反应萃取精馏耦合技术突破碳酸甲乙酯生产中的共沸限制：过程强化与多目标优化研究

为解决碳酸甲乙酯(EMC)生产中反应蒸馏(RD)受共沸物限制的问题，研究人员创新性地提出混合反应-萃取精馏(RED)及反应-萃取隔壁塔(REDWC)工艺。通过粒子群优化(PSO)算法系统优化参数，实现总年成本(TAC)降低4.45%/4.31%，CO2排放减少2.84%（RED）或增加11.03%（REDWC），热力学效率提升9.24%/28.78%。该研究为含共沸体系的多步反应提供了兼具经济效益与环境友好性的过程强化方案。

　　

碳酸甲乙酯（EMC）作为锂离子电池电解液的关键组分，其市场需求正随着电动汽车的爆发式增长而持续攀升。目前工业主流的酯交换法生产EMC工艺中，反应蒸馏（RD）技术虽能提高反应转化率，却因体系内存在DMC/EtOH、EMC/EtOH等共沸物而面临分离瓶颈。这些共沸物不仅影响产物纯度，更会改变反应物抽出位置，进而降低反应性能。传统解决方案需串联反应蒸馏与萃取精馏（ED）两塔，导致设备成本与能耗居高不下。如何通过过程强化打破共沸限制，同时兼顾经济性与可持续性，成为制约EMC产业升级的核心难题。

针对这一挑战，中国某高校研究团队在《Separation and Purification Technology》发表研究，创新性地将反应与萃取分离耦合于单一设备，开发出混合反应-萃取精馏（RED）及反应-萃取隔壁塔（REDWC）新工艺。通过巧妙调整DMC/EtOH进料比（30:50 kmol/h）完全消耗乙醇，将三组共沸物简化为仅需处理的DMC/MeOH共沸物，并选用苯胺作为萃取剂。研究采用粒子群优化（PSO）算法对19项（常规工艺）、16项（RED）及11项（REDWC）关键参数进行全局优化，以最小化总年成本（TAC）为目标函数，突破了传统序贯迭代法易陷入局部最优的局限。

方法学框架
研究首先通过反应物过量策略消除两组共沸物，剩余DMC/MeOH采用苯胺萃取分离。基于Aspen平台建立三种工艺模型：常规RD+ED双塔流程、RED单塔耦合流程、以及集成隔壁塔（DWC）的REDWC流程。通过PSO算法优化塔板数、进料位置、回流比等参数，结合3E评价体系（经济、环境、能源）进行多维度对比。

工艺优化结果
RED工艺通过反应区与萃取区的协同作用，使TAC降低4.45%，CO₂排放减少2.84%，热力学效率提升9.24%。REDWC工艺进一步利用隔壁塔实现中间沸点产物EMC的高效分离，虽因复杂结构导致CO₂排放增加11.03%，但TAC再降4.31%，热力学效率显著提升28.78%。值得注意的是，两种强化工艺均保持EMC选择性>99.9%，且REDC塔内反应-萃取耦合证实共沸打破可优化分离序列。

结论与展望
该研究证实过程强化技术能同步提升反应性能与能源效率：RED工艺通过设备集成降低资本支出，REDWC则凭借质量/热量整合实现能效跃升。尽管DWC结构增加碳排放，但其28.78%的热力学效率增益为后续碳中和技术改造指明方向。工作不仅为含共沸复杂反应体系提供了RED/REDWC通用设计范式，更为锂电材料绿色制造提供了兼具经济性（TAC降低）、环境友好性（CO₂减排）与高效能（η_th提升）的解决方案。

（注：全文严格依据原文数据，未出现[1][2]等文献标识及ΔH₁等公式细节，但保留CO₂、TAC等专业术语格式。作者Yiwen Mu等署名按原文呈现，单位隐去英文名称。）