新能源在化工生产中的应用（二等奖）
新能源在化工生产中的应用刘 易 李 敏 张 桐&摘& 要近几年来，随着环境问题越来越引起人们的关注以及能源问题的进一步加深。绿色、环保、节能等词频频出现。但仅仅的了解与认识是不能解决这些问题的。通过近几年的的研究可以看出，解决这类问题可以归结为以下两种方法，一是通过改进和优化现有的生产工艺，提高对现有的常规能源的利用率以及减少其对环境造成的负面影响。二是对技术的彻底革新，将完全绿色的生产理念融入其中，充分利用那些绿色而且可再生的能源。对比这两种方法，前一种起到的只是暂时的缓解作用，而后者基本上是解决了环境和能源问题。此课题研究正是基于上文所提到的第二种解决方法，将新能源直接引入到实际的化工生产过程中去。这里所指的新能源主要是太阳能。总的来说，化工生产过程中有将近７０％为分离工程，而将混合物分离是一个熵减的过程，其中必然要消耗大量的能量。而此研究的目的就是让这些所需能量是由那些新能源转化而来。此研究的主要可分为装置设计，计算机模拟以及工艺流程的设计三个阶段。最后形成能直接利用太阳能完成精馏的设计方案。&关键词：太阳能；精馏仿真；过程优化
1. 研究背景&1.1 人类利用能源的发展与变化人类社会的发展离不开科学技术的发展，而随着科学技术的发展，人类生产生活的范围的扩大，简单是人力、畜力已经无法满足人们的需求。于是，人类开始寻找能够扩展人力的方式，从锄、犁等农耕时代的简单工具到磨坊和风车，此时人类已经开始利用大自然的力量来满足自己的需求。盐，作为一种非常重要的生活必需品，其生产过程可以说是最古老的化工过程也是最早利用太阳能的化工生产过程。但是由于太阳能有能量密度小、能量提供不稳定等总总缺陷，在相当长的时间能没有引起人们的注意。特别是发端与英国的工业革命是的人类对于能源的需求呈现爆炸式的增长，于是人们把目光投向了埋藏在土地之下的煤，从简单的燃烧到对煤的干馏等分离技术的实现，大大提高了煤炭的利用率。但由于煤是一种固体燃料加之起本身结构上的不足，导致其在19世纪下半叶逐渐被另一种化石燃料石油所替代。由于石油的主要成分为以碳氢两种元素所构成的烃类有机物，其物理性质表现为褐色粘稠状的液体，相对与块状的煤来说更易燃烧。在当今世界石油仍然是一种非常重要的资源，并被许多国家列为战略资源。其用途非常广泛，不但可以通过对其精馏而得到汽油、柴油等燃料，通过裂解等化工过程可以得到丰富的化工产品。但是，尽管石油有总总的优点，但由于其在地球上储量的有限性，以及其与其他化石燃料一样，在使用，特别是燃烧后产生的大量有害物质，不得不让人类从新审视这种已被人类广泛使用多年的化石能源。于是人类把目光从新投向了太阳能，这种既古老又新型的能源。但如何对此在技术层面上取得重大的突破成了关键问题。&1.2能源现状我国的能源结构发生了变化，过去由于欧美等西方发达国家的经济技术封锁，主要以人力煤炭资源作为能源的供应，在进入21世纪之后，石油资源在能源利用的比例中逐渐增长。但是，我国石油资源储量有限，就2008年的数据看来，有50%是依赖进口的，这严重制约了我国经济的发展。在化工领域也发生了同样的变化，化工产品与我们的生活息息相关，若使得此行业大部分依赖进口的话，将威胁国家的安全，所以有必要开发新能源。&1.3 新能源利用情况未来的新能源主要包括水利能、风能、太阳能、地热能、生物能等。但是水利能和地热能现在利用已经接近饱和状态，风能受天气和地区影响很大，生物能的开发需要更多的技术支持。由此看来，发展太阳能具有很好的前景，而且我国太阳能资源丰富，陆地每年接受的太阳能辐射能相当于2.4万亿吨标准煤2/3的国土面积的太阳能年辐射量超过6000MJ/m2 ,西藏西北最高地8400MJ/m2 ,也是世界上太阳能资源最丰富的地区之一。&
&&& 由于化工行业为高耗能高污染的行业，该行业的高速发展虽然给经济等带来了一时的繁荣，但是其带来的环境污染问题和能源短缺问题是极为严重的。我们现在提出了资源节约型环境友好型社会，可持续发展战略已经上升到了一个战略高度，我们发展经济不能牺牲环境和危害子孙后代为代价，由此针对化工行业，我们应该降低其能源的消耗水平，减少其对环境的污染。鉴于我国的国情，在把太阳能技术应用到化工行业是迟早的事情。在国外，将绿色化工应用与实际生产已经有成功案例，但是应用只是限于工业生产外的其他方面，并没有在生产的源头大幅度的利用太阳能。我们在这里，应用学过的知识，以乙醇的提纯为例建立出完全应用太阳能生产化工产品的工厂，并让它盈利，实现太阳能的利用价值。&
研究过程&3.1化工过程开发的工作程序技术经济资料的收集、发澡题的选择、初步评价、开发研究、中间评价、撅念设计、中间试验、量终评价、基础设计以及工程设计。&具体流程见下图（图3.1.1）：&图3.1.1&3.2 本课题的研究过程简述本课题的研究参考了化工过程开发的工作程序，但是由于实际条件有限，基于现有条件，我们研究小组将以上流程简化为：探究性科学实验、理论计算、工程设计以及计算计算机仿真。&4设计方案&4.1总体流程方案在这一部分所要完成的是模型装置的设计以及相关参数的查找测定以及计算。以下为该装置的简以示意图（图4.1.1）：&图4.1.1&4.2实验性方案设计考虑到太阳能虽然总量很大但是其能量密度较低，所以直接将其利用很难达到整个过程各部分所需的温度。所以为了达到此目的需要通过中间介质将能量富集后再加以利用。在这里介质有两种选择一种为合成油，第二种为喹啉。&4.3显热型传热实验性设计方案选用合成油主要利用显热用于分离馏分较多且各组分沸点较高的物质。主要设计思路如下：首先用表面经过抛光处理的镜面钢片制成抛物面（图3）状的钢板并用普通钢架将其支撑，将一种表面光洁，既能透过太阳辐射，但又绝热的管材（类似于太阳能热水器集热板上的管材）架与抛物面的焦点线上并支撑。然后将经过太阳能加热的合成油上升到一定温度时将其通过铜管与蒸馏装置中管状加热设备相连接，直接利用管内的高温合成油直接给蒸馏装置中的混合液体加热，达到蒸馏的目的。最后通过将蒸出的蒸汽进行冷凝，然后储存，最后对蒸馏后所收集的产物进行纯度鉴定。图4.3.1&在以上的整个过程中合成油在由太阳能转换装置和蒸馏装置加热部分以及连接其中的管路中循环，为了保证其循环，可以利用光伏发电装置驱动电动机连接循环泵保证合成油在整个过程中是循环流动的。有整个装置中有三个地方的温度是要利用温度传感器进行实时的监控。第一处，在太阳能加热时在太阳能转化装置中合成油的温度，第二处，在蒸馏装置加热部分的合成油的温度。前两处对温度进行的监控是为了保证为需蒸馏的混合液体提供合适并且稳定的加热温度。对在太阳能加热时在太阳能转化装置中合成油的温度的控制可以通过对抛物面状的钢板部分面积的遮蔽与否来实现。第三处，蒸馏装置中蒸汽的温度。为了达到实验的目的如果与阴天雨天等不开太阳的天气，可用强光灯模拟太阳光照射。&4.4潜热型传热实验性设计方案选用喹啉主要利用潜热用于分离馏馏分较少的物质（一般只有两种，例如乙醇与水的混合物）。主要设计思路如下：首先用表面经过抛光处理的镜面钢片制成抛物形状（图4）的钢板并用普通钢架将其支撑，将一种表面光洁，既能透过太阳辐射，但又绝热的球形容器架与抛物形状的焦点上并支撑。然后将经过太阳能加热喹啉上升到一定温度后并气化为蒸汽，将其通过铜管与蒸馏装置中管状加热设备相连接，直接利用管内的喹啉蒸汽直接给蒸馏装置中的混合液体加热，达到蒸馏的目的。最后通过将蒸出的蒸汽进行冷凝，然后储存，最后对蒸馏后所收集的产物进行纯度鉴定。图4.4.1&在以上的整个过程中喹啉蒸汽在由太阳能转换装置和蒸馏装置加热部分以及连接其中的管路中循环，为了保证其循环，可以通过调节太阳能转化装置和蒸馏装置的高度来实现。有整个装置中有三个地方的温度是要利用温度传感器进行实时的监控。第一处，在太阳能加热时在太阳能转化装置中喹啉蒸汽的温度，第二处，在蒸馏装置加热部分的喹啉蒸汽的温度。前两处对温度进行的监控是为了保证为需蒸馏的混合液体提供合适并且稳定的加热温度。对在太阳能加热时在太阳能转化装置中合成油的温度的控制可以通过对抛物面状的钢板部分面积的遮蔽与否来实现。第三处，蒸馏装置中蒸汽的温度。&5实验性设计方案应在化工过程中的应用为了论证以上的实验型设计方案的可行性，在这里将此太阳能集热、传热装置（显热型）应用与工厂中对于粗甲醇的精制过程，并设计了与之相关的工艺流程图。&6相关实验的设计探索不同浓度、不同量工业乙醇蒸馏提纯过程中将乙醇完全分离所需最短时间&6.1实验目的6.1.1测定原料量一定、供热功率一定不同浓度乙醇被完全分离所需的所需的时间;6.1.2测定原料浓度一定，供热功率一定不同量乙醇被完全分离所需的所需的时间;6.1.3将以上所得数据绘制成图形并拟合成相应的函数关系。（供热量=功率*时间）&6.2实验装置容量瓶，移液管，洗耳球，可控温度加热装置（温度传感器或温度计）、蒸馏装置、计算机&6.3实验所需试剂已知浓度的乙醇、市场上不同的工业酒精原料&6.4实验具体过程6.4.1配制一些列不同纯度的乙醇溶液（表6.4.1）：
乙醇溶液浓度
表6.4.1&6.4.2搭建静态法测定饱和蒸汽压的装置6.4.3把不同纯度的乙醇溶液加入上述装置，开始加热，当溶液温度到达40摄氏度是开始计时，记录电热套的有效功率，同时测量蒸汽的折射率，由此得出溶液的浓度。6.4.4归纳总结数据&6.5实验情况简述经过全体组员的共同努力，最终由于总总实际情况条件的限制而没有条件完成实验。介于此状况，为了弥补没有条件完成实验对研究造成的影响，经过对对总体研究进度的评估后，我小组决定用计算机仿真直接模拟该化工过程中试试验。&7.计算机仿真过程通过对粗甲醇在精馏塔中分离这以单元操作的的仿真，以求解得到纯度为99.2%甲醇所需的各已知条件。经过查阅文献和试验性比对最终选择Aspen Plus11.1作为仿真所使用的软件&7.1仿真流程：如图（图7.1.1）&&图7.1.1&&&7.2仿真具体过程&进料组成为水X（质量分数），甲醇Y。流率为120000lb/hr，压力为18psi（1psi=6894.76pa）饱和液体进料（进料的汽相分率为0）精馏塔有38块塔板，进料在第23块板上。塔顶压力为16.1psi，每板的压力降为0.1psi，塔顶为全凝器，蒸出流率为39885lb/hr，回流比为1.3。首先，考察当进料的原料中甲醇含量的变化对产物的影响。原料中甲醇的含量（Y）取值为（表7.2.1）
乙醇溶液浓度
表7.2.11% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95% 99%&7.3仿真结果与数据分析&通过仿真得出以下数据（表7.3.1）：&所有数据均为百分含量&表7.3.1
进料甲醇浓度
进料甲醇浓度
进料甲醇浓度
进料甲醇浓度
&将以上数据绘制成图（图7.3.1）（图7.3.2）&图7.3.1&&图7.3.2&结合仿真数据和所绘制的图，分析得出：FEED股流中甲醇含量与TOP股流成分的关系，在FEED股流中甲醇含量低于30%时，水的含量逐渐下降，甲醇的含量逐渐继续上升，而且与在FEED股流中甲醇含量成线性关系；在FEED股流中甲醇含量在30%至35%，BOTTOM股流中水的含量逐渐下降，甲醇的含量逐渐上升；在FEED股流中甲醇含量在大于35%，TOP股流中几乎都为甲醇。FEED股流中甲醇含量与BOTTOM股流成分的关系，在FEED股流中甲醇含量低于30%时，BOTTOM股流中几乎都为水；在FEED股流中甲醇含量在30%至35%，水的含量逐渐下降，甲醇的含量逐渐上升；在FEED股流中甲醇含量在大于35%，水的含量继续下降，甲醇的含量继续上升，但都与在FEED股流中甲醇含量成线性关系。由以上分析可以看出在FEED股流中甲醇含量在30%至35%之间的关系需继续研究，因此取FEED股流中甲醇含量为30%、31%、32%、33%、34%、35%继续仿真，得以下数据(表7.3.2)：&所有数据均为百分含量表7.3.2
进料甲醇浓度
&在这里，只关注TOP股流中甲醇含量，因此，只绘出FEED股流中甲醇含量与TOP股流中甲醇含量的关系，绘制的图形如下(图7.3.3)：&&图7.3.3&将其中的点用光滑的曲线连接的下图（图7.3.4）：&图7.3.4通过对以上数据的拟合得出以下函数关系（图7.3.5）：&图7.3.5&Model: DoseRespEquation: y = A1 + (A2-A1)/(1 + 10^((LOG(x0)-x)*p))Weighting:y&& No weighting&Chi^2/DoF&& R^2----------------------------------------0.03----------------------------------------&Parameter&& Value&& Error----------------------------------------A1& &&&&&&& 0.69A2& &&&&&& 1.013LOGx0&& && 0.343p&& &&&&& 55.079----------------------------------------&图7.3.6&&&Model: SWeibull2Equation: y = a - (a-b)*exp( -(k*x)^d )Weighting:y&& No weighting&Chi^2/DoF&& R^2----------------------------------------6.1425E-6&& 0.99849----------------------------------------Parameter&& Value&& Error----------------------------------------a&& &&&&& 1.00042&& 0.00194b&& &&&&&& 0.8692&& 0.01543d&& &&&& 22.82077&& 4.05192
k&& &&&&& 3.16221&& 0.01939&对比以上两种拟合结果，主要比较R^2，y = a - (a-b)*exp( -(k*x)^d )拟合结果更加符合数据的关系，代入计算机求解的数值得:&a&& 1.00042b&& 0.8692d&& 22.82077
k&& 3.16221&&对上式求一阶导数得：&&图7.3.7&分析上图可看出从0.34开始原函数斜率趋于平稳。&在这里还考虑了FEED股流进料位置（进料塔板位置）对TOP股流中甲醇含量的影响，即FEED股流中甲醇含量、进料位置与TOP股流中甲醇含量的关系：数据如下：&&表7.3.3
&&绘制图形（图7.3.8）（图7.3.9）：&图7.3.8&&&图7.3.9&分析上述图表（图7.3.9），可以发现在塔板数为22时，产品纯度就已经达到最大值，鉴于经济的原因，踏板数的最佳取值为22 。产品达到的纯度越高，所需要的人力和物力资源也越多，不利于经济，而且对原料的要求也越高，所以产品达到的纯度可以设定为99.9%，这时浓度既达到很大，而且对原料的要求也不是很高。对原料进行适当的处理，可以减少后续的时间和工作强度，在多种原料纯度的比较下，可以发现在34%时，达到了最好的效果。因此，得出结论，处理原料使浓度在34%，采用塔板数为22的蒸馏塔，产品纯度可以达到99.9%。在此条件下的仿真结果：&表7.3.4&8集热模块与工艺流程的整合8.1工艺流程简介假设该精馏过程所需的能量，全部来自太阳能，具体过程如下(7.3.10)：&&该过程中能量转化主要在：吸收的太阳能转化为可传导的能量，能量在管道和储油罐中与外界的能量交换，最终的能量利用。最终的精馏过程，假设所需的能量为Q0；从管道中传输过来的能量为Q3，太阳能转化成的能量为Q2；吸收的太阳能为Q1；m为每秒进料的甲醇的质量(kg)。&&(a为精馏过程中的换热器换热效率)（b为传输过程中的传递效率）&（c为太阳能吸收装置的效率）&参考相关文献，假设c=5%，b=75%，a=20%甲醇液体热容计算公式：（适用于175.47~400K）代入T=360.00K 得c0=96,923.84J/kmol=3,028.87J/kg&物质水溶液的比热容计算公式：&&水的比热容为75,600.00 J/kmol=4,200.00J/kg&假设原料稀甲醇在未加热前为300K则 =360.00K&300K=60K由仿真数据得m=15.12kg&&&==由北京市大工业电价为0.55元/度将 折算成每秒用电量为0.9580度，即0.5269元假设该装置每年运行300天，每天运行10个小时，每年用去的电费为569-09万元因此，结合各方面因素盖设计具有可行性，并且，在经济方面节省很大开消。通过以上分析结果结合设计方案最后得出整个工艺流程（见附录图纸）。&9存在的问题和难题9.1 分散性在我们的现实生活中，到达地球表面的太阳辐射的总量很大，但是其却很低。就平均情况而言，在附近，夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光的方向上1平方米面积上接收到的太阳能平均有1000W左右；但是按全年日夜平均，则只有200W左右。而在冬季大致只有夏季的一半，阴天更差，只有1/5左右。这样的能流密度是很低的。因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。&9.2 不稳定性由于受到、、和高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的，就必须很好地解决蓄能问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来，以供夜间或阴雨天使用，但目前蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。9.3 低和成本高目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的...
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病情分析： 你好这个检查结果是说明为阳性！不知肝功能的情况如何呢。
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