基于深共晶溶剂的异丙醇-乙醇萃取精馏工艺模拟优化及其在生物燃料添加剂中的应用

推荐：为解决IBE发酵液下游处理难题，研究人员采用深共晶溶剂(DES)开展萃取精馏工艺优化研究。通过灵敏度分析和粒子群算法(PSO)优化，使总热负荷降低21.26%，年总成本(TAC)降低24.07%，为生物丁醇生产工艺提供了经济高效的分离方案。

　　

在全球能源需求持续增长和气候变化的背景下，生物燃料作为可再生能源受到广泛关注。其中，生物丁醇(Butanol)因其能量密度高、与汽油兼容性好等优势成为研究热点。然而，IBE（异丙醇Isopropanol-丁醇Butanol-乙醇Ethanol）发酵液的下游处理面临重大挑战：复杂的组分构成、低浓度丁醇和高含水量导致分离能耗居高不下。特别是发酵液中异丙醇-乙醇-水(IE-W)形成的共沸体系，使得传统蒸馏方法难以高效分离。

针对这一难题，上海理工大学能源与动力工程学院的研究团队在《Infection, Disease》发表了创新性研究成果。目前工业上常用的萃取剂如乙二醇(EG)和二甲基亚砜(DMSO)存在能耗高、溶剂损失大等问题。而新兴的深共晶溶剂(DES)兼具离子液体高效性和传统溶剂经济性，但缺乏系统的工艺优化研究。这项研究填补了这一空白，为生物燃料生产提供了更环保经济的分离方案。

研究采用多种关键技术方法：首先通过汽液平衡(VLE)实验数据验证NRTL热力学模型的准确性；然后基于DBE-4CD（脱水-丁醇-萃取四塔蒸馏）工艺框架，利用Aspen Plus软件进行流程模拟；通过灵敏度分析确定关键操作参数范围；最后采用粒子群优化算法(PSO)以年总成本(TAC)为目标函数进行全局优化。研究团队还建立了MATLAB与Aspen Plus的COM接口，实现自动化参数优化。

研究结果部分包含以下重要发现：

1. 1.

   溶剂选择

   通过比较不同溶剂对醇-水体系相对挥发度的影响，发现DES（甘油:氯化胆碱=2:1）效果最佳。在异丙醇/水体系中，DES使相对挥发度从1.12提升至2.35；在乙醇/水体系中从1.02提升至2.15，显著优于传统溶剂。

2. 2.

   基础工艺

   建立的萃取精馏-DES基础工艺(EDD-B)可获得纯度99.97%的IE混合物，但总热负荷达1110.15 kW，年总成本(TAC)为206,744.43美元，存在优化空间。

3. 3.

   灵敏度优化

   通过分析溶剂流量、进料位置等参数影响，将总热负荷降低22.82%至856.83 kW，TAC降低至157,726.17美元/年。优化后的进料位置确定为第25块理论板。

4. 4.

   算法优化

   采用PSO算法进一步优化，总热负荷降至874.18 kW，TAC降至156,986.01美元/年。关键参数包括：萃取塔理论板数30块、溶剂进料位置第3块板、溶剂流量8.798 kmol/h等。

在结论部分，研究强调了三个重要发现：一是DES作为萃取剂在分离性能上具有明显优势；二是通过灵敏度分析和算法优化可显著降低能耗和成本；三是建立的优化方法为生物燃料分离工艺提供了新思路。该研究不仅验证了DES在工业规模应用的可能性，还开发了一套完整的工艺优化方法，对促进生物燃料产业化具有重要意义。

特别值得注意的是，研究团队通过温度分布和组分分布曲线分析，揭示了DES浓度分布与分离效率的关系，为工艺优化提供了理论依据。相比传统EG工艺，优化后的DES工艺在保持产品纯度的同时，实现了显著的节能降耗效果，为生物燃料生产的可持续发展提供了技术支持。