《Process Safety and Environmental Protection》：Process design, exergy analysis, and multi-objective optimization of a coupled triethylene glycol dehydration and gradient condensation process for sustainable DMF recovery from synthetic leather exhaust gas with inherent safety considerations
编辑推荐：
•"先脱水后冷凝"的工艺路线取代了水吸收，消除了潜热损失和DMF水解问题。•采用TEG脱水并配合汽提，可实现99.98 wt%的精纯度，在-35 °C下实现无结冰冷凝。•三级梯度冷凝结合级联冷能回收，可实现50.1%的节能效果。•环境成本内部化改变了TAC-回收的
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"先脱水后冷凝"的工艺路线取代了水吸收，消除了潜热损失和DMF水解问题。
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采用TEG脱水并配合汽提，可实现99.98 wt%的精纯度，在-35 °C下实现无结冰冷凝。
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三级梯度冷凝结合级联冷能回收，可实现50.1%的节能效果。
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环境成本内部化改变了TAC-回收的权衡关系，全局最优解在99%的回收率处。
引言
在工业化加速的背景下，挥发性有机化合物（VOCs）排放造成的复合型空气污染日益严重（Zhang等，2025a；You等，2025）。由于VOCs具有毒性，并且是PM2.5（空气动力学直径≤2.5 μm的颗粒物）和臭氧（O3）的前体物，对生态环境和公众健康构成持续威胁（Dai等，2022；Yang等，2023；Wang等，2023a）。在众多VOCs排放源中，合成革行业由于生产过程中大量使用有机溶剂，已成为重点监管对象（Wang等，2023b）。中国是全球最大的合成革生产和消费国，预计2025年人造革和合成革的产量将达到54.2亿平方米（Jin等，2022）。然而，生产过程中排放的含有N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、甲苯等高浓度有机废气的大量排放，不仅造成了严重的资源浪费，还对环境和公众健康构成持续威胁（Chang和Lin，2006；Wang等，2014）。因此，开发高效、低能耗、环境友好的DMF回收技术，对合成革行业的绿色低碳转型具有重要的现实意义。
在合成革的干法生产过程中，聚氨酯树脂浆料中的DMF、甲苯、甲乙酮（MEK）等有机溶剂在烤箱中加热时大量挥发，产生温度约为70-150 °C且含水率高的工业废气（Oleksińska-Merida等，2026；Xu等，2026）。目前，DMF回收的主流工业技术是水吸收-精馏耦合多级工艺，其中废气中的DMF由水喷淋吸收，所得低浓度吸收液再送入精馏塔进行回收。虽然该路线能达到较高的吸收效率，但存在显著缺陷：精馏过程需要消耗大量蒸汽以克服水的汽化潜热，导致能耗持续偏高。此外，DMF在高温下容易发生水解，生成甲酸和二甲胺，造成设备腐蚀、产品纯度降低以及含胺废水等二次污染（Xia等，2024；Wang等，2026）。
为解决上述问题，研究人员尝试通过多效精馏、热泵精馏、萃取和膜分离等方法降低能耗或替代热分离，但这些方法均未完全消除水作为吸收介质带来的高潜热负担。另一方面，冷凝作为一种直接回收技术，具有产品纯度高、无二次污染、工艺流程简单等优势，在油气回收领域已得到广泛应用。然而，在应用于合成革废气处理时，冷凝面临两大技术瓶颈：废气中的水蒸气在低温冷凝过程中结冰，导致换热器堵塞；同时，在深冷条件下制冷系统的能耗急剧增加。
近年来，针对石油和天然气行业，研究人员提出了多级冷凝或耦合脱水等方法。例如，Shi等（Shi和Huang，2014）开发了一套用于工业汽油蒸气回收的三级冷凝系统，冷凝温度分别优化为1 °C、-40 °C和-110 °C，结果表明三级工艺的冷却负荷低于单级工艺。Wang等（Wang等，2024）集成了多级预冷系统，形成了多级油气回收技术，解决了传统吸附和喷淋式油气回收工艺在夏季无法达到满意回收效率的问题。Liang等（Liang等，2018）设计了一种双通道、可切换的蒸发器，一个单元运行、一个单元备用，结合多级循环提供三个冷却阶段，将汽油蒸气从环境温度冷却至约-70 °C，同时实现了接近55.4%的除霜效率，实现了高效汽油蒸气回收。Jiang等（Jiang等，2024）针对原油储运过程中含有轻烃和氮气的非共沸VOCs回收问题，提出了一种分级冷凝回收系统，将两级级联制冷循环与低温氮气膨胀制冷相结合，明确了在-75 °C回收重烃、在-160 °C高效回收剩余轻烃的策略。然而，对于合成革行业，针对特定的DMF-水-空气体系，系统的热力学建模、深冷能量的级联利用以及多目标经济-环境优化研究尚不充分，使得干法工艺冷凝路线在合成革领域缺乏理论工程基础。
为突破上述瓶颈，提出并研究了一种耦合TEG脱水、梯度冷凝和冷能回收的集成工艺。其核心思路如下：首先，采用TEG吸收对合成革生产中湿气含量高的废气进行深度脱水，将干气的露点降至-40 °C以下，从根本上消除后续深冷凝结过程中的结冰风险。其次，采用三级梯度冷凝（35 °C预冷→-5 °C第二级→-35 °C第三级），逐级回收DMF及其他有机化合物。最后，将第三级冷凝后低温不凝气体携带的冷能以级联方式回收，用于冷却进料，实现系统内冷量的高效匹配。与传统水吸收-精馏工艺相比，所提方案通过直接物理分离避免了水蒸发和DMF水解问题；通过TEG脱水解决了结冰问题，并通过梯度冷凝和冷能回收大幅降低了?损失和制冷能耗，相比单级深冷凝结有明显改进。此外，该工艺采用R290（丙烷）作为环保制冷剂，具有低全球变暖潜能值（GWP ≈ 20）和优异的热力学性能，符合碳达峰和碳中和目标下的低碳技术导向（Im等，2025；Zhao等，2025）。
章节摘要
工艺描述
整体工艺由四个子模块组成：TEG脱水、合成革废气预处理、三级梯度冷凝耦合冷能回收以及制冷系统，如图1所示。
TEG脱水模块（图中橙色标示）主要包括吸收段和再生段。吸收段负责去除湿气体中的水分，从而降低其露点，再生段则完成
理想冷凝工艺与优化
首先在水分不存在条件下建立了DMF冷凝回收过程的模型。选择R290作为制冷循环的工质，对单级冷凝工艺和三级冷凝工艺进行了对比分析。在单级冷凝工艺中，高温废气直接进入单台冷凝器，由深冷制冷机组一步冷却至目标回收温度。在三级
结论
提出了一种"先脱水后冷凝"的策略，用于从湿气含量高的合成革废气中回收N,N-二甲基甲酰胺（DMF）。其中，三甘醇（TEG）深度脱水将水的露点降至最低操作温度以下，从而消除了限制深冷凝结的结冰约束，同时避免了传统水吸收-精馏工艺固有的潜热损失和DMF水解问题。通过TEG脱水与
CRediT作者贡献声明
李小利：验证、形式分析、概念化。王红霞：撰写—初稿、验证、软件、方法学、形式分析、概念化。陈青川：软件、方法学。于云松：撰写—审阅与编辑、调查研究。吴震：软件、方法学、概念化。吴小梅：验证、调查研究、概念化。张早晓：撰写—审阅与编辑、监督、项目管理、经费获取。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢国家自然科学基金（批准号：52376208和52576169）、中国博士后科学基金（2024M762592）和陕西省青年科学基金（2025JC YBQN-603）的支持。
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