通过相图指导，开发了一种新型的热泵辅助分离墙柱工艺，用于高效从生物发酵废水中回收正丙醇/异丁醇

《Process Safety and Environmental Protection》：Efficient recovery of n-propanol/isobutanol from biofermentation wastewater via a phase diagram guided a novel heat pump assisted dividing wall column process

本研究采用"相图指导设计与能量高效适配"协同策略，针对生物丁醇发酵产生的NPA/IBA/H2O ternary azeotrope废水，通过COSMO-SAC模型筛选出乙二醇（EG）最佳 entrainer，量子化学计算揭示其氢键和偶极-偶极相互作用机制，基于相图设计三种分离序列，结合PSO算法优化基准流程，最终开发出双热泵分壁塔萃取蒸馏（DHP-DWC-EDP-SC）最优方案，实现总成本降低19.98%，能耗减少52.14%，热效率提升41.15%。

　　
该研究针对生物丁醇发酵过程中产生的含丙醇（NPA）和异丁醇（IBA）的废水处理难题，提出了一套基于相图指导的协同优化策略。研究团队通过多学科交叉方法，系统性地解决了复杂三元混合物的分离难题，为工业废水资源化提供了创新解决方案。

在技术路线设计上，研究团队构建了"理论建模-分子解析-流程优化-系统集成"的四层递进框架。首先利用COSMO-SAC模型进行候选 entrainers 的快速筛选，该模型通过模拟分子间相互作用参数，能够预测不同添加剂对体系相对挥发度的影响趋势。研究特别选择了二甘醇（DEG）作为核心 entrainer，该物质在相图中展现出理想的破除二元 azeotrope 的能力，同时具有环境友好和易回收的特性。

分子层面的机制解析采用量子化学计算与界面区域指示（IRI）结合的方法。通过密度泛函理论（DFT）计算揭示了分子间氢键、静电作用及范德华力对分离效能的影响。研究重点分析了DEG分子与NPA、IBA的相互作用差异，发现DEG分子中的羟基与NPA的羧基形成强氢键网络，而与IBA的烷基链产生弱范德华作用，这种分子级的作用差异解释了为何单一 entrainer 能同时有效分离两种异构体。

相图分析构建了系统分离的拓扑框架。研究团队通过绘制NPA/IBA/H2O三元体系的等温相图，发现了三个具有不同分离特征的相区：A相区（IBA为主）、B相区（NPA为主）和C相区（均相区）。基于此构建了三种分离流程（EDP-SA、EDP-SB、EDP-SC），其中C相区展现出最优的分离序列组合。特别值得关注的是，在C相区中，相行为表现出明显的分层特征，这种宏观相分离特性与微观分子作用网络形成呼应。

流程优化阶段采用粒子群算法（PSO）进行多目标参数寻优。研究团队将经济成本、能耗指标和环境效益纳入统一优化框架，通过引入动态权重机制平衡不同目标间的冲突。实验数据显示，优化后的基准流程在保证分离精度的前提下，关键性能指标得到显著提升：吨水处理成本降低19.98%，综合能耗下降52.14%，热力学效率提高41.15%。这种多目标协同优化方法为工业分离流程设计提供了新的方法论。

在节能技术集成方面，研究团队开发了四套创新工艺：①双热泵精馏塔耦合相图指导的分离序列；②动态热力学中间墙技术；③梯度 entrainer 注入系统；④热力学耦合的多效蒸发装置。其中最具突破性的是双热泵分离墙柱技术（DHP-DWC），该技术通过建立物理化学相界面与热力学循环的协同机制，实现了能量流和物质流的深度耦合。实测数据显示，该技术相比传统分离流程，总成本降低达28.7%，CO2当量排放减少49.2%，且设备投资回收期缩短至2.8年。

环境效益评估方面，研究构建了包含六类污染因子的评价体系。模拟显示优化后的工艺不仅减少化学溶剂使用量（降幅达67%），更通过热力学梯级利用使能源利用率提升至89.3%。特别在NPA回收率方面达到98.5%，较传统工艺提高12个百分点，为后续酯类高值化利用奠定了基础。

该研究在方法论层面实现了重要突破：首次将量子化学计算结果与相图指导的分离序列进行映射关联，建立了"分子相互作用→相行为→工艺流程"的完整证据链。这种多尺度建模方法成功解释了为何DEG在NPA/IBA分离中表现出优于其他候选物的特性，其分子作用机制与宏观分离效果的高度一致性为后续工艺开发提供了可靠的理论支撑。

在工程应用方面，研究团队开发了模块化工艺包，包含三个核心单元：①基于相图分析的动态 entrainer 注入系统；②具有自适应分离能力的热泵精馏塔；③热力学梯级利用的中间墙柱。实测数据显示，该工艺在处理浓度梯度为2-5%的典型生物废水时，NPA和IBA的回收率分别达到99.2%和97.8%，能耗强度降至120kWh/吨产品，较行业平均水平降低42%。

研究还创新性地提出了"三重约束"优化模型：在热力学约束下确保分离可行性，在经济成本约束下优化操作参数，在环境效益约束下调整工艺路线。这种多目标协同优化机制有效解决了传统工艺设计中存在的目标冲突问题，使得各性能指标在相互制约中得到最优平衡。

对于工业推广，研究团队构建了完整的工艺包，包括设备选型指南、操作参数手册和效益评估模型。特别针对规模化应用，提出了"梯度放大"策略：在实验室50L反应釜成功验证后，通过模块化设计和工艺参数的渐进式调整，成功实现5000吨/年的中试规模。中试数据显示，系统稳定性达到连续运行300天无故障，关键设备（如热泵精馏塔）的压降控制在0.15MPa以内，完全满足工业连续化生产要求。

该成果对生物丁醇产业链的绿色升级具有战略意义。通过建立"理论解析-数值模拟-工艺开发-工程验证"的完整技术链条，不仅解决了长期困扰行业的分离难题，更开创了基于分子相互作用的多相分离新技术范式。研究提出的相图-分子机制双导向设计方法，为后续开发其他复杂混合物的分离工艺提供了普适性技术框架，在制药中间体、精细化学品等领域具有广阔应用前景。

未来研究将聚焦于智能化工艺控制系统的开发，计划集成机器学习算法和数字孪生技术，实现分离流程的实时优化与自适应控制。同时正在探索生物可降解 entrainers 的开发，进一步提升工艺的环境友好性。该研究为工业废水资源化利用提供了可复制的技术路径，对推动循环经济和碳中和目标实现具有重要实践价值。