基于火用分析与火用弹性方法的悬浮法PVC生产及VCM回收过程评估与优化研究

为解决PVC悬浮生产工艺能耗高、资源利用率低的问题，研究人员采用火用分析(Exergy Analysis)与火用弹性(Exergetic Resilience)相结合的方法，通过计算机辅助过程工程(CAPE)工具量化能量流动，发现干燥和VCM回收阶段效率低下是主要瓶颈。研究提出通过废物流再利用可使整体效率提升至84%，并为化工过程可持续优化提供了新范式。

　　

聚氯乙烯(PVC)作为全球用量第三的合成塑料，其生产过程的可持续性正面临严峻挑战。悬浮法作为PVC的主要生产工艺，虽然具有反应可控、传热效率高等优势，但每千克产品需消耗60MJ能量，并伴随2095kg CO₂
当量的温室气体排放。更棘手的是，现有研究多聚焦于全生命周期评价，对生产过程中各单元操作的火用(Exergy)损耗机制缺乏系统解析，特别是对关键环节如单体(VCM)回收和树脂干燥的能量损失机理认识不足。

为解决这一瓶颈问题，来自哥伦比亚卡塔赫纳大学的研究团队创新性地将火用分析与火用弹性评估相结合，建立了悬浮法PVC生产的全过程评价体系。通过Aspen Plus模拟获取物料-能量平衡数据，研究人员首次量化了各生产阶段的火用效率与不可逆损失(Irreversibilities)，相关成果发表在《South African Journal of Chemical Engineering》上。

研究采用三大关键技术：1)基于化工模拟软件构建包含聚合、纯化、回收和干燥四阶段的流程模型；2)采用标准火用计算方法，区分可避免损失(Avoidable losses)与不可避免损失(Unavoidable losses)；3)通过敏感性分析评估关键参数对全局效率的影响。

研究结果揭示：

1. 全局火用效率达79.6%，但干燥阶段存在显著瓶颈
   数据显示干燥环节的不可逆损失高达75,618MJ/h，其中46,488MJ/h来自可回收的废物流（含11吨/天残余PVC）。通过将废气流中的PVC回收率提升至60%，整体效率可提高至82%。

2. VCM回收环节存在隐藏能耗
   该阶段虽废物流较少(1100MJ/h)，但84%的低效率主要源于热交换过程的不可逆损失(45,268MJ/h)。模拟表明优化换热网络可使全局效率跃升至95%。

3. 热公用工程是改进重点
   反应器和干燥机消耗的144,143MJ/h热公用工程中，80%能量以低品位热能形式散失，这为余热回收系统集成提供了可能。

这项研究的重要意义在于：首次建立了悬浮法PVC生产的火用评价基准，发现传统工艺改进的"黄金节点"——通过干燥段物料回收与回收段能量整合的协同优化，可在不大幅改动工艺的前提下实现效率的阶梯式提升。研究提出的火用-弹性耦合分析方法，为化工过程的可持续性评估提供了新范式，特别对聚烯烃等大宗化学品生产的绿色转型具有指导价值。未来研究可进一步结合夹点技术(Pinch Technology)深化能量集成分析，并探索可再生热源替代方案。