7-研究院-计算化学与化工项目组(初)21771.pdf

上海华谊（集团）公司第六届科技大会交流资料 127 从优秀到卓越 上海华谊集团技术研究院计算化学与化工项目组 上海华谊集团技术研究院计算化学与化工项目组是一支由研究院不同部门的青年科技骨干组成的研发团队，是一支充满激情的、卓越的年轻技术团队，他们用自己的智慧和才干成就了一个又一个出色的业绩。在集团领导及研究院领导的大力支持和帮助下，项目组的人才队伍不断壮大，结构不断完善。项目组通过计算化学与化工平台的建设，为集团和研究院实现大规模模拟计算提供了坚实的软硬件基础，减少了实验所耗费的人力和物力。近年来，项目组在技术创新方面取得了显著的成绩。在醋酸酯加氢和一品颜料项目的研发过程中，以及醋酸酯加氢制乙醇、甲苯甲醇择形烷基化制对二甲苯、甲醛与异丁醛缩合加氢制新戊二醇、醋酸加氢制乙醇、醋酸仲丁酯加氢制仲丁醇联产乙醇等多个项目的技术经济分析中，项目组均发挥了重要作用。一、项目组成员及主要工作内容 项目组现有成员 8 人，其中博士 3 人，硕士 5 人，主要致力于计算化学及反应动力学、反应器模拟、全流程模拟及系统集成、CFD 模拟、技术经济分析等方向的研究。项目组现有高性能工作站 1 台，并具有 15 个计算节点的高性能计算集群，在工作站和计算集群上配有 Aspen、Matlab、Fluent、Tecplot 等计算化学与化工常用模拟和计算软件。项目组完成的主要工作内容包括：1、计算化学方向：从分子水平加深对反应机理的认知，指导反应动力学研究、工艺优化和催化剂的设计开发等；2、过程模拟方向：实现工艺参数优化和方案优化比较，为装置的优化设计、改造挖潜等提供技术基础；3、CFD 模拟方向：预测反应器内的流动状态、传热及反应的规律，指导反应器开发，实现过程强化；上海华谊（集团）公司第六届科技大会交流资料 128 4、技术经济分析方向：进行项目的成本效益分析，进行项目可行性分析，编制项目技术经济分析报告，指导催化剂的研制和工艺路线及参数优化。项目组成员既有长期从事过程模拟与优化工作的科研骨干，也有深谙工艺和操作优化的技术高手，专业有较强的互补性，在团结协作、群策群力的良好氛围下，发挥出了 1+12 的倍增效应。二、集团一品颜料项目研发 华谊集团一品颜料公司在 2012 年为进一步占领国内着色材料市场，目标 5年内成为具备 10 万吨/年新型着色材料生产能力的国内着色颜料龙头企业。为达到这一宏伟的目标，仅靠简单的粗放扩产无法实现经济效益和环保效益双丰收，必须对现有生产工艺进行全面升级。面对技术升级中的众多技术难题，项目组在一品颜料铁基颜料产品的技术转型升级过程当中发挥了重要作用。在张新平博士和赵海泉的带领下，项目组首先对现有工艺进行了深入调研，通过查阅大量国内外文献，找到了制约现有工艺的关键因素，通过小试研究，利用计算流体力学(CFD)建模方法，结合实验手段对反应器进行了重新设计及工艺改进，通过工业试验得到验证，成功将硫亚反应时间由 16h 缩短到 8h，使生产效率提高一倍；成功解决了清渣困难和出料口容易堵塞的问题，实现了硫亚自清洁生产，使得固体废物减少 80%，原料单耗降低 10%；氧化反应器结构的优化使得反应条件均匀，结晶条件改善，氧化铁颗粒的粒径分布变窄，产品质量提高。先进的第三代铁基颜料技术已应用于宜兴 10 万吨/年项目中，在节能降耗和环境保护方面具有重大提升。三、醋酸酯加氢制乙醇项目研发 乙醇是重要的化工原料和燃料，关于乙醇的制备技术，目前我国主要采用粮食发酵以及乙烯水合法，也有采用天然气为原料制备的报道，国外近几年有较多以天然气为原料制备乙醇的专利报道。近年来，醋酸酯加氢制备乙醇技术越来越受到人们的重视，一方面可以缓解目前国内醋酸行业处于产能严重过剩、市场持续低迷的困境，开发其下游产业链；另一方面，由于石油的不可再生和石油产区上海华谊（集团）公司第六届科技大会交流资料 127 的不稳定性，燃料能源安全问题在全球范围内引起了越来越多的关注，因此，大力发展燃料乙醇、乙醇柴油等以乙醇为原料的能源产业，已经成为国际燃料能源产业的一大亮点。与其它技术相比，采用醋酸乙酯加氢合成乙醇，催化剂价格较低、单程转化率高、选择性好且副产物少，可以大大降低后续分离的难度。2014 年，华谊集团醋酸酯加氢制乙醇千吨级中试装置建成并顺利开车，目前，正在进行 20 万吨级工艺包的编制。在制定醋酸酯加氢工业反应器操作方案时，项目组孙帆博士通过醋酸乙酯加氢宏观动力学的研究，回归出醋酸乙酯加氢制乙醇动力学方程，并在动力学基础上建立了等温床反应器模型，用于指导工业操作。同时，项目组邵锋建立了醋酸乙酯加氢制乙醇绝热床反应器模型，指导工业侧线装置设计、开车和操作优化，实现绝热床工艺从小试到中试的一步放大，放大倍数达到 10 万倍，极大地缩短了工业化进程。在张新平博士的带领下，项目组邵锋、倪峰、谢军、张丽等查阅大量相关文献，并到甲醇生产一线与技术人员深度交流，制定具有工业应用价值的催化剂还原方案和开车方案，有效降低了还原过程的生产成本。此外，孙帆博士等在反应动力学方面，完成了本征动力学和宏观动力学模型的建立与模型参数的估计；完成了内扩算效率因子分析，用于指导催化剂的开发；完成了单管及工业侧线反应器对模型参数的校正。在反应器模型化与模拟研究方面，项目团队孙帆博士等完成了固定床一维拟均相模型，得到反应器轴向温度与浓度分布；完成了二维拟均相与非均相模型，得到反应器径向温度浓度分布和催化剂颗粒温度与气相主体温度差别；完成了绝热床与等温床的比较研究；在以上工作基础上，指导 20 万吨工业化反应器的优化设计。在醋酸酯加氢制乙醇工艺流程模拟方面，完成了全流程模拟，确定了系统物料和能量平衡，为 20 万吨工艺包提供了设计基础。项目组还创新性地应用了系统的能量集成与优化，从而将醋酸酯化加氢制乙醇工艺技术提升至国际一流水准，使 20 万吨工业装置每年可节省冷量 28.5%，节省热量 19.9%，每年可减排 7400吨“碳”，每年节省运行费用 1409 万元。上海华谊（集团）公司第六届科技大会交流资料 128 四、其他项目研发 1、草酸二甲酯加氢及水解制乙醇酸项目 乙醇酸（GA）又名羟基乙酸，乙二醇酸，是一种重要的精细化工原料，主要应用于化工清洗、精细化工、护肤、医药等行业。近年来，随着聚乙醇酸用途的不断扩展，作为其聚合原料，乙醇酸具有广阔的前景。目前市场主要被杜邦公司垄断，提供 70%的乙醇酸水溶液和乙醇酸晶体两类产品。随着市场需求的增加，需要一种低成本、便于规模生产的乙醇酸工艺。随着草酸二甲酯（DMO）加氢制备乙醇酸甲酯工艺技术的发展和成熟，通过乙醇酸甲酯水解制备乙醇酸的工艺技术得到快速发展。DMO 加氢水解制 GA 工艺优点是：采用固体酸作为催化剂，易于产物的提纯和分离，大大节约了分离成本；制备DMO原料是合成气，可充分利用我国丰富的煤炭和天然气资源，对发展碳一化学具有重要意义；原料成本低，对环境无污染，反应条件温和。在张新平博士的带领下，在草酸二甲酯加氢及水解制乙醇酸项目中，项目组完成了全流程模拟，确定了系统物料和能量平衡，为工业侧线工艺包提供了设计基础。在 DMO 加氢制 MG 反应动力学及反应器模拟方面，进行了 DMO 加氢制MG 床层反应动力学的拟合；建立了固定等温床反应器模型；利用 CFD 模拟进行了工业反应器温度均匀分布的优化设计。在 MG 水解动力学研究及反应精馏模拟方面，完成了水解动力学模型建立与模型参数估计；完成了基于动力学基础上的反应精馏过程模拟及工艺参数的优化。在此基础上，完成了高纯度乙醇酸工艺的开发。2、甲苯甲醇择形烷基化制对二甲苯工艺研究与优化项目 项目组张新平博士和王振兴在甲苯甲醇择形烷基化制对二甲苯工艺研究与优化项目中，在全流程模拟及技术经济分析方面，完成了甲苯甲醇择形烷基化制对二甲苯全流程模拟，并在此基础上完成了不同工艺路线、不同催化剂和不同工艺参数的技术经济分析，指导了项目开发方向的决策。在 PX 体系热力学研究方面，通过计算化学手段，完成了 PX 复杂反应体系反应热力学研究，认识了反应特性，上海华谊（集团）公司第六届科技大会交流资料 127 指导了开发方向。在反应动力学研究方面，利用集总建模方法，采用智能算法，进行动力学研究并进行反应工艺条件优化，指导反应开发，为反应器建模提供了基础。在反应器模型化研究方面，进行了反应器模型化研究，指导反应器开发和设计优化。3、高纯度乙烯利技术升级项目 项目组赵海泉在高纯度乙烯利技术升级项目中，在反应器 CFD 模拟研究和新结构反应器优化设计方面，利用计算流体力学（CFD）建模方法，结合实验手段，研究乙烯利酯化反应器流场情况，并在此基础上，完成了酯化反应器的结构优化设计，并投入工业应用，取得了良好效果。4、铬黄技术升级项目 项目组张新平博士和赵海泉在铬黄技术升级项目中，在反应器 CFD 模拟研究和新结构反应器优化设计方面，利用计算流体力学（CFD）建模方法，结合实验手段，研究了铬黄反应器流场情况，并在此基础上，完成了工业铬黄反应器的结构优化设计。5、聚合物合成工艺研究 在张新平博士带领下，在聚合物合成工艺研究方面，项目组通过计算化学与流体力学、聚合动力学等多种模拟计算手段，加强了反应机理认识和合成关键因素识别，促进了聚合物耐热改性剂 SMI 的开发放大，加快了产业化进程。6、四万吨氯化聚氯乙烯（CPVC）氯化反应釜放大项目 在张新平博士带领下，在四万吨氯化聚氯乙烯（CPVC）氯化反应釜放大项目中，项目组利用计算流体力学（CFD）建模方法，结合实验手段，研究了气液固三相氯化反应釜流场情况，并在此基础上，完成了 50m3工业反应釜的结构优化设计。7、技术经济分析工作 项目组王振兴、邵锋、孙帆在多个项目中开展技术经济分析工作，有力地支持了项目的开发和市场推广。通过醋酸酯加氢制乙醇技术经济分析，探索了最优上海华谊（集团）公司第六届科技大会交流资料 128 反应条件，并指导了反应器的选型；通过甲苯甲醇择形烷基化制对二甲苯全流程模拟，并在模拟的基础上完成了不同工艺路线、不同催化剂和不同工艺参数的技术经济分析，指导了项目开发方向的决策；通过醋酸仲丁酯加氢制仲丁醇联产乙醇与正丁烯水合法路线的经济性对比，为市场推广提供了技术资料。五、放眼未来 计算化学与化工平台的建设，为实现大规模模拟计算提供了坚实的软硬件基础，减少了实验所耗费的人力和物力。计算化学与化工项目组在张新平博士的带领下，不骄不躁，稳扎稳打，锐意进取，勇于创新，为集团和研究院做出了巨大贡献。同时，整个团队通过互帮、互助、互传、互带、互教，团队的技术水平得到了飞速提高，培养出一支能打硬仗的学习型、创新型、攻坚型队伍。今后，项目组还将一如既往，勇往直前，在计算化学与化工方向不断进取，创造更辉煌的成绩，为集团的发展做出更大的贡献。