从生物质到苯乙烯：一条可持续生产路径的建模与模拟及其能源效率优化策略

为解决传统苯乙烯生产依赖化石原料、高能耗及环境不友好的问题，研究人员开展了以生物质为原料经生物乙醇、生物乙烯、生物乙苯路径合成生物基苯乙烯的工艺建模与模拟研究。结果表明，该路线可生产纯度达99.96%的聚合物级苯乙烯，每吨产品需2.4吨木质纤维素生物质，并通过共沸蒸馏和热能回收将生物乙醇步骤热耗从9.40 MWh/t降至1.61 MWh/t，显著提升能源效率，为可持续化工生产提供了绿色替代方案。

　　

在全球塑料工业中，苯乙烯（Styrene）是一种至关重要的单体，广泛应用于聚苯乙烯（Polystyrene, PS）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile–Butadiene–Styrene copolymer, ABS）等多种高分子材料的合成。然而，传统的苯乙烯生产严重依赖石油衍生的乙烯和苯作为原料，不仅消耗不可再生的化石资源，还伴随着大量的温室气体排放和高能耗问题。随着化石燃料储量的日益枯竭和全球对碳排放控制的迫切需求，开发一条可持续、低碳的苯乙烯生产路径已成为化工行业转型的关键挑战之一。

在此背景下，利用可再生生物质资源生产生物基苯乙烯（bio-styrene）被视为一种极具潜力的替代方案。生物质原料来源广泛，包括农业残余物、锯屑和森林废弃物等，其利用不仅可减少对化石资源的依赖，还能有效降低碳足迹。尽管已有研究探索了若干生物基苯乙烯的合成路线，如以L-苯丙氨酸为底物的生物转化路径，但其产率较低，难以满足工业化生产的需求。因此，开发一条高效、节能且可放大的生物质到苯乙烯的完整工艺路径，具有重要的科学意义和工业价值。

为了回应这一挑战，Letitia Petrescu、Dorina-Daniela Talos和Stefan Cristian Galusnyak在《Biomass and Bioenergy》上发表了一项研究，通过过程建模与模拟，系统评估了一条由生物质经生物乙醇、生物乙烯、生物乙苯最终生产生物苯乙烯的四步可持续路径。该研究不仅详细设计了各步骤的工艺流程，还通过能量集成和工艺优化显著降低了整体能耗，为生物基苯乙烯的工业化生产提供了技术可行性和理论依据。

研究人员采用CHEMCAD软件（版本7.1.2）进行流程模拟，主要技术方法包括：基于非随机两液体（Non-random two-liquid, NRTL）和通用拟化学官能团活度系数（Universal quasi-chemical Functional-group Activity Coefficients, UNIFAC）等热力学模型；针对生物质到生物乙醇的转化，采用了预处理、水解和发酵的生化转化过程，并使用闪蒸、洗涤和蒸馏进行分离；在生物乙醇脱水制生物乙烯中，采用了Syndol催化剂和固定床反应器，结合多级压缩、冷却和低温蒸馏纯化聚合物级乙烯；生物乙烯与苯烷基化制生物乙苯使用了ZSM-5沸石催化剂，并通过反应与分离集成设计；生物乙苯脱氢制生物苯乙烯则模拟了多床层绝热反应器，并利用蒸汽回收实现能量优化。此外，研究特别引入了以正戊烷（n-pentane）为夹带剂的共沸蒸馏（Azeotropic Distillation, AD）技术，以高效分离乙醇-水共沸混合物，大幅降低热耗。

研究结果部分通过多个表格和流程图示详细展示了各阶段的物料流、能量消耗和产品纯度。

在生物乙醇合成阶段，以玉米作物残余为原料，通过水解和发酵，最终得到纯度为92.38%的生物乙醇，流量为7253.54 kg/h。该步骤是最大的热能消耗环节，热耗达9.40 MWh/t_bio-styrene，占总热耗的85%以上，其中蒸馏分离乙醇-水混合物是主要能耗来源。

生物乙烯合成阶段采用乙醇催化脱水，乙烯转化率达97%，选择性为99%，产品纯度高达99.99%。这一步骤的电耗较高，为36.83 kWh/t_bio-styrene，主要来自气体压缩过程。

生物乙苯合成通过乙烯与苯的烷基化反应完成，使用过量苯以提高乙苯产率，最终得到纯度超过99%的乙苯，流量为13052.17 kg/h。反应热通过中间冷却器有效控制，避免了温度过高导致的催化剂失活。

生物苯乙烯合成通过乙苯催化脱氢实现，在504°C下反应，苯乙烯产率为99.96%，完全满足聚合物级纯度要求。此阶段通过回收反应产生的蒸汽，用于预热进料和驱动分离过程，节约了0.5 MWh/t_bio-styrene的热能。

关键优化措施中，共沸蒸馏技术的应用成效显著。以正戊烷为夹带剂，乙醇-水混合物的分离热耗从9.40 MWh/t_bio-styrene降至1.61 MWh/t_bio-styrene，降幅达83%，证明了该技术在降低能耗方面的巨大潜力。

整个流程的总能耗为电能109.98 kWh/t_bio-styrene和热能11.03 MWh/t_bio-styrene，其中生物乙醇步骤是能耗集中的主要环节。通过工艺改进和能量集成，研究实现了每吨生物苯乙烯需2.4吨木质纤维素生物料的原料消耗，并副产氢气、甲苯和二氧化碳（CO₂）。后者可通过碳捕获与利用（Carbon Capture and Utilization, CCU）技术转化为高附加值化学品，进一步强化过程的环保性和经济性。

研究结论表明，这条以生物质为源头的苯乙烯生产路径不仅在技术上是可行的，而且能显著降低对化石资源的依赖和环境影响。共沸蒸馏和热能回收的策略极大提升了能源效率，使生物基苯乙烯生产更具可持续性。未来研究应聚焦于该路径的经济性分析和全生命周期评估，并探索与其他可再生能源（如绿氢）的整合，以进一步推动其工业化应用。此外，开发更低成本的生物质资源和优化催化剂性能也是实现大规模生产的关键。这项研究为化工行业提供了一条绿色转型的具体路径，对实现低碳经济和可持续发展目标具有重要意义。