化工廠虛實結合實踐裝置

化工廠虛實結合實踐裝置可進行生物柴油及1,3-丙二醇的生產，主要裝置為a.酯交換生物柴油反應單元（釜式反應與反應精餾），b.生物柴油精制分離（精餾與多效蒸發）、c.甘油氫解反應單元（固定床與流化床）、d.1,3-丙二醇精制單元（多效精餾與真空精餾）、e.氫氣制備單元（電解與壓縮單元）、f.三廢處理單元（生化處理與膜過程）。

a. 酯交換生物柴油反應單元

原料油和甲醇/酸催化劑在釜式反應器（或微通道反應器）進行反應水解和酯化，生成粗產物，產物包括粗甘油、粗生物柴油及甲醇、水；粗產物進行反應。粗產物在固體堿催化劑上進一步與甲醇進行深度酯交換反應，該反應在反應精餾塔中進行，最終油酯的轉化率達以97%以上。

微型裝置為一撬裝置，由攪拌反應釜、微通道反應器、反應精餾塔及附屬泵、預熱器、冷凝器及中間儲罐構成，尺寸為2（長）×1（寬）×2.2（高）m。

b. 生物柴油精制分離單元

甘油與甲酯、未反應的甲醇經雙相分層后進行粗餾塔回收甲醇，甲醇可循環到反應單元；粗甘油進行多效蒸發工段將甘油進行提濃到70%以上。粗甲酯經萃取水洗塔、真空脫水塔得到生物柴油。

微型裝置為一撬裝置，由雙相分離器、精餾塔、真空塔、多效蒸發器、萃取塔及附屬泵、預熱器、冷凝器及中間儲罐構成，尺寸為2（長）×1（寬）×2.6（高）m。

c. 甘油氫解反應單元

新鮮甘油、水、新鮮氫氣和循環甘油、循環水、循環氫氣混合后進入氫解固定床反應器（或漿態床反應器）生成1,3-PDO，副產物為1,2-PDO、1-PrOH、2-PrOH。

微型裝置為一撬裝置，由高壓雙催化劑固定床、單塔漿態床及附屬泵、預熱器、冷凝器及中間儲罐構成，尺寸為1.8（長）×1（寬）×2.2（高）m。

d. 1,3-丙二醇精制單元

氫解反應后的粗產品進入產品預分離塔，分為粗丙二醇和粗丙醇，粗丙二醇進入脫水熱泵塔，分出的水進行循環，脫水粗丙二醇進入隔壁塔，精制1,3-PDO；剩余粗1,2-PDO、1,2-PDO精制塔得到精制1,2-PDO。同時粗丙醇進入萃取精餾塔進行萃取精餾，精制1-PrOH產物。

微型裝置為一撬裝置，由熱泵塔、隔壁塔、真空精餾塔、精制塔共5個塔構成及附屬泵、預熱器、冷凝器及中間儲罐構成，尺寸為2.8（長）×1（寬）×2.6（高）m。

e. 氫氣制備單元

水電解制氫是由浸沒在電解液中的一對電極中間隔以防止氣體滲透的隔膜而構成的水電解池，當通以一定的直流電時，水就發生分解，在陰極析出氫氣，陽極析出氧氣。產生的氫氣進入干燥部分，由干燥劑吸附氫氣攜帶的水分，并可進行壓縮達到使用壓力。

微型氫氣制備單元裝置采用最新PEM水電解制氫，系統包括下列單體設備：PEM水電解槽及分離器、冷卻器、原料水制備裝置；堿液制備及貯存裝置；氫氣純化裝置；氫氣儲罐；氫氣壓縮機等。尺寸為1.0（長）×0.8（寬）×1.6（高）m。

f. 三廢處理單元

三廢處理單元主要是處理精餾過程中的廢水，將廢水的COD處理到排放的標準，采用的微電解和芬頓法。水集進入到酸堿中和池，通過加液堿中和ＰH值到之間后由提升泵提升送到微電解池,微電解池內填裝Fe-C填料并通入空氣。水停留一段時間后自流進入芬頓塔通過投加芬頓試劑，經過氧化后的水自流進入氧化池。氧化池配套臭氧機，通過臭氧機投入氧化池內強氧化劑去除病原體。出水經過柱狀活性炭過濾吸附水的固體懸浮物和部分有機物，出水可以達到排放目的。一部分水可進膜處理系統達到回用到前面反應系統。中水經過陶瓷膜作為反滲透的預處理，陶瓷膜去除了水中的懸浮物，細菌等雜質，陶瓷膜清液經泵進入反滲透系統，反滲透產品水經收集回用。

微型裝置三廢處理單元主要包括調節池、電解池、氧化塔、臭氧發生器、中間水槽、超濾納濾膜過濾、反滲透膜組件等，及相關輸入泵。

2.1.2裝置優勢

（1）裝置微型化、模塊化程度高，組合方便

基于釜式反應與反應精餾、精餾與多效蒸發、固定床與流化床、多效精餾與真空精餾、電解與壓縮單元及生化處理與膜過程，建設化工單元實驗裝置。將化工單元進行微型化處理，使裝置移動方便，有利于老師在多種環境下（如實驗室、課堂、大賽等）進行相關化工實驗的講解及操作演示。化工單元模塊標準化程度高，可直接進行化工產品的生產，同時也兼顧單工藝的使用與組合運行，操作簡單，組合方便。該裝置將化工原理等相關專業知識與實驗中相結合，有利于培養學生的動手、實踐能力。

（2）涉及工藝類型多，流程級的綜合能力培養

該裝置包含釜式反應與反應精餾、精餾與多效蒸發、固定床與流化床、多效精餾與真空精餾、電解與壓縮及生化處理與膜過程等工藝，類型多樣且均為化工原理等相關專業學習中普遍的、重要的工藝。裝置以最新的BIOX生物柴油生產工藝為基礎，生產生物柴油和甘油，采用大化所的甘油氫解固定床工藝生產1,3-丙二醇。流程完善且反應的安全系數高，學生可進行認知、實踐操作學習，有利于培養學生對反應、工藝、實驗操作等的綜合能力。

（3）支持科研成果的實體化、教學化轉換

裝置中包含的多種工藝既可單獨使用，也可以組合運行，因此，相關的創新想法、科研成果等內容均可以通過該裝置進行驗證、校核，將科研成果實體化，有利于培養學生的創新思維和發現問題、解決問題的能力。同時，可將驗證后的科研成果應用于教學，有利于拓展學生學習的寬度和深度，培養學生的思辨能力并提升學生的專業文化素養。

2.2三維可視化綜合管控系統模塊

2.2.1數據可視化

系統在三維仿真模型和DCS的基礎上對微型化工廠的運行生產數據進行實時展示，并通過工藝圖、數據圖等形式展示生產過程及過程中的數據變化，通過清晰、準確、簡潔的數據展示和數據圖，為用戶提供的信息服務，幫助其掌握化工廠的運行狀況。此外，數據可視化還有利于解決化工廠運營管理過程中數據碎片化、數據異構化的可視問題。