文章内容

1,4-丁二醇是一种重要的有机化工和精细化工原料，1,4-丁二醇及其衍生物可广泛应用于可降解塑料（PBAT）、氨纶、聚氨酯、制药、化妆品等领域，如何对生产 1,4-丁二醇的分厂进行环保、减碳，科学合理的设计是一个具有挑战性的问题。近日，我校化工学院“齐心亦可振寰宇”团队设计的金陵石化年产9.5 万吨 1,4-丁二醇项目生产流程，围绕“碳达峰、碳中和”开展工艺设计，使用反应-精馏和精馏-膜耦合工艺，并创新性地采用正丁醇作为酯化剂，达到节能减排的效果，使单位产品能耗下降 33.3%，总体效益提升 39.4%，得到评委的一致认可。 团队在“天正设计杯” 第十六届全国大学生化工设计竞赛全国总决赛中获得特等奖的好成绩，这也是我校自 2012年参加全国大学生化工设计竞赛以来，连续 11 年获得全国总决赛特等奖。

1,4﹣丁二醇是很多可降解塑料的原料，它的应用受到广泛关注。 1,4﹣丁二醇是以正丁烷为原料经氧化反应生成顺酐， 再与正丁醇进行酯化反应生成顺丁烯二酸二丁酯， 通过与氢气发生加氢反应得到主产物 1,4-丁二醇，还可副产正丁醇、四氢呋喃、伽马丁内酯和水。

在本次设计中， 团队使用精馏-膜耦合的醇水分离工艺，将塔顶产物正丁醇、四氢呋喃、水进行分离， 并创新性地使用正丁醇替代甲醇作为酯化反应原料，使酯化反应的安全性得到提升，并且使得反应能耗有所降低。“将分离出的正丁醇再次返回酯化工段作为酯化剂使用， 可以让甲醇塔设备数目下降50%， 单位产品消耗标煤下降 33%。 经过经济核算后，正丁醇相较于甲醇方案投资利润率高 7.14%、投资利税率高 7.83%， 同时实现了工厂内部资源的回收利用，安全性也有所提高。 ”团队成员左宇豪介绍道。

此外，在设计酯化工段时，团队借鉴“背包式”反应精馏的方法， 使用反应-精馏耦合工艺使得顺酐转化率提高 14.9%， 打破了酯化平衡转化率较低的限制，提高了顺酐的利用率。 在精馏塔的设计中，团队使用的热泵精馏技术相较普通精馏使单位产品消耗标煤下降了 92.71%；针对一段加氢反应出现的汽液两相进料问题，团队采用喷嘴式气液分布器，实现雾化液滴理论覆盖率达到 72%，壁流效应显著减弱，受到评委的好评。

在工艺设计模拟中， 团队使用 ACM 模块将膜模块直接接入全流程中， 使用多积分单元模拟的方法，更加贴合工艺实际。 “我们设计好的工艺都要通过电脑去模拟，才能知道设计效果的好坏。我们使用的模拟软件是 Aspen Plus，它是一个生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统， 但是它只能对化学工程里最常见的模块进行模拟， 比如精馏塔、反应器等，像膜这种比较先进的模块软件里面是没有的。 ”团队成员罗子淇表示，他们通过 AspenPlus 软件将工艺流股数据导入到 AEA 软件中，对流股的焓值变化以及始末温度进行分析， 通过热泵精馏等节能技术改造，构建换热网络方案。由系统推荐方案后选取最佳方案进行优化， 形成最后的全流程换热网络，并将其应用到流程中。 同时，团队还利用算法对精馏系统进行了整体优化。 “在 1,4-丁二醇精制工段采用遗传算法实现系统联合优化， 四塔总费用下降 7.34%，二氧化碳排放量下降 5.18%。 ”

“齐心亦可振寰宇”团队五人分工明确，有的负责文档编写和经济预算，有的负责进行流程模拟，有的负责设备和三维设计等方面的工作， 虽然每个人任务不一样、进度不一样，但大家分工不分家，秉持团队合作一盘棋的作风，在协同合作的前提下，进度快的同学会帮助其他人共同完成任务。 然而在确定工艺方案的过程中，分歧的出现不可避免，队员之间的理解与包容便是团队最好的润滑剂。“我和左宇豪有时会有意见上的不统一， 但我反而觉得这是一件好事，这些讨论甚至争吵让我们更加积极地思考，解决了许多问题。 ”团队成员李逸凡笑着说道。

“操千曲而后晓声,观千剑而后识器。 ”团队成员吴心蕾表示， 只是学习书本中的知识不足以支撑化学工艺与工程的设计实践， 在将近六个月的打磨中，团队接触到了很多工程中的实际问题。 “在参加比赛的过程中， 我们需要把很多书本中的知识点综合起来考虑， 我们还要在大大小小上百个设备中进行选型和验证，选出符合实际的设备，这非常考验我们的综合能力。 ” 团队成员赵振艺说。

功夫不负有心人，“齐心亦可振寰宇” 团队在本次竞赛中除了斩获特等奖外，还获“设计文档质量优秀奖”和“现代设计方法应用优秀奖”各 1 项。 据悉，本届竞赛自 3 月启动以来， 全国共有 415 所高校的2939 支队伍报名参加，参赛人数近 1.5 万人。经过西北、西南、华北、华南、华东、华中和东北等七个赛区激烈角逐，最终 60 支队伍进入全国总决赛。 本届全国总决赛经过专项评审与两轮线上展示和答辩，共评出特等奖 12 个，一等奖 48 个，设计文档质量优秀奖、 工程图纸绘制优秀奖和现代设计方法应用优秀奖各 3 个。

张芷曦 曹璇