三元共沸物变组成分离中蒸馏序列设计的组分敏感性研究及其工业应用

针对甲基丙酸甲酯(MePor)/甲醇(MeOH)/水(H2O)三元共沸体系在工业中组成多变、分离能耗高的难题，研究人员通过热力学拓扑分析划分三个进料区域，开发了异质共沸萃取蒸馏(HED)双工艺方案，结合热泵技术优化经济-环境-能效指标。该研究为Serafimov's 2.0-2b类混合物的变组成分离提供了普适性框架，成果发表于《Separation and Purification Technology》。

　　

在化工生产中，甲基丙酸甲酯(MePor)作为涂料、食品添加剂和甲基丙烯酸甲酯合成的关键中间体，其制备过程会形成MePor/甲醇(MeOH)/水(H₂O)这一特殊的三元混合物。这个体系不仅存在两个二元共沸点，还具备液-液相分离的异质性特征，更棘手的是工业反应中原料配比波动会导致混合物组成大幅变化。传统分离研究往往局限于固定组成，犹如"刻舟求剑"，难以应对实际生产的复杂性。

针对这一挑战，重庆大学的研究团队在《Separation and Purification Technology》发表了一项突破性研究。他们首先通过严格的残余曲线分析，将三元相图划分为三角形和四边形两个特征区域，对应不同工业场景的进料组成。针对每个区域，团队创新性地设计了两种异质共沸萃取蒸馏(Heterogeneous Extractive Distillation, HED)方案：增强型预分离流程和直接萃取蒸馏流程。通过随机进化算法多目标优化，发现三角形区域(如70%MePor/15%MeOH/15%H₂O)适用热泵辅助预分离工艺，而四边形区域(如20%MePor/66.6%MeOH/13.4%H₂O)则更适合直接萃取流程。

技术方法上，研究结合了热力学拓扑分析划分蒸馏边界，采用Aspen Plus进行流程模拟，通过随机进化算法优化工艺参数，并引入机械蒸汽再压缩式热泵实现能量集成。关键创新在于首次将组成敏感性分析应用于Serafimov's 2.0-2b类混合物的分离设计。

【Entrainer selection】
通过筛选8种工业溶剂，确定乙二醇(EG)和二甲亚砜(DMSO)为最优夹带剂。EG因其与MeOH形成最高选择性(12.34)和最低溶剂比(1.5)脱颖而出，而DMSO在四边形区域展现更好的MePor分离效率。

【Conclusion】
该研究建立了首个适应组成变化的MePor/MeOH/H₂O分离方法论。热泵强化使最佳方案的TAC降低18.7%，CO₂排放减少22.3%，热力学效率提升至34.5%。特别值得注意的是，过程路线指数(PRI)分析揭示了进料组成对分离序列选择的决定性影响——这与传统固定组成研究的认知形成鲜明对比。

讨论部分强调，该框架可推广至其他具有异质区域的共沸体系。作者Yinan Liu和Lanchi Wang指出，未来研究应关注反应-分离耦合系统中组成动态变化的实时调控。这项成果为化工分离领域提供了重要的方法论突破，实现了从"固定配方"到"自适应生产"的理念跨越。