《Chinese Journal of Chemical Engineering》：Multi-objective optimization and techno-economic evaluation of fuel-grade bioethanol separation process based on heat integration and coupled azeotrope-breaking technologies
编辑推荐：
李云杰|李卓斌|赵双|王鹏|刘颖|丁文明|王欢|吴秀华|赵洪康|李群生摘要为克服燃料级生物乙醇纯化过程中的热力学共沸限制和高能耗问题，本研究利用Aspen Plus软件提出了三种工艺强化分离策略并进行了系统评估。所开发的混合工艺包括差压热集成与渗透蒸发结合（DPS-PV）、机械蒸
李云杰|李卓斌|赵双|王鹏|刘颖|丁文明|王欢|吴秀华|赵洪康|李群生
摘要
为克服燃料级生物乙醇纯化过程中的热力学共沸限制和高能耗问题，本研究利用Aspen Plus软件提出了三种工艺强化分离策略并进行了系统评估。所开发的混合工艺包括差压热集成与渗透蒸发结合（DPS-PV）、机械蒸汽再压缩与渗透蒸发结合（MVR-PV）以及差压热集成与分子筛吸附结合（DPS-MSA）。研究通过多目标参数优化以及多维度技术经济与环境分析，以传统三柱蒸馏工艺作为基准。结果表明，虽然MVR-PV和DPS-PV能够实现深度脱水，但由于压缩机和膜组件的高昂成本，其经济性受到严重制约。而DPS-MSA工艺则将差压热集成与低成本吸附相结合，展现出最佳的综合性能。具体而言，与成本最高的MVR-PV工艺相比，DPS-MSA可使总年度成本降低约44%，相较于传统基准工艺，还可减少47.1%的间接二氧化碳排放。敏感性分析进一步证明了在能源价格波动的情况下，DPS-MSA具有出色的经济稳定性，而DPS-PV则需要将膜成本降低67%以上才能实现盈亏平衡。这项工作为工业生物乙醇生产提供了一种具有高度竞争力、低碳且成本效益高的工程解决方案。
引言
木质纤维素生物乙醇作为一种可替代化石燃料的可再生能源，因其资源丰富且无需面临“食品与燃料”的争议，已成为主流的能源选择[1]、[2]、[3]、[4]。然而，发酵液中的乙醇浓度较低，且乙醇-水体系存在最低沸点共沸物，这使得传统蒸馏工艺能耗极高，往往占生产成本的60%–70%[6]、[7]。
为解决这些难题，工艺强化技术逐渐受到重视。诸如机械蒸汽再压缩和差压蒸馏之类的热集成策略，通过优化热力循环显著降低了对外部能源的依赖[8]。同时，渗透蒸发和分子筛吸附等破除共沸的技术也为蒸馏提供了高选择性的替代方案[9]。尽管各项单独的工艺强化技术已得到深入优化[10]、[11]，但目前仍缺乏针对不同组合方式的系统性技术经济比较——尤其是“热驱动与电驱动”以及“膜技术与吸附技术”之间的对比，这类研究尚不多见[6]、[12]、[13]。如何在实现深度脱水和节能的同时，合理平衡年度投资成本和运营成本，仍是制约生物乙醇技术商业化发展的关键科学问题。
基于此，本文以Aspen Plus工艺模拟平台为基础，构建了一个涵盖全流程模拟、协同优化和技术经济比较的综合性研究框架。以传统三柱蒸馏为基准，系统评估了三种创新的集成工艺：差压热集成与渗透蒸发结合工艺（DPS-PV）[6]、机械蒸汽再压缩与渗透蒸发结合工艺（MVR-PV）[13]，以及差压热集成与分子筛吸附结合工艺（DPS-MSA）[12]。该研究不仅通过多目标参数优化确定了各工艺的技术最优方案，还引入了包含总年度成本和二氧化碳排放量在内的双重评价体系[13]。此外，为克服静态评估的局限性，研究还对能源价格结构和关键设备成本进行了系统性敏感性分析，以验证最优工艺在不同市场环境下的稳定性。本研究旨在为工业燃料级生物乙醇的分离过程找到一种兼具低碳特性和经济竞争力的实用方案。
章节要点
工艺描述与模拟方法
为深入研究燃料级生物乙醇的生产工艺，本节对模拟对象进行了全面分析。在建立模型基础和分析方法的基础上，系统评估了不同工艺路线的优化策略及技术经济性能。
结果与讨论
在完成所有工艺方案的稳态模拟、参数优化及总年度成本计算后，得到了可用于对比分析的完整数据集。本节总结了核心模拟结果，并对基准工艺与三种集成工艺的技术经济性能进行了系统比较。
结论
本研究系统评估了燃料级生物乙醇的分离工艺。结果表明，传统三柱蒸馏工艺受乙醇-水共沸特性的限制，从根本上无法达到燃料级纯度标准，且其高能耗特性凸显出引入工艺强化技术的必要性。相比之下，所提出的三种集成工艺——DPS-MSA、DPS-PV和MVR-PV——均能有效克服这些限制。
CRediT作者贡献说明
王鹏：撰写——审稿与编辑，正式分析。刘颖：资源获取，实验研究。丁文明：资源获取，实验研究。王欢：资源获取，实验研究。李云杰：撰写——初稿撰写，可视化处理，方法设计，实验研究，正式分析，概念构建。李卓斌：可视化处理，实验研究，正式分析。赵双：撰写——审稿与编辑，正式分析。李群生：项目监督，项目管理，资金筹集。吴秀华：资源获取，
利益冲突声明
所有作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究的已知利益冲突或个人关系。
数据可用性
本研究生成或分析的所有数据均包含在本文及其补充信息文件中。
关于稿件准备过程中生成式AI及AI辅助技术的声明
在撰写本文时，作者使用了Gemini工具来优化文本结构并提升其学术表达清晰度，同时严格保持了原文内容，未使用任何AI生成的文字。在使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审阅和修改，并对最终发表文章的内容承担全部责任。
利益声明
? 所有作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究的已知利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金的支持[项目编号：U2267226]。
