萃取精馏的纯度依赖型经济及能源性能与热泵节能潜力

《Process Safety and Environmental Protection》：Purity-Dependent Economic and Energy Performance and Heat Pump Energy-Saving Potential of Extractive Distillation

　　

# 摘要

萃取精馏过程的设计与优化涉及产品纯度、过程经济学和能耗之间复杂的权衡取舍。现有研究主要集中在单一纯度水平下的过程优化。然而，产品纯度要求逐步提高时经济与能耗的响应，以及热泵在这些条件下的节能性能，仍缺乏充分的阐明。本研究利用遗传算法，对乙酸乙酯(EA)/乙酸甲酯(MA)/甲醇(MeOH)三元共沸萃取精馏系统在四种不同的MA产品纯度规格（90、99、99.9和99.95 mol%）下进行了经济性优化分析。随后，引入蒸汽再压缩热泵（VRHP）技术进行节能改造。结果表明，在最高的MA纯度规格（99.95 mol%）下，总年成本（TAC）显著增加，三个塔的成本均有所上升，尤其是集成精馏塔（IDC）；而EDC灵敏度分析表明，理论板数对MA纯度的影响强烈依赖于回流比。在研究的纯度范围内，TAC从1.87×10? $/年增长至2.26×10? $/年。引入VRHP后，TAC降低了2.4×10?–3.6×10? $/年，能耗减少了18.7%–20.3%。

# 引言

在工业过程中，乙酸甲酯（MA）、乙酸乙酯（EA）和甲醇（MeOH）可能在混合物流中共存并形成三元共沸体系，使其分离与回收具有挑战性。这些组分是有价值的有机溶剂和化学中间体，广泛应用于涂料、胶粘剂、制药及相关化工领域（Wu和Li，2023）。其中，MA通常通过醋酸与MeOH的酯化反应合成（Petrescu和Mica，2025），同时也是聚乙烯醇生产过程中大量产生的副产物（Wang等，2021）。此外，在通过MA加氢生产乙醇的过程中，MA常作为原料或中间体存在，经常形成由MA、EA、MeOH组成的三元共沸混合物（Jing等，2025）。传统精馏难以打破共沸平衡，从而阻碍了MA产品的经济有效分离。

为解决共沸体系的分离难题，开发了多种分离技术，包括变压精馏、膜分离和萃取精馏。其中，萃取精馏（ED）因其加入萃取剂可改变各组分的相对挥发度并促进分离，被广泛应用于共沸分离（Ghuge等，2017，Sun等，2019，Hu等，2019）。然而，作为一种高能耗过程（Li等，2022a），ED的节能降耗也一直是持续关注的焦点。Li等（Li等，2024）选择了合适的离子液体作为四氢呋喃/乙醇二元共沸体系的分离溶剂，有效降低了分离过程的成本。Shi等（Shi等，2020）提出了单/双隔壁萃取精馏塔来分离丙酮/MeOH/甲基乙基酮/叔丁醇四元体系，从而减少了设备和能耗的冗余。Kong等（Kong等，2023）将强化侧流萃取精馏与传统ED进行了比较，并建立了强化侧流萃取精馏过程的全面可持续性评估框架。Zhao等（Zhao等，2018）将混合萃取剂策略与热耦合技术相结合，提出了两种热耦合三元萃取精馏工艺。采用二甲亚砜（DMSO）和乙二醇作为混合萃取剂的带侧流精馏塔热耦合配置表现出最佳性能。

作为萃取精馏过程的关键上游单元，预浓缩在提高分离效率、降低能耗和成本以及改善过程稳定性方面发挥着重要作用。通过提前脱除高含量组分，预浓缩可显著增加进料中待分离组分的相对比例，从而缩小萃取精馏塔的规格，减少萃取剂用量，并降低萃取剂再生的能耗需求。先前研究表明了预浓缩在萃取精馏体系中的有效性。Liang等（Liang等，2014）和Wang等（Wang等，2022a）在萃取精馏过程前引入了预浓缩塔，以提高复杂混合物的分离性能。他们的结果表明，预浓缩的应用在不同程度上降低了系统能耗和总年成本（TAC），凸显了其节能潜力和经济优势。然而，预浓缩的优势与整体流程构型密切相关，而非仅取决于单个塔。Hou等（Hou等，2025）提出了一种基于超结构的方法，用于考虑预浓缩的萃取精馏序列合成与优化，强调了系统性序列设计对多组分共沸分离的重要性。Pan等（Pan等，2024）进一步提出了一种基于三元相图热力学分析的快速决策方法，用于确定是否在萃取精馏中采用预浓缩塔。该方法根据预浓缩塔理论塔底产品流量与进料流量的比值来评估预浓缩的必要性。当该比值不低于0.56时，或者当进料组分浓度之间存在显著差异时，带预浓缩的萃取精馏工艺在经济性、环境性和热力学性能方面可优于传统的三塔萃取精馏构型。

此外，引入蒸汽再压缩热泵（VRHP）技术也可有效降低系统的总能耗和TAC。通过使用压缩机将萃取精馏塔（EDC）顶部的低温蒸气升压升温，VRHP将原本应由冷却水带走的冷凝潜热升级，并直接供给塔底再沸器。这使得塔顶废热的有效回收与自利用成为可能，显著减少了外部蒸汽和冷却水资源的消耗。Liu等（Liu等，2023）将双进料预热策略与VRHP技术集成到萃取精馏过程中，实现了能效和经济性的同步改善。Jian等（Jian等，2022）提出了EA/异丙醇/水体系的预浓缩辅助萃取精馏工艺，并进一步引入热集成和VRHP进行过程强化。其最佳VRHP辅助方案与所提出的四塔工艺相比，TAC和能耗分别降低了37.80%和55.43%，证明了VRHP在提高带预浓缩萃取精馏过程经济和能耗性能方面的巨大潜力。Liu等（Liu等，2022）开发了一种热泵辅助反应精馏工艺，以解决环己烯直接水合为环己醇过程中能耗高的问题。在优化压缩机排气压力后，该工艺相比传统工艺实现了58%的能耗降低、62%的CO?排放减少和24%的TAC下降，显著增强了过程的经济可行性和可持续性。Tang等（Tang等，2025）进一步总结了热泵辅助精馏在高能耗分离过程中的应用，该技术可实现20%–60%的节能和10%–30%的成本降低。其综述还强调，热泵辅助精馏为蒸馏系统内低品位热的回收与升级提供了有效途径，从而为节能精馏过程的选型和设计提供了有益指导。

尽管取得了上述进展，现有关于萃取精馏和VRHP的研究主要集中在固定产品纯度规格下的过程优化或节能评估。虽然提高产品纯度通常伴随着更高的分离成本和能耗，但在单一纯度规格下的优化无法揭示最优过程的经济和能耗性能随纯度要求日趋严格的变化规律。特别是，额外的经济惩罚如何在不同过程单元之间分布，其主要与资本投资还是运行能耗相关，以及节能强化措施的有效性如何随产品规格变化，这些方面仍缺乏充分理解。

选择MA纯度作为变量规格，是因为其工业相关性以及其作为EDC塔顶产品的回收特性。更严格的MA纯度要求直接影响EDC中的分离，并可能通过回流物流进一步影响其他塔。因此，本研究在四种MA纯度水平（90、99、99.9和99.95 mol%）下对EA/MA/MeOH体系进行了研究，同时将EA和MeOH纯度约束保持在基准值。99.95 mol%的上限是基于相同优化边界下的初步可行性测试选定的。采用遗传算法对包含集成精馏塔（IDC）的三塔萃取精馏过程——即TCED-IDC过程——在每个纯度规格下进行优化。系统地分析了TAC、总投资成本（TIC）、总运营成本（TOC）、能耗以及各塔经济贡献的变化，以阐明较高MA纯度下额外经济和能耗惩罚的过程级来源。在此基础上，进一步对每个纯度规格下优化后的过程进行VRHP改造评估，以考察其节能性能如何响应MA纯度要求的变化。

## 方法片段

### 方法

本研究聚焦于MA/MeOH/EA体系，采用DMSO作为萃取剂。基于TCED-IDC过程，依次进行了过程模拟、参数优化、不同纯度水平下的经济与能耗比较，以及VRHP节能分析，如图1所示。具体方法和步骤如下：

（1）本研究基于热力学相平衡分析、遗传算法（GA）–Aspen Plus优化以及多指标……

### 带集成精馏塔的三塔萃取精馏过程（TCED-IDC）

对于三元EA/MA/MeOH体系，本课题组Wang等（Wang等，2022a）先前提出了采用DMSO作为萃取剂的TCED-IDC过程，其流程图如图2所示。DMSO沿用于参考工艺，该工艺已通过相对挥发度和相平衡分析确立了其在EA/MA/MeOH体系中的热力学可行性（Wang等，2021，Wang等，2022a）。与参考工艺一致，EA/MA/MeOH/DMSO体系被……

### 热泵可行性分析

为进一步降低TCED-IDC过程的经济成本和总热量（Q_total），将VRHP引入流程。VRHP（Pan等）回收低温蒸气的冷凝潜热，并利用压缩机提高其温度和压力。升级后的蒸气随后用作塔底再沸器的热源，实现过程内部的能量循环利用。性能系数（COP）是设计中最关键的热力学约束指标……

## 结论

本研究系统地考察了TCED-IDC过程在四种MA产品纯度规格（90、99、99.9和99.95 mol%）下的经济和能耗性能，并进一步评估了VRHP集成的节能潜力。结果表明，纯度提升带来的额外经济负担不仅取决于产品回收塔的分离要求，还取决于整体过程容纳这些要求的能力，通过……

## CRediT作者贡献声明

Linlin Liu：撰写—审阅与编辑，方法论。Jian Du：撰写—审阅与编辑，监督。Chao Wang：撰写—审阅与编辑，获取资金，概念化。Yu Zhuang：撰写—审阅与编辑，监督，方法论，获取资金，概念化。Luying Jiao：撰写—原始草稿，软件，方法论。Yiran Guo：可视化，验证，软件。

## 利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文所述工作的内容。

## 致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号：22478057，22408040）和中国博士后科学基金（2023M740489，2025T180320）提供的财政支持。

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