1-1　化學工程

生活用品如何生產？

現代生活裡的衣食住行育樂用品，多數是透過化學工業生產而得，甚至連綠能科技或循環經濟等新議題，也都伴隨著化學工程。但在古代，化工技術卻常出現於煉丹術或煉金術中，相關研究皆屬皇室貴族的特權。歐洲經歷文藝復興後，實用科學復甦，才逐漸發展出煅燒、溶解、蒸餾、染色等技術。1661年，Boyle出版《懷疑的化學家》，奠定了分析化學的基礎；1803年，Dalton提出原子說；1811年，Avogadro提出分子說。這些進展皆使化學步入微觀領域，至1869年Mendeleev建立週期表後，更確定了化學工業的發展基礎。進入20世紀，全球人口增加，為了滿足民生需求，化工技術被用來量產肥皂、玻璃、紙張等用品，並從家庭製造擴張成工廠量產。

以應用於玻璃、洗衣粉、氧化鋁、氫氧化鈉、淨水軟化劑、麵食的碳酸鈉（Na2CO3）為例，在工業革命前必須透過砍樹燒成灰才能製造，後來法國的Le Blanc使用食鹽、硫酸和煤炭，在高溫爐中製造出Na2CO3，但卻會生成具公害性的副產物HCl與CaS。比利時的土木工程師Solvay從小在父親經營的製鹽廠長大，熟悉裝置與程序知識，開發出6倍產量的新方法。然而，Solvay與他的同事們都是不懂工程的化學家，只能憑藉經驗掌握特定化學品之生產技術，無法推展至其他產品。

至19世紀末，英國的公害監察官George Davis發現不同的化學工廠皆具有共通程序，例如磨碎、分散、燃燒、攪拌、冷卻、蒸餾、過濾、萃取等單元，因而寫成《A Handbook of Chemical Engineering》，提出由單元操作組成化工程序的概念，並定義出化學工程師的職稱；之後還闡述了從實驗室研發進展到建廠量產的構想，因此被後人尊為「化學工程之父」。另在1888年，美國麻省理工學院（MIT）首創化工學程系，以工業化學與機械工程為主要授課內容，吸引許多大學跟進。1902年，W.H. Walker就任MIT化工系主任後，改採單元操作為核心課程，因而美國尊其為「化學工程之父」。

成型的化學工業技術首先來自化學家在實驗室測試構想，接著由化學工程師建立具有效益的生產線，大量製造產品並上市發售。因為化學家在實驗室中，只以泛用器材尋找反應條件或觸媒材料，經過簡單分離後得到產物，但不一定考慮到純度。然而，商品量產時不能單純地放大實驗室流程，還必須考慮原料純度、反應器類型、未反應物之回收、觸媒或溶劑之回收、反應熱之處理、產物分離方法、廢液廢氣處理等生產問題。因此，化工技術的發展可總結成下列步驟：

1. 實驗室測試

2. 試驗工廠測試

3. 程序最佳化模擬

4. 建廠與試車

5. 大規模量產

在上述流程中，化學工程師扮演重要的角色，尤其在設計新製程之前，往往只知道原料與產品，對於反應器、產品分離技術、操作條件等議題，皆待思索，因而需要進行單元操作的設計。之後再思考整體程序，期望能減少步驟，提升個別操作之效率。為了達到最高效率，可能會採用較多設備，但卻導致總成本增加，因此存在一種最佳設計，而化學工程師必須尋找最適化的流程，並且要將規模放大，從實驗室推廣到試驗廠，再擴大到量產廠。設計完成後，工廠尚需安全順暢的運轉，因此工程師還要提出良好的控制策略。

總結化學工業的流程，是指原料經過物理、化學或生化處理後得到最終產品的程序，之中的步驟包括進料前處理、化學反應、反應產物分離、產品純化和產品包裝輸送。化學工程師必須整理、研判與設計化學家所提出的構想和可資運用之訊息，採取最經濟與最安全的程序，以設廠製造出產品，之中將重複利用單元操作的概念。單元操作的對象可依物質狀態分為固體、液體和氣體，有時也包含超臨界流體，這些物質必須被輸送、加熱或冷卻，而且需要經歷混合與分離，因此牽涉動量、熱量與質量之輸送。掌握了單元操作的概念，即可奠定化學工業生產的基礎。

1-1　化學工程

生活用品如何生產？

現代生活裡的衣食住行育樂用品，多數是透過化學工業生產而得，甚至連綠能科技或循環經濟等新議題，也都伴隨著化學工程。但在古代，化工技術卻常出現於煉丹術或煉金術中，相關研究皆屬皇室貴族的特權。歐洲經歷文藝復興後，實用科學復甦，才逐漸發展出煅燒、溶解、蒸餾、染色等技術。1661年，Boyle出版《懷疑的化學家》，奠定了分析化學的基礎；1803年，Dalton提出原子說；1811年，Avogadro提出分子說。這些進展皆使化學步入微觀領域，至1869年Mendeleev建立週期表後，更確定了化學工業的發展基礎。進入...

自序

十九世紀末，英國的公害監察官George Davis觀察不同的化學工廠，從中發現了共通的單元方法，因而提出化工程序可以解構成各種單元操作的概念，促進了後世的生產技術發展。他推論出生產所需技術的思維方法，十分值得讀者與筆者學習。Davis發現單元操作時，採取了歸納性思維，從幾項具體的案例中，找出共通點，最後歸納出普遍性的原則作為結論。使用歸納性思維的前提是經驗與知識豐富，才能激發出突破性的創意。擁有了單元操作的概念後，則可發揮演繹性思維，組合已知的操作技術，開發出前所未有的製程。本書承襲前人的智慧與經驗，扼要說明了各類單元操作方法及其原理，提供讀者可掌握可演繹的前提，以發揮思考力創造出各式生產程序。

掌握單元操作的原理之前，需要理解輸送現象，因此在學術界，輸送現象與單元操作往往會合成一門學問，由教師引領學生縱橫學習。然而，研發者欲開拓新製程時，經常欠缺組合成整體的視野，陷入見樹不見林的窘境，故在理解單元操作之後，建議讀者再投入學習程序設計，先用整體觀點思考製程問題，再拉近視線到局部，探究單元操作與輸送現象，之後又放大視野回到整體流程，並反覆縮小與放大範圍，逐步減少預期與現實的差異，取得局部與整體間的平衡，完成見樹又見林的程序設計目標。

本書講述單元操作原理時，難免運用了許多圖表與方程式。參照愛因斯坦留下的經典名句：「物理學的書，總充滿著複雜的數學式，但每個理論的開端卻是思想和觀念，只是這些構想在日後，必須採取某種數學型式，才可能與實驗對照。」儘管現代的電腦科技發達，可以讀取資料庫的大數據，執行複雜的數值計算，求解非線性方程組，加速設計工作，但筆者仍然勉勵讀者去挑戰複雜原理的推論，以利於未來突破商用軟體的功能限制。

《圖解單元操作》與《圖解輸送現象》皆定位於工程科系學生理解相關物理的入門資料，適用對象的專業背景包括機械工程系、化學工程系、環境工程系、土木工程系、航太工程系、海洋工程系、大氣科學系。書末介紹了單元操作的經典中外文書籍，提供進階學習者延伸閱讀，精益求精。然本書篇幅有限，加上定位精簡，文中各種單元操作主題皆以最扼要的方式呈現，時而現象說明，時而算式闡述，盼能秉持工程領域中有「理」有「據」的原則，訓練讀者兼具定性原「理」分析和定量數「據」推理的能力。

由於科技的發展無法僅憑定性研究，也需定量探索，時至今日，還需要顧及社會與環境，以循環經濟的觀點製造產品，才能實踐永續發展的目標。愛因斯坦多年之前已提及：「關心人類和我們的命運，始終是所有科技努力的目標，在你的圖表與方程式中，永遠不要忘記這一點。」謹獻芻言，願共勉之。

自序

十九世紀末，英國的公害監察官George Davis觀察不同的化學工廠，從中發現了共通的單元方法，因而提出化工程序可以解構成各種單元操作的概念，促進了後世的生產技術發展。他推論出生產所需技術的思維方法，十分值得讀者與筆者學習。Davis發現單元操作時，採取了歸納性思維，從幾項具體的案例中，找出共通點，最後歸納出普遍性的原則作為結論。使用歸納性思維的前提是經驗與知識豐富，才能激發出突破性的創意。擁有了單元操作的概念後，則可發揮演繹性思維，組合已知的操作技術，開發出前所未有的製程。本書承襲前人的智慧與經驗，扼要...

第一章　基本原理
1-1 化學工程　
1-2 質能平衡　
1-3 輸送現象　
1-4 成分與相　
1-5 單元操作　
1-6 分離技術　
1-7 規模放大與縮小　
第二章　混合與分散操作
2-1 巨觀混合　
2-2 微觀混合　
2-3 固體填充床　
2-4 流體化床　
第三章　多相分離操作
3-1 沉降　
3-2 離心與旋風分離　
3-3 過濾　
3-4 泡沫分離　
3-5 洗滌與瀝取　
3-6 乾燥　
第四章　均相分離操作
4-1 蒸餾　
4-2 萃取　
4-3 吸收與氣提　
4-4 吸附與脫附　
4-5 離子交換　
4-6 層析　
4-7 蒸發　
4-8 增溼與除溼　
4-9 結晶　
4-10 膜分離　
第五章　整合性操作
5-1 萃取蒸餾　
5-2 反應蒸餾　
5-3 反應萃取　
5-4 反應萃取蒸餾　
第六章　總結
參考資料—延伸閱讀　
各章習題　
習題解答　

第一章　基本原理
1-1 化學工程　
1-2 質能平衡　
1-3 輸送現象　
1-4 成分與相　
1-5 單元操作　
1-6 分離技術　
1-7 規模放大與縮小　
第二章　混合與分散操作
2-1 巨觀混合　
2-2 微觀混合　
2-3 固體填充床　
2-4 流體化床　
第三章　多相分離操作
3-1 沉降　
3-2 離心與旋風分離　
3-3 過濾　
3-4 泡沫分離　
3-5 洗滌與瀝取　
3-6 乾燥　
第四章　均相分離操作
4-1 蒸餾　
4-2 萃取　
4-3 吸收與氣提　
4-4 吸附與脫附　
4-5 離子交換　
4-6 層析　
4-7 蒸發　
4-8 增溼與除溼　
4-9 結晶　
4-10 膜...