如何解决异丙醇产品生产的高成本、高能耗和高污染等问题一直是业界为之头疼的难题。日前，南京工业大学化工学院Grail团队设计的扬子石化年产5万吨异丙醇项目，创新使用蒸气渗透膜分离技术和精馏分离整体优化技术，为异丙醇的高效生产和绿色生产提供了方案，并在天正设计杯第十五届全国大学生化工设计竞赛全国总决赛中斩获金奖。
“为某大型化工企业设计一座异丙醇生产分厂或为现有的异丙醇生产分厂设计技术改造方案，相对现有生产装置的技术水平，要求技术提升达到国家提出的绿色发展指标”，Grail团队在拿到赛题后，便将技术改造重点定位在“本质环保，节能降耗”上。
“在丙酮加氢生产异丙醇生产工艺中，异丙醇粗馏塔的塔顶产物为异丙醇—丙酮—水三元混合物。其中，水与异丙醇可形成共沸物，需要采用共沸精馏、萃取精馏等方法从该混合物中脱除水，操作复杂、成本高，无法取得较好的经济效益，故异丙醇生产厂通常将该三元混合物作为废液处理或出售，导致异丙醇收率降低、成本增加、资源浪费。”南京工业大学化工学院、指导团队老师崔群介绍道，为将该三元混合物充分利用起来，Grail团队采用该校膜科学技术研究所的蒸气渗透膜分离技术，用NaA分子筛膜对异丙醇—丙酮—水三元混合物进行分离，三元混合物进入蒸气渗透膜装置，通过膜渗透脱水，渗余侧截留的丙酮和异丙醇混合物，经精馏分离得到丙酮返回作为生产异丙醇原料、循环使用，同时得到99.9wt%异丙醇产品。该方案与传统萃取精馏相比，年操作费降低了60%，碳排放量降低63%，总体能耗降低63%。
Grail团队在成功截留并高效回收利用丙酮的同时，也没有放过另一种原料氢气。他们同样采用膜分离技术，使丙酮加氢反应产物经闪蒸分离产生的混合气进入氢气分离膜系统，回收得到99.9%氢气，再次作为生产异丙醇的原料被循环使用。
值得一提的是，该团队是总决赛60支参赛队中唯一一支对精馏分离进行整体优化的队伍。“一般较常见的优化路径是逐个优化精馏塔，我们之所以选择整体优化，是因为整个项目4座精馏塔并列排布、相互耦合，能耗也相互影响。”Grail团队队长周凯说，“我们用NSGA-Ⅲ多目标优化算法对四塔操作参数联合优化后发现，与逐个优化相比，整体优化的总费用减少251万元/年，碳排放量减少3540吨/年，全厂换热网络优化与优化前相比降低能耗48.1%。”
“这样的项目效果和比赛结果，我们还是很满意的。”最令团队成员胡泽华同学感到自豪的是，他们的软件技术分全场最高，因此获得了现代设计方法应用优秀奖。“在华东区区赛中，我们软件分被扣掉了0.4分，意识到是反应动力学部分出了问题，想着一定要在国赛之前改正过来。”胡泽华介绍说，反应动力学是整个项目流程模拟的基础，改变反应动力学意味着第一步设计模拟重做后，后面的流程全部要做相应的修改。
从8月6日区赛第二轮答辩结束到8月15日提交国赛作品，Grail团队成员团结合作，进行数据拟合、流程模拟、文档汇编、图纸绘制、设备设计与选型等，在8月15日晚上10点提交了国赛作品。“在这场与时间的赛跑中，我们对知识的融会贯通能力、对工程实践的领悟能力、耐挫能力和团队协作能力都得到了提升，这对我们今后进入工程实践中有很大的帮助。”团队成员韩欣说。
据悉，今年共有401所高校2767支队伍参赛，参赛学生人数达1.4万名，规模达历史之最。经过各地区省(市)赛和7大赛区层层选拔，最终60支队伍参加全国总决赛，共评出特等奖12个、一等奖48个。
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