基于?分析的生物质合成芳烃工艺优化与可持续性评估

本研究针对化工行业面临的高能耗和环保挑战，通过?分析(Exergy analysis)、?经济评估(Exergo-economic evaluation)和夹点分析(Pinch analysis)方法，设计了两条从甲醇和戊烷合成芳烃的工艺路线。结果显示工艺路线1和2分别实现39.53%和25.43%的?效率，通过热集成分别节能92.09%和51.38%，为生物质转化工艺的可持续发展提供了重要优化方案。

　　

随着全球化工行业面临能源成本上升、环保法规趋严等挑战，生物质资源的高效转化成为实现可持续发展的重要途径。芳烃化合物作为医药、纺织等领域的关键原料，其传统石油基生产工艺亟待绿色替代方案。在此背景下，研究人员开展了基于?分析的生物质合成芳烃工艺优化研究。

研究团队设计了两条从纤维素生物质出发的芳烃合成路线：工艺路线1采用甲醇与戊烷共进料，工艺路线2引入循环系统并自产戊烷。通过Aspen HYSYS模拟，完整构建了从纤维素水解→葡萄糖发酵→乙醇分解→甲醇合成→芳烃转化的四级反应体系。研究创新性地采用?分析方法量化工艺效率，结合夹点技术挖掘节能潜力。

关键技术方法包括：1）基于Aspen HYSYS的全流程模拟；2）?分析计算各单元设备的?损率；3）?经济评估量化经济性能；4）夹点分析确定热集成方案。研究选用含23.7%碳、3.0%氢的纤维素作为原料，反应温度覆盖-130°C至800°C的宽范围工况。

【3.1 ?分析】
研究显示工艺路线1整体?效率达39.53%，显著高于路线2的25.43%。关键设备中CO₂
加热器（B4）和生物质氧化反应器（B1）分别以67.69%和88.70%的?效率成为各自路线的最佳单元。值得注意的是，甲醇加热器（B6）在路线1中贡献34%的?损，而芳构化反应器（B10）在路线2中?损高达56.68%。

【3.2 ?经济分析】
经济性评估揭示有趣现象：苯蒸馏分离器（B15）虽具有28.61%的?损，但其?经济因子达99.92%，表明设备投资成本优势显著。相比之下，?效率88.70%的生物质氧化反应器（B1）?经济因子仅39.43%，凸显了单纯?分析的局限性。

【3.3 能源节约与夹点分析】
热集成方案展现出惊人节能潜力：路线1实现92.09%的总节能率，完全消除加热公用工程需求；路线2节能51.38%，其中高压蒸汽系统实现100%节能。经济核算显示，路线1每年可节约6342亿美元热公用工程成本，路线2冷公用工程节约4300亿美元。

这项发表于《Next Sustainability》的研究证实，基于生物质的芳烃生产工艺具有显著优化空间。工艺路线1凭借更高的?效率和节能率成为优选方案，其39.53%的?效率远超传统石化工艺。研究创新点在于将?分析与经济指标耦合，首次量化了生物质芳烃生产的热力学极限与经济可行性。特别值得注意的是，通过夹点分析实现的90%以上节能率，为降低碳足迹提供了直接解决方案。

该研究为生物质资源的高值化利用提供了全新视角，其建立的评估框架可推广至其他绿色化工过程。未来研究可进一步结合生命周期评估(LCA)，全面考察工艺的环境效益。研究结果对实现"双碳"目标下的化工行业转型具有重要指导价值，为生物经济时代的技术路线选择提供了科学依据。