采用带中间再沸器和热集成的新型萃取侧线精馏技术可持续回收环己烷/甲醇/正丙醇混合物：多目标优化与环境影响评估

《Process Safety and Environmental Protection》：Sustainable recovery of the cyclohexane/methanol/n-propanol mixture via novel extractive side-stream distillation with intermediate reboiler and heat integration: Multi?objective optimization and environmental assessment

　　

# 摘要

针对环己烷/甲醇/正丙醇三元混合物的分离，首次提出了两种新型带中间再沸器的萃取侧流精馏构型（ESD-IR和N-ESD-IR）。在ESD-IR构型中，创新性地引入中间再沸器，使得部分中压蒸汽可被低压蒸汽所替代。N-ESD-IR构型创新性地从塔底抽出一部分萃取剂/正丙醇混合物，而非高纯度萃取剂，使整塔仅使用低压蒸汽即可运行。此外，中间再沸器的存在为热集成创造了有价值的机会，因此进一步开发了热集成构型。本工作的关键创新在于对热集成构型进行了优化。在优化过程中，将三种热匹配工况进行了分类，每种工况均在多目标循环中计算，从而确保识别全局最优方案，而非受限于单一假设模式。与萃取侧流精馏构型相比，热集成辅助的N-ESD-IR构型整体表现最佳，总年费用降低17.84%，总熵产生降低31.41%，二氧化碳排放降低28.61%。

## 引言

环己烷（CHX）、甲醇（MET）和正丙醇（NPA）是广泛使用的工业化学品。CHX通常作为橡胶和树脂加工的有机溶剂，以及沥青的有效萃取剂（Wang等，2024）。MET作为基本的C1构建块，在石化合成、制药和替代燃料领域有广泛应用（Feng等，2025）。NPA作为化学中间体和溶剂，广泛用于制药、香料和塑料行业（Wang等，2023）。因此，从工业废水中回收这些有价值的有机物对于环境保护和资源可持续性至关重要。然而，在常压下，CHX、MET和NPA形成CHX/MET和CHX/NPA二元共沸物（Andrade和Iglesias，2015；Miyano和Hayduk，1993），使得通过常规精馏获得高纯度产品变得困难。最近，Yang等研究了使用萃取侧流精馏和萃取分壁塔构型分离CHX/MET/NPA混合物。其结果表明，创新的萃取侧流精馏构型整体表现最佳，与常规直接萃取精馏构型相比，总年费用（TAC）、总熵产生（TEG）和二氧化碳排放分别降低了4.54%、4.88%和5.02%。然而，其能效和经济性能仍需进一步改进（Yang等，2026）。

为分离此类共沸混合物，通常采用特殊精馏技术，包括变压精馏（Mu?oz等，2006；Pan等，2025a）、萃取精馏（ED）（Wang等，2022；Zhang等，2025c）、共沸精馏（Leng等，2025；Lyu等，2025）和反应精馏（Arpornwichanop等，2009；Teh等，2026）。其中，ED因其能实现高纯度分离而在工业实践中被广泛采用，但其高能耗仍是一个持续存在的挑战。近年来，已探索了分壁塔（Flores-Flores等，2025；Zhang等，2021）和萃取侧流精馏（ESD）（Sun等，2024；Zhang等，2025b）等强化构型，以提高ED过程的能效。特别是，ESD可有效减少再混合效应并降低能耗。在ESD过程中，从萃取侧流精馏塔（ESDC）提取侧流，同时在塔底获得高纯度萃取剂。Sun等的研究表明，在分离乙醇/乙腈/水体系时，提出的三种ESD构型中，第一种在ESDC塔底抽出高纯度萃取剂的构型经济和环境性能最佳，与ED构型相比TAC降低19.21%，二氧化碳排放降低16.80%（Sun等，2023）。对于四氢呋喃/水/NPA体系，Zhai等提出了三种在ESDC塔底抽出高纯度萃取剂的ESD构型，第二种构型表现最佳，与ED构型相比TAC和二氧化碳排放分别降低9.4%和10.32%（Zhai等，2026）。然而，ESD构型并不总能带来经济效益，一些研究揭示了其固有的局限性。Wang等报道了一种分离正己烷/氯仿/丙酮的ESD构型TAC增加了9.6%，主要原因是ESDC塔底抽出的高纯度萃取剂导致温度升高，使得ESDC塔底再沸器需要使用昂贵的高压蒸汽（Wang等，2021）。Liu等提出了四种旨在分离乙酸/环己酮/水的ESD构型，其关键区别在于从ESDC塔底抽出的是含萃取剂的二元混合物还是高纯度萃取剂。其中，回收二元混合物的构型整体表现最佳，与ED构型相比TAC降低6.6%，二氧化碳排放降低11.9%（Liu等，2022）。这表明从ESDC塔底抽出二元混合物可能是一种更有效的策略。然而，此类构型仍鲜有研究。

中间再沸器（IR）是另一种可行的方法，由于其经济和节能效益，已被广泛应用于精馏过程中。Xu等将IR引入ESD构型以回收苯和异丙醇，实现了18.54%的TAC、25.18%的TEG和15.08%的二氧化碳排放降低，因为昂贵的高压蒸汽被部分替换为低压蒸汽（Xu等，2025）。Zhang等引入了一种IR，其运行阶段温度仅为67.88 °C，远低于塔底温度，为后续热集成提供了机会（Zhang等，2026）。Kiran和Jana进一步表明，多个中间再沸器可以改善沿塔的能量分布（Kiran和Jana，2016）。然而，IR在ESD构型中的应用很少被报道，且尚无研究涉及CHX/MET/NPA体系。

热集成被认为是一种有效的节能方法，已被广泛应用于萃取精馏构型中（Sun等，2026）。Zhang等的研究将热集成应用于ED构型，以分离水/甲醇/四氢呋喃体系。在该构型中，萃取剂回收塔的塔底流为ED塔再沸器供热，使TAC降低23.23%，二氧化碳排放降低26.24%（Zhang等，2025a）。类似地，Pan等探索了将热集成纳入萃取分壁塔构型的多种方案。这些发现表明，所有热集成方案均优于ED构型。其中，改善最显著的方案使TAC、TEG和二氧化碳排放分别降低32.40%、62.23%和57.84%（Pan等，2025b）。Duan等将热集成应用于分离乙醇/MET/水混合物的ESD构型，其中萃取剂回收塔顶蒸汽直接为轻组分分离塔再沸器供热（Duan等，2026）。然而，在其工作中，热集成构型在实施热集成后未进行重新优化。关键操作变量的变化，如理论板数和回流比，会显著影响构型的整体能耗、TAC和二氧化碳排放。因此，对热集成方案进行重新优化是准确评估其性能的必要条件，但迄今为止，文献中尚无报道进行此类优化的研究。

在本工作中，CHX/MET/NPA体系的一个显著特征是：尽管存在两个二元共沸物（CHX/MET和CHX/NPA），但引入DMSO可使CHX作为单个萃取精馏塔的塔顶产品被回收。剩余的MET/NPA混合物表现非共沸特性，可随后由常规精馏塔处理。利用这一特征，开发了两种带中间再沸器的萃取侧流精馏构型（ESD-IR和N-ESD-IR）。在ESD-IR构型中，中间再沸器的引入将部分再沸负荷转移至较低温度阶段，从而可使用低压蒸汽替代昂贵的中压蒸汽。在N-ESD-IR构型中，从带中间再沸器的萃取侧流精馏塔（IESDC）塔底抽出NPA/DMSO混合物而非高纯度DMSO，从而降低塔底温度，使整塔仅使用低压蒸汽即可运行。此外，IR的存在为热集成创造了有价值的机会，因此提出了其热集成构型（ESD-IR-HI和N-ESD-IR-HI）。所有构型均通过非支配排序遗传算法-II（NSGA-II）进行多目标优化，以TAC、TEG和二氧化碳排放为目标函数。特别是，在热集成构型的优化过程中，考虑了三种情况，具体取决于萃取剂回收精馏塔顶流出物（QC3）可用潜热与IESDC的IR所需负荷（QIR）之间的匹配：QC3 = QIR、QC3 > QIR和QC3 < QIR。每种情况均在多目标循环中计算。最后，对四种构型进行了全面的对比分析，涵盖能效、经济成本、环境影响和热力学性能。

## 方法

图1概述了本研究中分离CHX/MET/NPA三元混合物所采用的总体方案。主要步骤总结如下：

（1）引入两种包含IR的ESD构型（ESD-IR和N-ESD-IR）。ESD-IR构型从IESDC塔底获得高纯度DMSO，而N-ESD-IR构型从塔底获得DMSO/NPA混合物。

（2）开发了两种热集成构型（ESD-IR-HI和N-ESD-IR-HI）。

（3）所有构型均经过概念设计和构型优化……

在Yang等（Yang等，2026）的工作中，引入了萃取侧流精馏构型（ESD）和创新萃取侧流精馏构型（I-ESD），以使用DMSO作为萃取剂分离CHX/MET/NPA三元混合物。每种构型包含三座塔：ESDC、MET回收塔和萃取剂回收塔，CHX、MET和NPA分别作为塔顶产品被回收。含MET/NPA/DMSO混合物的侧流被提取……

## 经济评估

图19比较了六种构型的TAC、AOC和ACC。数据表明，与ESD构型（Yang等，2026）相比，ESD-IR方案的TAC降低了1.52%。这主要是因为该构型允许IR使用低压蒸汽运行，从而减少了IESDC塔底再沸器对成本更高的中压蒸汽的消耗。具体而言，N-ESD-IR构型的TAC相对于ESD构型降低了2.63%。这是由于……

## 结论

以DMSO为萃取剂，CHX/MET和CHX/NPA共沸物均被打破，使CHX可直接从单个萃取精馏塔回收。此外，剩余的MET/NPA二元混合物为非共沸物。利用这一独特特征，提出了ESD-IR、N-ESD-IR、ESD-IR-HI和N-ESD-IR-HI。所有构型均通过NSGA-II算法进行优化，以TAC、TEG和二氧化碳排放为三个目标函数，且……

## CRediT作者贡献声明

赵宇辰：资源提供。杨爽：论文审阅与编辑、论文初稿撰写、可视化、验证、方法论、数据管理、概念化。杨谦：验证。李金龙：资金获取。叶青：论文审阅与编辑、监督、方法论。

## 利益冲突声明

我们声明，我们没有任何商业或关联利益构成本次提交工作的利益冲突。

## 致谢

本工作得到了国家自然科学基金的资助（项目编号：22178030、21878025、22078026）。

## 利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本文所报告工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。

杨爽 | 赵宇辰 | 李金龙 | 杨谦 | 叶青