中國報告大廳網訊，在2025年的碳酸二甲酯行業競爭中，生產工藝的優化與創新成為企業角逐的關鍵領域。碳酸二甲酯作為一種具備廣泛用途的重要有機化合物，其生產過程中的分離環節對整體效益有著決定性影響。尤其是甲醇 - 碳酸二甲酯共沸物的分離，成為眾多企業和研究人員聚焦的重點。不同的分離工藝在能耗、成本和產品純度等方面呈現出顯著差異，如何選擇高效、經濟的分離工藝，成為提升企業競爭力的核心要素。本文將圍繞加壓 - 常壓與常壓 - 加壓兩種變壓精餾工藝，深入探討其在分離甲醇 - 碳酸二甲酯時的表現，為行業提供有價值的參考。
《2025-2030年全球及中國碳酸二甲酯行業市場現狀調研及發展前景分析報告》指出，碳酸二甲酯在工業領域占據著舉足輕重的地位。它常被用作溶劑，在塗料、清潔劑以及油漆等產品中發揮著關鍵作用，能夠有效溶解各種成分，提升產品性能。同時，作為一種常見的化學中間體，碳酸二甲酯參與到多種化學產品的合成過程中，是眾多化學反應不可或缺的原料。在蓬勃發展的電池領域，碳酸二甲酯更是鋰離子電池電解質溶劑的重要組成部分，隨著新能源汽車行業的迅猛發展，其在電池領域的需求也在持續攀升。
碳酸二甲酯的生產工藝豐富多樣，涵蓋光氣法、酯交換法、甲醇羰基化法、尿素醇解法、甲醇CO2合成法以及草酸二甲酯脫羰基化法等。在當下，酯交換法、甲醇羰基化法和尿素醇解法由於具有各自的優勢，在碳酸二甲酯合成工藝中應用較為廣泛。值得注意的是，這幾種主流方法均以甲醇為原料，這就不可避免地涉及到甲醇與碳酸二甲酯的分離問題。由於甲醇 - 碳酸二甲酯形成共沸物，採用常規精餾手段無法實現有效分離，因此，開發高效的甲醇 - 碳酸二甲酯分離工藝，對碳酸二甲酯生產企業而言至關重要，直接關係到企業的成本控制與市場競爭力。
甲醇呈現為無色、易燃的液體，具有較強的還原性，能夠發生醇類典型的反應，如醇的氧化反應，可被氧化為甲醛等產物;醇的酯化反應，與酸反應生成酯類化合物。甲醇能與酸、鹼以及氧化劑等多種物質發生化學反應，展現出較為活潑的化學性質。其沸點為 64.7℃，在 25℃時密度為 0.7915g/mL，20℃時黏度為 0.5945cp。
碳酸二甲酯同樣是無色液體，具備類似酯的性質，能夠通過酯的典型反應，如酯化反應、水解反應等進行化學轉化，可與醇、酸、鹼等物質發生反應。其沸點為 90℃，25℃時密度達到 1.069g/mL，20℃時黏度是 0.625cp。這些物理化學性質的差異，為後續採用變壓精餾工藝分離甲醇 - 碳酸二甲酯提供了理論基礎。
在某精細化工項目中，經過前期分離後，需要進一步處理的甲醇、碳酸二甲酯混合物流量為 750kg/hr，壓力為 0.3MPa (G)，溫度處於 50℃。該混合物的組成及分離要求明確，其中甲醇質量分數為 83.5%，分離後要求甲醇中的碳酸二甲酯含量小於 0.1%;碳酸二甲酯質量分數為 16.5%，分離後要求碳酸二甲酯中甲醇的含量小於 0.05%(忽略微量組分)。如此嚴格的分離要求，對分離工藝的選擇和設計提出了較高挑戰。
對於非理想物料，常見的物性方法包括 Wilson、NRTL 和 UNIQUAC 等熱力學模型。UNIQUAC 模型基於准化學理論構建，充分考慮了分子之間的准化學相互作用。這一特性使其能夠精準地描述分子之間的非對稱性以及特殊相互作用，如氫鍵等。與 Wilson 模型和 NRTL 模型相比，UNIQUAC 模型在處理複雜體系時優勢明顯，能夠更好地描述多組分混合物、高壓體系中不同組分之間的相互作用，進而準確預測混合物的熱力學性質。
在分離甲醇 - 碳酸二甲酯溶液的氣液平衡時，選用 UNIQUAC 模型，並採用 RK 方程校正氣相的非理想性，因此在 Aspen Plus 軟體中採用 UNIQU -RK 方法。通過對甲醇 - 碳酸二甲酯二元體系在不同壓力下共沸物組成的計算值與實驗數據對比，結果顯示甲醇和碳酸二甲酯的平均相對誤差均小於 5%。這一數據充分表明，所選擇的 UNIQU -RK 熱力學模型及二元交互參數能夠為後續的流程模擬提供堅實可靠的理論依據。
變壓精餾是一種利用共沸物共沸組成隨壓力變化幅度較大這一特性的特殊精餾方法，通過在不同操作壓力下的精餾塔實現共沸物的分離。以二元物系 A+B 在不同壓力下的氣液平衡圖為例，當進料組成XF位於不同共沸組成區域時，有著不同的分離路徑。
對於甲醇 - 碳酸二甲酯體系，在 1bar 壓力下，共沸物中甲醇的組成為 86.6%(摩爾分數)，對應的質量分數為 69.7%;在 13bar 壓力下，共沸物中甲醇的組成為 96.6%(摩爾分數)，對應的質量分數為 91.0%。甲醇的共沸組成在 1bar 和 13bar 之間變化幅度達到 10%(摩爾分數)，這一顯著的壓力依賴性使得採用變壓精餾進行分離成為可能。而本文所研究的進料中甲醇質量分數為 83.5%，恰好位於 69.7% - 91.5% 這一區間內，因此既可以採用加壓 - 常壓分離工藝，也可以採用常壓 - 加壓分離工藝，為後續工藝對比研究奠定了基礎。
加壓 - 常壓變壓精餾工藝的流程圖中，S-1 代表進料甲醇 - 碳酸二甲酯物流，經過 P-1 進料加壓泵加壓後進入加壓塔。在加壓塔中，混合物初步分離，塔頂得到高壓下甲醇 - 碳酸二甲酯共沸物 S-4，塔釜得到碳酸二甲酯產品 S-2。S-4 經過 P-2 加壓泵再次加壓後進入常壓塔，在常壓塔中進一步分離，塔頂得到甲醇產品 S-3，塔釜得到低壓下甲醇 - 碳酸二甲酯共沸物 S-5，共沸物 S-5 返回至進料處循環處理。
進料位置影響：在保持加壓塔和常壓塔理論塔板數不變的情況下，通過改變進料位置來考察最小回流比和塔釜再沸器熱負荷的變化情況，以此確定最佳進料塔板數。對於加壓塔，當進料位置在第 82 塊塔板時，回流比和塔釜再沸器熱負荷達到最小;對於常壓塔，進料位置在第 32 塊塔板時，回流比和塔釜再沸器熱負荷最小。這表明合適的進料位置對降低能耗、提高分離效率具有重要意義。
最小回流比確定：假定最佳進料塔板數與理論塔板數的比例為固定值，通過設計規定控制塔釜產品和塔頂共沸物組成不變，逐步增加理論塔板數。當回流比不再隨理論塔板數的增加而降低時，此時得到的回流比即為最小回流比。經計算，加壓塔的最小回流比(質量比)為 11.8，常壓塔的最小回流比(質量比)為 25.3。確定最小回流比有助於在保證分離效果的前提下，優化精餾過程的能耗。
最小理論塔板數確定：同樣假定最佳進料塔板數與理論塔板數的比例為固定值，通過設計規定控制塔釜產品和塔頂共沸物組成不變，逐步降低理論塔板數。當回流比必須增加到非常大的數值才能滿足分離要求時，此時對應的理論塔板數即為最小理論塔板數。經計算，加壓塔的最小理論塔板數為 58，常壓塔的最小理論塔板數為 74。最小理論塔板數的確定為合理設計精餾塔提供了重要參考依據。
理論塔板數確定：本文採用經驗法確定理論塔板數，取理論塔板數為 2 倍的最小理論塔板數。在 Aspen Plus 中運用靈敏度分析法對進料塔板位置進行優化，最終確定加壓塔的理論塔板數為 116，進料塔板數為 98;常壓塔的理論塔板數為 148，進料塔板數為 41。
常壓 - 加壓變壓精餾工藝流程圖中，S-1 進料甲醇 - 碳酸二甲酯物流先進入常壓塔，塔頂得到常壓下甲醇 - 碳酸二甲酯共沸物 S-4，塔釜得到甲醇產品 S-2。S-4 經過 P-1 加壓泵加壓後進入加壓塔，在加壓塔中進一步分離，塔頂得到碳酸二甲酯產品 S-3，塔釜得到高壓下甲醇 - 碳酸二甲酯共沸物 S-5，共沸物 S-5 返回至進料處循環處理。
為便於與加壓 - 常壓工藝進行對比，該工藝中加壓塔和常壓塔採用與前者相同的理論塔板數，並在 Aspen Plus 中通過靈敏度分析法優化進料塔板位置。最終確定常壓塔的理論塔板數為 148，進料塔板數為 56;加壓塔的理論塔板數為 116，進料塔板數為 105。
將加壓 - 常壓和常壓 - 加壓兩種變壓精餾工藝中再沸器的熱負荷進行對比。加壓 - 常壓工藝中，加壓塔再沸器熱負荷為 4233.99kW，常壓塔再沸器熱負荷為 3147.73kW，合計 7381.72kW;常壓 - 加壓工藝中，加壓塔再沸器熱負荷為 3778.58kW，常壓塔再沸器熱負荷為 2284.18kW，合計 6062.76kW。數據清晰顯示，加壓 - 常壓變壓精餾工藝的加壓塔和常壓塔再沸器熱負荷均高於常壓 - 加壓工藝，加壓 - 常壓工藝比常壓 - 加壓工藝高出約(7381.72−6062.76)A~⋅6062.76=21.8%。由此可見，採用常壓 - 加壓變壓精餾工藝能夠顯著降低能耗，在能源成本日益增長的當下，這一優勢對於企業降低生產成本、提升市場競爭力具有重要意義。
在2025年碳酸二甲酯行業競爭的大背景下，針對一定組成進料的甲醇 - 碳酸二甲酯分離，加壓 - 常壓和常壓 - 加壓兩種變壓精餾工藝均具有可行性。但通過對兩種工藝在相同理論塔板數條件下的能耗計算與對比，明確發現常壓 - 加壓工藝在能耗方面明顯更低。這一結論不僅適用於甲醇 - 碳酸二甲酯體系的分離，對於其他採用變壓精餾工藝分離共沸物的情況同樣具有參考價值。當給定的物料組成能夠採用加壓 - 常壓和常壓 - 加壓兩種工藝時，企業應充分對兩種工藝進行能耗或經濟性分析，從而選取能耗更低、經濟性更優的工藝。這將有助於企業在激烈的市場競爭中，通過優化生產工藝，降低成本，提高產品質量，增強自身的核心競爭力，實現可持續發展。
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