如何解決異丙醇產品生產的高成本、高能耗和高污染等問題一直是業界為之頭疼的難題。日前，南京工業大學化工學院Grail團隊設計的揚子石化年產5萬噸異丙醇項目，創新使用蒸氣滲透膜分離技術和精餾分離整體優化技術，為異丙醇的高效生產和綠色生產提供了方案，并在天正設計杯第十五屆全國大學生化工設計競賽全國總決賽中斬獲金獎。
“為某大型化工企業設計一座異丙醇生產分廠或為現有的異丙醇生產分廠設計技術改造方案，相對現有生產裝置的技術水平，要求技術提升達到國家提出的綠色發展指標”，Grail團隊在拿到賽題后，便將技術改造重點定位在“本質環保，節能降耗”上。
“在丙酮加氫生產異丙醇生產工藝中，異丙醇粗餾塔的塔頂產物為異丙醇—丙酮—水三元混合物。其中，水與異丙醇可形成共沸物，需要采用共沸精餾、萃取精餾等方法從該混合物中脫除水，操作復雜、成本高，無法取得較好的經濟效益，故異丙醇生產廠通常將該三元混合物作為廢液處理或出售，導致異丙醇收率降低、成本增加、資源浪費。”南京工業大學化工學院、指導團隊老師崔群介紹道，為將該三元混合物充分利用起來，Grail團隊采用該校膜科學技術研究所的蒸氣滲透膜分離技術，用NaA分子篩膜對異丙醇—丙酮—水三元混合物進行分離，三元混合物進入蒸氣滲透膜裝置，通過膜滲透脫水，滲余側截留的丙酮和異丙醇混合物，經精餾分離得到丙酮返回作為生產異丙醇原料、循環使用，同時得到99.9wt%異丙醇產品。該方案與傳統萃取精餾相比，年操作費降低了60%，碳排放量降低63%，總體能耗降低63%。
Grail團隊在成功截留并高效回收利用丙酮的同時，也沒有放過另一種原料氫氣。他們同樣采用膜分離技術，使丙酮加氫反應產物經閃蒸分離產生的混合氣進入氫氣分離膜系統，回收得到99.9%氫氣，再次作為生產異丙醇的原料被循環使用。
值得一提的是，該團隊是總決賽60支參賽隊中唯一一支對精餾分離進行整體優化的隊伍。“一般較常見的優化路徑是逐個優化精餾塔，我們之所以選擇整體優化，是因為整個項目4座精餾塔并列排布、相互耦合，能耗也相互影響。”Grail團隊隊長周凱說，“我們用NSGA-Ⅲ多目標優化算法對四塔操作參數聯合優化后發現，與逐個優化相比，整體優化的總費用減少251萬元/年，碳排放量減少3540噸/年，全廠換熱網絡優化與優化前相比降低能耗48.1%。”
“這樣的項目效果和比賽結果，我們還是很滿意的。”最令團隊成員胡澤華同學感到自豪的是，他們的軟件技術分全場最高，因此獲得了現代設計方法應用優秀獎。“在華東區區賽中，我們軟件分被扣掉了0.4分，意識到是反應動力學部分出了問題，想著一定要在國賽之前改正過來。”胡澤華介紹說，反應動力學是整個項目流程模擬的基礎，改變反應動力學意味著第一步設計模擬重做后，后面的流程全部要做相應的修改。
從8月6日區賽第二輪答辯結束到8月15日提交國賽作品，Grail團隊成員團結合作，進行數據擬合、流程模擬、文檔匯編、圖紙繪制、設備設計與選型等，在8月15日晚上10點提交了國賽作品。“在這場與時間的賽跑中，我們對知識的融會貫通能力、對工程實踐的領悟能力、耐挫能力和團隊協作能力都得到了提升，這對我們今后進入工程實踐中有很大的幫助。”團隊成員韓欣說。
據悉，今年共有401所高校2767支隊伍參賽，參賽學生人數達1.4萬名，規模達歷史之最。經過各地區省(市)賽和7大賽區層層選拔，最終60支隊伍參加全國總決賽，共評出特等獎12個、一等獎48個。
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