面向可持续燃料添加剂分离的节能萃取精馏工艺研究——以离子液体为夹带剂的乙醇/水/丁基乙醚共沸体系分离

《Process Safety and Environmental Protection》：Towards sustainable separation of fuel additives - containing azeotrope by energy-saving extractive distillation process

本文系统研究了采用离子液体（IL）作为夹带剂的节能萃取精馏（ED）工艺，用于分离乙醇（EtOH）/水（H2O）/丁基乙醚（BEE）三元共沸体系。通过相平衡实验、相对挥发度计算和COSMO-RS模型筛选，确定了二甲亚砜（DMSO）、离子液体[EMIM][DCA]及其混合溶剂为最优夹带剂。量子化学计算（QC）和分子动力学模拟（MD）揭示了[DCA]?阴离子通过强氢键选择性结合EtOH和H2O分子，有效破坏共沸结构。多目标遗传算法优化结果表明，热集成热耦合萃取精馏（HI-TCED）工艺相比基准DMSOED方案可实现总年度成本（TAC）降低46.54%，碳排放减少39.35%，能耗降低39.02%，为绿色化工提供了高效低碳的共沸分离解决方案。

　　

亮点

方法与实验

用于BEE/EtOH/H₂O混合物分离的概念设计和工艺优化的系统方法如图1所示。

有机溶剂筛选

在萃取精馏中，选择最佳溶剂至关重要，因为它能显著降低能耗和总年度成本（TAC）。本工作中，相对挥发度是初始选择的主要因素。为了确定最佳溶剂，分析了8种候选溶剂作为潜在夹带剂：甘油、1,3-丙二醇、乙酸乙酯（EA）、二甲亚砜（DMSO）、乙二醇（EG）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、N,N-二甲基乙酰胺（DMAC）和N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）。

热力学一致性检验

气液平衡（VLE）实验数据如表S10和图S3-S4所示。如表1总结所示，通过规定的数学公式计算了Van Ness检验结果。表格数据显示，所有系统内的实验点都具有令人满意的热力学一致性，Δp和Δy值均保持在1以下。由于所有系统的值都小于1，实验数据结果具有很高的准确性和可靠性。通过比较实验值和计算值...

结论

本工作系统评估了10种不同有机溶剂、100种离子液体（IL）和混合溶剂的比例后，探索了用于分离EtOH/BEE/H₂O共沸物的夹带剂的潜力。最终确定DMSO、[EMIM][DCA]以及DMSO加[EMIM][DCA]的混合溶剂（优化比例为84.02% [EMIM][DCA] 和 15.98% DMSO）为最佳夹带剂。借助量子化学计算（QC）和分子动力学模拟（MD）计算，在分子水平上深入分析了夹带剂与共沸物的微观机制。