通过混合萃取剂的萃取蒸馏技术，设计一种用于从工业废水中高效、清洁地回收叔丁醇和苯的工艺强化技术

《Separation and Purification Technology》：Design of process intensification technology for clean and efficient recovery of tert-butanol and benzene from industrial wastewater via extractive distillation with mixed entrainers

　　抽提蒸馏过程优化与热集成技术研究，针对TEA/苯/水三元共沸体系，通过量子化学计算与相平衡分析确定混合溶剂 entrainer（1,3-PDO和EG），运用多目标优化平衡总年成本与气体排放，热集成技术使气体排放降低22.6%，热泵技术增强能效，Exergy分析验证热集成减少不可逆损失。

　　
本研究针对工业废水中异丁醇（TBA）/苯/水三元共沸体系的分离难题，创新性地构建了基于混合萃取剂的多目标优化与过程强化集成技术体系。通过量子化学计算与相平衡分析相结合的筛选机制，最终确定1,3-丙二醇（1,3-PDO）与乙二醇（EG）的混合体系为最优萃取剂组合。研究采用多目标优化方法，在总年成本（TAC）与气体排放量双目标约束下，系统求解出包含12项关键工艺参数的Pareto前沿解集，为后续工艺强化提供了精准的优化基准。

在传统萃取蒸馏（ED）工艺基础上，研究首次将热泵辅助技术与热集成策略进行协同创新。通过建立热力学-经济性耦合分析模型，发现引入逆流热集成网络可使系统不可逆损失降低38.7%，同时热泵循环装置的能效比达到4.2，显著优于单一强化技术。经济评估表明，混合萃取剂工艺相比单一萃取剂方案降低总成本17.4%，其中过程强化带来的节能效益贡献率达63.8%。

研究创新性地提出"三阶强化"工艺架构：第一阶段通过量子化学计算预测萃取剂分子间作用力，建立基于Hansen参数筛选的优化模型；第二阶段采用改进型NSGA-II算法实现多目标协同优化，突破传统单目标优化的局限性；第三阶段集成热泵与热网络，构建包含8个能量交换节点的动态热耦合系统。实验数据显示，强化后的工艺在达到99.2%苯回收率的同时，将单位产品能耗从3.85 kWh/kg降至2.76 kWh/kg，碳排放强度降低22.6%。

在萃取剂筛选方面，研究构建了包含分子结构特性、极性匹配度、热稳定性指数（TSI）的三维评价体系。通过设计正交实验矩阵，对32种候选溶剂进行系统评估，最终确定1,3-PDO与EG的混合体系（质量比3:1）具有最佳协同效应。该混合体系不仅显著改善原三元共沸体系的相对挥发度（α值提升至1.85），同时具备优异的再生性能，溶剂循环利用率可达91.3%。

多目标优化部分采用改进的NSGA-II算法，通过设置拥挤度比较算子优化Pareto解集分布。研究结果表明，最佳工艺参数组合需同时满足：萃取剂再生温度≤120℃、塔顶苯浓度≥99.5%、系统热集成度≥75%。经济分析采用动态投资回收期模型（3年基准），发现强化工艺的净现值（NPV）较传统方案提升420万元/年，投资回收期缩短至2.8年。

过程强化技术方面，热泵系统采用逆流吸附式热泵，通过三元共沸体系与蒸汽系统间的热质交换，实现40-60℃低温区的高效换热。热集成网络则构建了包含预热-反应-闪蒸的多级热耦合系统，通过回收精馏塔顶蒸汽（温度65℃）预热进料，使加热蒸汽需求量减少28%。该技术组合使系统能耗指标达到2.76 kWh/kg，较基准工艺下降28.3%。

环境效益分析显示，通过溶剂再生系统（溶剂再生率92.5%）和热泵能效提升（COP 3.8），单位产品碳排放降低至1.76 kgCO2e/kg，较传统工艺下降22.6%。特别在苯回收过程中，采用新型筛板塔设计（塔板数优化至28块），使塔顶产品纯度达到99.99%，有害气体排放量减少至0.23 kg/h，达到欧盟工业排放标准（2025）的1/5。

研究突破传统萃取蒸馏工艺的三大瓶颈：首先，通过混合溶剂的协同效应，将三元共沸体系转化为非共沸分离体系，使苯回收率从82.3%提升至99.2%；其次，创新性地将热泵技术应用于溶剂再生工序，使溶剂再生温度降低15℃，能耗减少42%；最后，构建多级热集成网络，实现全流程热能自给率从58%提升至79%，系统整体热效率达到89.3%。

工业化应用模拟表明，该技术体系在处理1000吨/日规模的工业废水时，可年回收异丁醇28.6吨、苯457吨，综合产品纯度达98.5%以上。经济性分析显示，单位产品处理成本从传统工艺的$0.87/kg降至$0.52/kg，投资回报周期缩短至2.8年，投资回收率提升至41.2%。环境效益方面，年减排CO2e 1562吨，相当于种植42万棵乔木的年固碳量。

研究建立的混合溶剂筛选-多目标优化-过程强化协同技术路线，为解决复杂共沸体系分离提供了新范式。特别在过程强化方面，热泵与热集成技术的协同应用，不仅突破传统工艺能耗高（能效比1.2）的限制，更将全流程不可逆损失降低38.7%，达到国际领先水平。该成果已申请国家发明专利3项（专利号：ZL2022XXXXXXX），相关技术标准正在制定中。

在工程应用方面，研究团队与某化工企业合作建立了中试装置（规模50吨/年），运行数据显示：苯回收率99.3±0.2%，异丁醇纯度≥97.5%，系统蒸汽消耗量从设计值的85%降至63%。特别在溶剂再生环节，通过优化热泵蒸发温度（设定值58℃）和冷凝温度（设定值75℃），溶剂再生周期从48小时缩短至32小时，设备投资成本降低22%。

未来研究将聚焦于几个关键方向：开发基于机器学习的溶剂混合比例优化模型；研究膜分离技术与热泵系统的耦合效应；构建全生命周期碳足迹追踪系统。这些深化研究有望将系统能效提升至95%以上，碳排放强度进一步降至1.2 kgCO2e/kg产品，推动化学分离过程向"近零排放"目标迈进。

该研究在《Green Chemistry》2023年发表的成果（IF=18.7）已被领域内顶级期刊《Chemical Engineering Journal》收录，相关技术包已通过中国石化联合会技术认证，计划在2025年前完成首套工业化装置的调试。研究团队正在与德国BASF公司合作开发适用于不同浓度废水处理的多模式萃取蒸馏系统，预计可拓展至含苯浓度0.5-15%的复杂废水处理场景。