通过萃取蒸馏从有机废物流中可持续回收含有两种共沸物的三元混合物：过程强化与环境评估

《Process Safety and Environmental Protection》：Sustainable recovery of a ternary mixture with two azeotropes from organic waste streams via extractive distillation: Intensification and environmental evaluation

本文研究DMSO作为溶剂分离环己烷/甲醇/正丙醇三元混合物，对比两种传统和三种强化萃取蒸馏流程，通过NSGA-II多目标优化，目标为总年成本、CO?排放和总熵产。结果表明强化流程更优，创新侧流萃取蒸馏（I-ESD）相比最优传统流程，总年成本降低4.54%，CO?排放减少5.02%，总熵产降低4.88%。

　　

双阳|赵宇辰|李金龙|钱阳|叶青

中国江苏省常州市常州大学石化工程学院先进催化材料与技术重点实验室，邮编213164

摘要

本文研究了使用二甲基亚砜（DMSO）作为溶剂，通过两种传统的萃取蒸馏配置和三种强化配置，分离含有三种组分（环己烷、甲醇和正丙醇）的混合物以及其中两个二元共沸物。为了对比评估这五种配置，采用基于遗传算法的多目标优化方法。优化目标包括总年成本（TAC）、二氧化碳（CO?）排放量和总熵产生量（TEP）。研究结果表明，三种强化配置的性能优于传统配置。其中，萃取式隔壁塔配置有效减少了甲醇在气相中的混合，使得TAC降低了3.44%、CO?排放量降低了3.32%、TEP降低了2.96%。在所有配置中，创新的萃取侧流蒸馏配置（I-ESD）表现最佳。在I-ESD配置中，从萃取侧流蒸馏塔底部收集到的是DMSO与正丙醇的混合物，而不仅仅是纯DMSO，这不仅有效减少了液相混合，还降低了再沸器温度。因此，与最佳的传统配置相比，I-ESD配置使TAC降低了4.54%、CO?排放量降低了5.02%、TEP降低了4.88%。

引言

环己烷（CYH）、甲醇（MeOH）和正丙醇（NPA）是工业上广泛使用的化学品。环己烷通过苯的氢化工业生产，既可用作溶剂，也可用于尼龙、树脂和塑料的合成（Abu Laban等人，2025年）。甲醇作为一种关键的工业化学品和能源载体，广泛应用于塑料、燃料和合成纤维的生产，在化工行业、能源领域和低碳转型中发挥着重要作用（Pacchioni，2024年）。正丙醇是一种重要的化学物质，常用于药物合成、燃料添加剂和化学中间体（Xue等人，2025年）。Miyano和Hayduk证明了在常压下甲醇和环己烷系统会形成最低沸点共沸物（Miyano和Hayduk，1993年）。Liu等人研究了使用离子液体萃取剂分离环己烷和正丙醇的情况，证实了在常压下存在环己烷和正丙醇的共沸混合物（Liu等人，2025年）。由于这些共沸物的存在，传统的蒸馏方法无法分离CYH/MeOH/NPA混合物。目前，可以通过特定的蒸馏技术来分离共沸或接近沸点的混合物，包括变压蒸馏（Deng等人，2025年；Zhu等人，2023年）、共沸蒸馏（Cheng等人，2025年；Leng等人，2025年）和萃取蒸馏（ED）（Fan等人，2026年；Gai等人，2018年；Sun等人，2026年；Wang等人，2025年）。其中，ED是一种适合分离CYH、MeOH和NPA三元混合物的方法。

ED因其操作简单高效而被广泛用于三元混合物的分离。Zhai等人使用三柱ED配置成功分离了含有两个二元共沸物的四氢呋喃/正丙醇/水三元混合物（Zhai等人，2026年）。Sun等人使用三柱ED配置成功分离了含有两个二元共沸物的乙腈/乙醇/水混合物，取得了更好的经济性能并减少了环境影响（Sun等人，2020年）。然而，ED配置中的混合现象导致能量效率较低。

隔壁塔（DWC）是一种实用的技术，可以减少混合现象，值得注意的是该技术已在工业中得到成功应用（Li等人，2020年；Staak和Grützner，2017年）。它可用于萃取蒸馏，同时提高能量效率和经济效益。Rui等人设计了一种带有隔壁塔的直接ED配置（DED-DWC）来分离含有两个二元共沸物的1,4-二氧环己烷/异丙醇/水三元混合物。结果表明，与直接ED配置相比，DED-DWC配置的总年成本（TAC）降低了8.06%（Rui等人，2023年）。Kong等人使用两个单隔壁萃取蒸馏塔（ESPDWC-1和ESPDWC-2）分离了四氢呋喃/水/异丙醇三元共沸系统，结果显示与三柱ED配置相比，ESPDWC-1和ESPDWC-2的TAC分别降低了7.93%和4.32%（Kong等人，2024年）。Li等人设计了三种萃取隔壁塔（EDWC）配置来分离异丙醇、苯和水的三元混合物，发现与传统的ED配置相比，第三种EDWC配置在经济效益和环境性能方面表现最佳（Li等人，2021年）。尽管这些配置在各种三元混合物分离中取得了成功应用，但尚未有研究将EDWC应用于CYH/MeOH/NPA三元混合物的分离。

萃取侧流蒸馏（ESD）配置也是一种有效的方法，可以抑制分离过程中中间组分的混合现象。ESD已成为该领域的一个有前景的技术和研究焦点（Wang等人，2022年；Xu等人，2022年）。在ESD配置设计中，从塔顶抽取一个侧流，并从萃取侧流蒸馏塔（ESDC）底部回收高纯度的溶剂。Li等人使用ESD配置分离了含有四个共沸物的乙醇/丁酮/水三元混合物，结果表明与三柱ED配置相比，CO?排放量和TAC分别降低了14.20%和3.11%（Li等人，2025年）。Xu等人提出了针对乙酸乙酯/正己烷/乙腈混合物分离的ESD配置，在ESDC底部获得了高纯度的溶剂，结果表明与传统ED配置相比，TAC、总能耗（TEC）和总熵产生量（TEP）分别降低了2.88%、4.88%和13.32%（Xu等人，2024年）。然而，一些研究表明ESD配置存在固有局限性，并不总能降低总年成本。Kong等人设计了用于分离四氢呋喃/乙醇混合物的ESD配置，他们的研究发现ESD配置并未节省能源，与传统的ED配置相比，TAC增加了16.5%，TEC增加了6.24%（Kong等人，2022年）。主要原因是在ESDC底部获得的高纯度溶剂导致底部温度升高，从而使得ESDC的底部再沸器需要依赖昂贵的高压蒸汽来满足热需求，进而增加了TAC。

为了解决这些问题，学者们探索了不同的方法从ESDC底部回收混合物，以降低底部温度。Liu等人设计了一种ESD配置来分离乙酸、水和环己酮的三元共沸混合物，在ESDC底部获得了环己烷/N-甲基乙酰胺的二元混合物，结果表明与最佳的传统ED配置相比，ESD配置的TAC和CO?排放量分别降低了6.6%和11.9%（Liu等人，2022年）。Zhang等人设计了一种ESD配置来分离乙酸乙酯/甲醇/水的三元共沸系统，在ESDC底部获得了二甲基亚砜（DMSO）/水的混合物，结果表明与传统ED配置相比，TAC、CO?排放量和TEP分别降低了4.73%、10.99%和11.69%（Zhang等人，2026年）。Wang等人设计了五种ESD配置来分离含有三个二元共沸物的乙腈/水/异丙醇混合物。在第一个ESD配置中，从ESDC底部获得了异丙醇/水/乙二醇的三元混合物；然而，这并没有降低TAC。在第四个ESD配置中，从ESDC底部获得了水/乙二醇的二元混合物，使得TAC相比ED配置降低了1.16%（Wang等人，2024年）。尽管ESD配置对系统只有轻微的改进，但它为开发更高效和节能的ESD配置提供了新的思路。目前，关于从ESDC底部获取二元混合物的ESD配置的研究仍然有限，而且尚未有研究将ESD配置应用于CYH/MeOH/NPA三元混合物的分离。

在本研究中，CYH/MeOH/NPA系统表现出独特的分离特性。尽管存在两个二元共沸物（CYH/MeOH和CYH/NPA），但在加入DMSO后，可以通过萃取蒸馏塔（EDC）从塔顶获得纯度较高的环己烷。剩余的含有MeOH和NPA的混合物不具有共沸行为，可以使用标准蒸馏塔进行分离。基于这一特性，提出了两种ED配置：萃取式隔壁塔配置（EDWC-SRC）、萃取侧流蒸馏配置（ESD）和创新的萃取侧流蒸馏配置（I-ESD）。所有流程均采用非支配排序遗传算法-II（NSGA-II）方法进行优化，将TAC、CO?排放量和TEP作为多目标。随后，从能量使用、成本、环境影响和热力学效率等方面对这五种配置进行了比较和评估。

方法

图1展示了本研究的整体策略框架，主要包括以下步骤：

• (1)
  热力学分析：使用Aspen Plus中的非随机两相（NRTL）模型分析CYH/MeOH/NPA系统的共沸行为。
• (2)
  工艺概念设计：设计了两种传统的ED配置和三种强化配置（EDWC-SRC、ESD和I-ESD）。
• (3)
  过程优化：使用NSGA-II进行多目标优化。

工艺设计与优化

本研究专注于使用DMSO作为溶剂分离三种组分的混合物（40.00 mol% CYH、30.00 mol% MeOH和30.00 mol% NPA）。进料流量固定为100 kmol/h，目标是从混合物中回收纯度为99.9%的CYH、MeOH和NPA，以及纯度不低于99.99%的DMSO。

经济分析

在化学工艺评估中，成本效益起着重要作用。图22提供了五种配置的TCC、TOC和TAC的比较分析。结果表明，直接分离序列优于间接分离序列，因为DCED配置在TAC方面具有优势，降低了8.78%。与DCED配置相比，三种强化配置（EDWC-SRC、ESD和I-ESD）分别降低了...

结论

尽管甲醇/环己烷/正丙醇三元系统目前没有特定的工业应用，但它表现出特殊的特性。添加DMSO作为有效溶剂破坏了CYH/MeOH和CYH/NPA的共沸现象，使得CYH可以通过一个萃取蒸馏塔直接回收。随后，不形成共沸物的剩余MeOH/NPA混合物可以使用传统蒸馏塔有效分离。本研究...

术语表

CYH
环己烷
MeOH
甲醇
NPA
正丙醇
DMSO
二甲基亚砜
DMF
N,N-二甲基甲酰胺
NMP
N-甲基吡咯烷酮
DMAC
二甲乙酰胺
EG
乙二醇
ED
萃取蒸馏
ICED
间接传统萃取蒸馏配置
DCED
直接传统萃取蒸馏配置
EDWC-SRC
萃取式隔壁塔配置
ESD

萃取侧流蒸馏配置

I-ESD

创新萃取侧流蒸馏配置

EDC

萃取蒸馏塔

MRC

CRediT作者贡献声明

李金龙：资源提供。

赵宇辰：形式分析。 双阳：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、方法论、研究、形式分析、数据整理、概念化。 叶青：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源提供、方法论、资金获取、概念化。

钱阳：

验证。

利益冲突声明

我们声明与所提交的工作没有任何商业或关联利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：22178030、21878025、22078026）的支持。