非理想混合物能量集成蒸馏过程的快速多准则筛选方法开发与应用

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【字体：大中小】 时间：2025年07月25日 来源：Separation and Purification Technology 8.2

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　　研究人员针对工业蒸馏过程高能耗问题，开发了基于热力学严格夹点模型的算法框架，实现了750余种能量集成蒸馏序列的多准则评估。该研究突破传统恒相对挥发度假设，适用于非理想和共沸体系，通过最小能耗和成本估算为复杂分离任务提供快速决策支持，对化工过程节能优化具有重要意义。

在全球工业能耗中，蒸馏过程占比高达40%，仅蒸馏塔就超过4万座，成为碳排放的重要来源。面对气候变化压力，如何降低这类热分离工艺的能耗成为化工领域的核心挑战。传统蒸馏设计常依赖恒相对挥发度等简化假设，难以处理非理想混合物；而现有能量集成技术如直接热整合（HI）、多效蒸馏、热耦合和蒸汽再压缩（VRC）等方案繁杂，缺乏系统性评估工具。

针对这一难题，德国亚琛工业大学（RWTH Aachen University）过程系统工程研究所（AVT.SVT）的研究团队在《Separation and Purification Technology》发表创新成果。他们开发了基于Rectification Body Method（RBM）的算法框架，首次实现750多种能量集成蒸馏序列的快速筛选，突破传统Underwood方程限制，适用于含共沸物的复杂体系。

研究采用三大关键技术：1）热力学严格夹点模型计算最小能耗（MED），避免恒摩尔流假设；2）改进Winn方程估算理论板数，替代传统Fenske方程；3）Guthrie模块化成本法评估总投资（TAC）。通过MATLAB-C混合编程，单次全流程评估仅需200秒。

【主要结果】

三元芳烃分离案例显示，蒸汽再压缩（VRC）序列可降低74%能耗，但热整合预分馏塔（PF-HI12）总成本最优（249k）。压力敏感性分析发现2.23bar工况下TAC可进一步降至222k。
丙酮-氯仿-苯-甲苯四元共沸体系分离中，带VRC的隔壁塔（DWC-VRC）展现最佳经济性（549k€/a），较常规序列节能83%。电价低于30$/GJ时VRC方案优势显著。
多准则分析揭示：热整合方案资本成本占比50%，而VRC方案达90%。当资本回收因子（CCF）<0.1时，VRC成最优选择。

该研究首次建立覆盖热耦合、多效蒸馏和VRC杂交方案的系统评估体系，其创新性体现在三方面：1）突破非理想体系快速评估瓶颈；2）实现能耗-成本多目标优化；3）开发开源计算工具（MEX函数）。工业案例验证中，RBM计算结果与Aspen Plus严格模拟误差<1%，而计算速度提升三个数量级。这项工作为化工过程低碳化提供了方法论革新，特别适用于可再生能源电力转型背景下的热泵集成工艺设计。未来研究将扩展液体转移型热耦合配置和闪蒸增强型VRC方案，进一步挖掘节能潜力。

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