化工厂虚实结合实践装置

化工厂虚实结合实践装置可进行生物柴油及1,3-丙二醇的生产，主要装置为a.酯交换生物柴油反应单元（釜式反应与反应精馏），b.生物柴油精制分离（精馏与多效蒸发）、c.甘油氢解反应单元（固定床与流化床）、d.1,3-丙二醇精制单元（多效精馏与真空精馏）、e.氢气制备单元（电解与压缩单元）、f.三废处理单元（生化处理与膜过程）。

a. 酯交换生物柴油反应单元

原料油和甲醇/酸催化剂在釜式反应器（或微通道反应器）进行反应水解和酯化，生成粗产物，产物包括粗甘油、粗生物柴油及甲醇、水；粗产物进行反应。粗产物在固体碱催化剂上进一步与甲醇进行深度酯交换反应，该反应在反应精馏塔中进行，最终油酯的转化率达以97%以上。

微型装置为一撬装置，由搅拌反应釜、微通道反应器、反应精馏塔及附属泵、预热器、冷凝器及中间储罐构成，尺寸为2（长）×1（宽）×2.2（高）m。

b. 生物柴油精制分离单元

甘油与甲酯、未反应的甲醇经双相分层后进行粗馏塔回收甲醇，甲醇可循环到反应单元；粗甘油进行多效蒸发工段将甘油进行提浓到70%以上。粗甲酯经萃取水洗塔、真空脱水塔得到生物柴油。

微型装置为一撬装置，由双相分离器、精馏塔、真空塔、多效蒸发器、萃取塔及附属泵、预热器、冷凝器及中间储罐构成，尺寸为2（长）×1（宽）×2.6（高）m。

c. 甘油氢解反应单元

新鲜甘油、水、新鲜氢气和循环甘油、循环水、循环氢气混合后进入氢解固定床反应器（或浆态床反应器）生成1,3-PDO，副产物为1,2-PDO、1-PrOH、2-PrOH。

微型装置为一撬装置，由高压双催化剂固定床、单塔浆态床及附属泵、预热器、冷凝器及中间储罐构成，尺寸为1.8（长）×1（宽）×2.2（高）m。

d. 1,3-丙二醇精制单元

氢解反应后的粗产品进入产品预分离塔，分为粗丙二醇和粗丙醇，粗丙二醇进入脱水热泵塔，分出的水进行循环，脱水粗丙二醇进入隔壁塔，精制1,3-PDO；剩余粗1,2-PDO、1,2-PDO精制塔得到精制1,2-PDO。同时粗丙醇进入萃取精馏塔进行萃取精馏，精制1-PrOH产物。

微型装置为一撬装置，由热泵塔、隔壁塔、真空精馏塔、精制塔共5个塔构成及附属泵、预热器、冷凝器及中间储罐构成，尺寸为2.8（长）×1（宽）×2.6（高）m。

e. 氢气制备单元

水电解制氢是由浸没在电解液中的一对电极中间隔以防止气体渗透的隔膜而构成的水电解池，当通以一定的直流电时，水就发生分解，在阴极析出氢气，阳极析出氧气。产生的氢气进入干燥部分，由干燥剂吸附氢气携带的水分，并可进行压缩达到使用压力。

微型氢气制备单元装置采用最新PEM水电解制氢，系统包括下列单体设备：PEM水电解槽及分离器、冷却器、原料水制备装置；碱液制备及贮存装置；氢气纯化装置；氢气储罐；氢气压缩机等。尺寸为1.0（长）×0.8（宽）×1.6（高）m。

f. 三废处理单元

三废处理单元主要是处理精馏过程中的废水，将废水的COD处理到排放的标准，采用的微电解和芬顿法。水集进入到酸碱中和池，通过加液碱中和ＰH值到之间后由提升泵提升送到微电解池,微电解池内填装Fe-C填料并通入空气。水停留一段时间后自流进入芬顿塔通过投加芬顿试剂，经过氧化后的水自流进入氧化池。氧化池配套臭氧机，通过臭氧机投入氧化池内强氧化剂去除病原体。出水经过柱状活性炭过滤吸附水的固体悬浮物和部分有机物，出水可以达到排放目的。一部分水可进膜处理系统达到回用到前面反应系统。中水经过陶瓷膜作为反渗透的预处理，陶瓷膜去除了水中的悬浮物，细菌等杂质，陶瓷膜清液经泵进入反渗透系统，反渗透产品水经收集回用。

微型装置三废处理单元主要包括调节池、电解池、氧化塔、臭氧发生器、中间水槽、超滤纳滤膜过滤、反渗透膜组件等，及相关输入泵。

2.1.2装置优势

（1）装置微型化、模块化程度高，组合方便

基于釜式反应与反应精馏、精馏与多效蒸发、固定床与流化床、多效精馏与真空精馏、电解与压缩单元及生化处理与膜过程，建设化工单元实验装置。将化工单元进行微型化处理，使装置移动方便，有利于老师在多种环境下（如实验室、课堂、大赛等）进行相关化工实验的讲解及操作演示。化工单元模块标准化程度高，可直接进行化工产品的生产，同时也兼顾单工艺的使用与组合运行，操作简单，组合方便。该装置将化工原理等相关专业知识与实验中相结合，有利于培养学生的动手、实践能力。

（2）涉及工艺类型多，流程级的综合能力培养

该装置包含釜式反应与反应精馏、精馏与多效蒸发、固定床与流化床、多效精馏与真空精馏、电解与压缩及生化处理与膜过程等工艺，类型多样且均为化工原理等相关专业学习中普遍的、重要的工艺。装置以最新的BIOX生物柴油生产工艺为基础，生产生物柴油和甘油，采用大化所的甘油氢解固定床工艺生产1,3-丙二醇。流程完善且反应的安全系数高，学生可进行认知、实践操作学习，有利于培养学生对反应、工艺、实验操作等的综合能力。

（3）支持科研成果的实体化、教学化转换

装置中包含的多种工艺既可单独使用，也可以组合运行，因此，相关的创新想法、科研成果等内容均可以通过该装置进行验证、校核，将科研成果实体化，有利于培养学生的创新思维和发现问题、解决问题的能力。同时，可将验证后的科研成果应用于教学，有利于拓展学生学习的宽度和深度，培养学生的思辨能力并提升学生的专业文化素养。

2.2三维可视化综合管控系统模块

2.2.1数据可视化

系统在三维仿真模型和DCS的基础上对微型化工厂的运行生产数据进行实时展示，并通过工艺图、数据图等形式展示生产过程及过程中的数据变化，通过清晰、准确、简洁的数据展示和数据图，为用户提供的信息服务，帮助其掌握化工厂的运行状况。此外，数据可视化还有利于解决化工厂运营管理过程中数据碎片化、数据异构化的可视问题。