4.4 微波 114
4.5 超音波 120

Chapter 5 能量強化二：光化...