工业规模粗甘油生产三乙酸甘油酯的技术经济与环境可持续性评估

推荐：本研究针对生物柴油副产物粗甘油(Gly)的低值化利用问题，开发了以82 wt% Gly为原料连续生产高纯度三乙酸甘油酯(TA, 99.6 wt%)的工艺。通过Eley-Rideal动力学模型指导设计，实现Gly转化率96.4%、TA收率75.4%，年产18,000吨TA。技术经济分析显示TA最低售价为1754.0 ￡/ton，生命周期评估得出碳排放为22.8 kgCO2,eq·kgTA-1。该研究为Gly高值化利用提供了绿色工艺方案。

　　

随着全球能源需求增长，生物柴油等可再生能源备受关注，但其生产过程中会产生约10 wt%的粗甘油(Gly)副产物。这些低纯度(30-60 wt%)Gly若直接处理不仅造成资源浪费，还需承担额外处置成本。三乙酸甘油酯(TA)作为重要的燃料添加剂和化工原料，市场需求年增长率达5.4%，传统生产工艺使用乙酸酐存在安全隐患且成本高昂。如何实现粗甘油绿色高效转化为高附加值TA，成为当前生物炼制领域的重要课题。

Aya Sandid等人在《Journal of Cleaner Production》发表的研究，首次系统评估了以82 wt%纯度Gly为原料的工业级TA连续生产工艺。研究团队基于前期开发的Eley-Rideal动力学模型，采用Aspen Plus V12.1进行全流程模拟，结合技术经济分析(TEA)和生命周期评估(LCA)方法，建立了年产18,000吨TA的完整工艺方案。研究特别关注了粗甘油预处理、反应工程优化和产物分离等关键环节，并创新性地采用水/正己烷双溶剂体系解决分离难题。

【主要技术方法】

研究采用多尺度方法：1)基于前期实验数据建立Eley-Rideal动力学模型；2)Aspen Plus流程模拟结合UNIQUAC-NTH热力学模型；3)采用因子法计算资本支出(CAPEX)；4)ReCiPe 2016方法进行生命周期影响评估；5)绿色化学指标(E因子、PMI、CE)计算。原料采用来自第二代生物柴油厂的粗甘油(Argent Energy 540,000吨/年)，通过真空蒸馏预处理获得82 wt% Gly。

【工艺设计与优化】

研究人员设计了包含甘油预处理、酯化反应、TA纯化和乙酸回收四个主要单元的连续工艺流程。反应单元采用四个串联CSTR(110°C，1.01 bar)，使用Amberlyst-36催化剂，乙酸与甘油摩尔比9:1。创新性地采用正己烷共沸蒸馏回收乙酸，水萃取分离TA与其他乙酰化产物。最终获得TA纯度达99.6 wt%，同时副产63.3 wt%二乙酸甘油酯(DA)。

【技术经济性能】

工厂总投资44.95百万英镑，折合2514.8 ￡/(ton_TA·年)。运营成本分析显示，原料乙酸(34.13%)和中压蒸汽(20.30%)是主要成本项。在收支平衡点时，TA和DA的最低售价分别为1754.0 ￡/ton和877.0 ￡/ton。当TA市场价达2000 ￡/ton时，投资回收期仅3.4年，投资回报率(ROI)达29.7%。

【环境可持续性】

生命周期评估显示，每kg TA生产产生22.8 kg_CO2,eq排放，主要来自TA纯化阶段(74%)的蒸汽消耗。一次能源需求为370 MJ/kg_TA，化石资源消耗8.2 kg_oil,eq/kg_TA。绿色化学指标表现优异：E因子0.21，过程质量强度(PMI)1.34，碳经济性(CE)0.93，表明该工艺具有较好的原子经济性。

【创新意义】

该研究首次实现了基于粗甘油的TA工业级生产工艺开发，相比文献报道的纯甘油路线更具现实意义。通过溶剂体系创新和热能梯级利用，解决了乙酰化产物分离难题。提出的技术经济与环境协同优化框架，为生物基化学品产业化提供了示范。未来可通过可再生能源供热等方式进一步降低碳排放，提升工艺可持续性。这项工作为生物炼制产业链闭环设计提供了重要参考，对推动循环经济发展具有积极意义。