中国报告大厅网讯，在2025年的碳酸二甲酯行业竞争中，生产工艺的优化与创新成为企业角逐的关键领域。碳酸二甲酯作为一种具备广泛用途的重要有机化合物，其生产过程中的分离环节对整体效益有着决定性影响。尤其是甲醇 - 碳酸二甲酯共沸物的分离，成为众多企业和研究人员聚焦的重点。不同的分离工艺在能耗、成本和产品纯度等方面呈现出显著差异，如何选择高效、经济的分离工艺，成为提升企业竞争力的核心要素。本文将围绕加压 - 常压与常压 - 加压两种变压精馏工艺，深入探讨其在分离甲醇 - 碳酸二甲酯时的表现，为行业提供有价值的参考。
《2025-2030年全球及中国碳酸二甲酯行业市场现状调研及发展前景分析报告》指出，碳酸二甲酯在工业领域占据着举足轻重的地位。它常被用作溶剂，在涂料、清洁剂以及油漆等产品中发挥着关键作用，能够有效溶解各种成分，提升产品性能。同时，作为一种常见的化学中间体，碳酸二甲酯参与到多种化学产品的合成过程中，是众多化学反应不可或缺的原料。在蓬勃发展的电池领域，碳酸二甲酯更是锂离子电池电解质溶剂的重要组成部分，随着新能源汽车行业的迅猛发展，其在电池领域的需求也在持续攀升。
碳酸二甲酯的生产工艺丰富多样，涵盖光气法、酯交换法、甲醇羰基化法、尿素醇解法、甲醇CO2合成法以及草酸二甲酯脱羰基化法等。在当下，酯交换法、甲醇羰基化法和尿素醇解法由于具有各自的优势，在碳酸二甲酯合成工艺中应用较为广泛。值得注意的是，这几种主流方法均以甲醇为原料，这就不可避免地涉及到甲醇与碳酸二甲酯的分离问题。由于甲醇 - 碳酸二甲酯形成共沸物，采用常规精馏手段无法实现有效分离，因此，开发高效的甲醇 - 碳酸二甲酯分离工艺，对碳酸二甲酯生产企业而言至关重要，直接关系到企业的成本控制与市场竞争力。
甲醇呈现为无色、易燃的液体，具有较强的还原性，能够发生醇类典型的反应，如醇的氧化反应，可被氧化为甲醛等产物;醇的酯化反应，与酸反应生成酯类化合物。甲醇能与酸、碱以及氧化剂等多种物质发生化学反应，展现出较为活泼的化学性质。其沸点为 64.7℃，在 25℃时密度为 0.7915g/mL，20℃时黏度为 0.5945cp。
碳酸二甲酯同样是无色液体，具备类似酯的性质，能够通过酯的典型反应，如酯化反应、水解反应等进行化学转化，可与醇、酸、碱等物质发生反应。其沸点为 90℃，25℃时密度达到 1.069g/mL，20℃时黏度是 0.625cp。这些物理化学性质的差异，为后续采用变压精馏工艺分离甲醇 - 碳酸二甲酯提供了理论基础。
在某精细化工项目中，经过前期分离后，需要进一步处理的甲醇、碳酸二甲酯混合物流量为 750kg/hr，压力为 0.3MPa (G)，温度处于 50℃。该混合物的组成及分离要求明确，其中甲醇质量分数为 83.5%，分离后要求甲醇中的碳酸二甲酯含量小于 0.1%;碳酸二甲酯质量分数为 16.5%，分离后要求碳酸二甲酯中甲醇的含量小于 0.05%(忽略微量组分)。如此严格的分离要求，对分离工艺的选择和设计提出了较高挑战。
对于非理想物料，常见的物性方法包括 Wilson、NRTL 和 UNIQUAC 等热力学模型。UNIQUAC 模型基于准化学理论构建，充分考虑了分子之间的准化学相互作用。这一特性使其能够精准地描述分子之间的非对称性以及特殊相互作用，如氢键等。与 Wilson 模型和 NRTL 模型相比，UNIQUAC 模型在处理复杂体系时优势明显，能够更好地描述多组分混合物、高压体系中不同组分之间的相互作用，进而准确预测混合物的热力学性质。
在分离甲醇 - 碳酸二甲酯溶液的气液平衡时，选用 UNIQUAC 模型，并采用 RK 方程校正气相的非理想性，因此在 Aspen Plus 软件中采用 UNIQU -RK 方法。通过对甲醇 - 碳酸二甲酯二元体系在不同压力下共沸物组成的计算值与实验数据对比，结果显示甲醇和碳酸二甲酯的平均相对误差均小于 5%。这一数据充分表明，所选择的 UNIQU -RK 热力学模型及二元交互参数能够为后续的流程模拟提供坚实可靠的理论依据。
变压精馏是一种利用共沸物共沸组成随压力变化幅度较大这一特性的特殊精馏方法，通过在不同操作压力下的精馏塔实现共沸物的分离。以二元物系 A+B 在不同压力下的气液平衡图为例，当进料组成XF位于不同共沸组成区域时，有着不同的分离路径。
对于甲醇 - 碳酸二甲酯体系，在 1bar 压力下，共沸物中甲醇的组成为 86.6%(摩尔分数)，对应的质量分数为 69.7%;在 13bar 压力下，共沸物中甲醇的组成为 96.6%(摩尔分数)，对应的质量分数为 91.0%。甲醇的共沸组成在 1bar 和 13bar 之间变化幅度达到 10%(摩尔分数)，这一显著的压力依赖性使得采用变压精馏进行分离成为可能。而本文所研究的进料中甲醇质量分数为 83.5%，恰好位于 69.7% - 91.5% 这一区间内，因此既可以采用加压 - 常压分离工艺，也可以采用常压 - 加压分离工艺，为后续工艺对比研究奠定了基础。
加压 - 常压变压精馏工艺的流程图中，S-1 代表进料甲醇 - 碳酸二甲酯物流，经过 P-1 进料加压泵加压后进入加压塔。在加压塔中，混合物初步分离，塔顶得到高压下甲醇 - 碳酸二甲酯共沸物 S-4，塔釜得到碳酸二甲酯产品 S-2。S-4 经过 P-2 加压泵再次加压后进入常压塔，在常压塔中进一步分离，塔顶得到甲醇产品 S-3，塔釜得到低压下甲醇 - 碳酸二甲酯共沸物 S-5，共沸物 S-5 返回至进料处循环处理。
进料位置影响：在保持加压塔和常压塔理论塔板数不变的情况下，通过改变进料位置来考察最小回流比和塔釜再沸器热负荷的变化情况，以此确定最佳进料塔板数。对于加压塔，当进料位置在第 82 块塔板时，回流比和塔釜再沸器热负荷达到最小;对于常压塔，进料位置在第 32 块塔板时，回流比和塔釜再沸器热负荷最小。这表明合适的进料位置对降低能耗、提高分离效率具有重要意义。
最小回流比确定：假定最佳进料塔板数与理论塔板数的比例为固定值，通过设计规定控制塔釜产品和塔顶共沸物组成不变，逐步增加理论塔板数。当回流比不再随理论塔板数的增加而降低时，此时得到的回流比即为最小回流比。经计算，加压塔的最小回流比(质量比)为 11.8，常压塔的最小回流比(质量比)为 25.3。确定最小回流比有助于在保证分离效果的前提下，优化精馏过程的能耗。
最小理论塔板数确定：同样假定最佳进料塔板数与理论塔板数的比例为固定值，通过设计规定控制塔釜产品和塔顶共沸物组成不变，逐步降低理论塔板数。当回流比必须增加到非常大的数值才能满足分离要求时，此时对应的理论塔板数即为最小理论塔板数。经计算，加压塔的最小理论塔板数为 58，常压塔的最小理论塔板数为 74。最小理论塔板数的确定为合理设计精馏塔提供了重要参考依据。
理论塔板数确定：本文采用经验法确定理论塔板数，取理论塔板数为 2 倍的最小理论塔板数。在 Aspen Plus 中运用灵敏度分析法对进料塔板位置进行优化，最终确定加压塔的理论塔板数为 116，进料塔板数为 98;常压塔的理论塔板数为 148，进料塔板数为 41。
常压 - 加压变压精馏工艺流程图中，S-1 进料甲醇 - 碳酸二甲酯物流先进入常压塔，塔顶得到常压下甲醇 - 碳酸二甲酯共沸物 S-4，塔釜得到甲醇产品 S-2。S-4 经过 P-1 加压泵加压后进入加压塔，在加压塔中进一步分离，塔顶得到碳酸二甲酯产品 S-3，塔釜得到高压下甲醇 - 碳酸二甲酯共沸物 S-5，共沸物 S-5 返回至进料处循环处理。
为便于与加压 - 常压工艺进行对比，该工艺中加压塔和常压塔采用与前者相同的理论塔板数，并在 Aspen Plus 中通过灵敏度分析法优化进料塔板位置。最终确定常压塔的理论塔板数为 148，进料塔板数为 56;加压塔的理论塔板数为 116，进料塔板数为 105。
将加压 - 常压和常压 - 加压两种变压精馏工艺中再沸器的热负荷进行对比。加压 - 常压工艺中，加压塔再沸器热负荷为 4233.99kW，常压塔再沸器热负荷为 3147.73kW，合计 7381.72kW;常压 - 加压工艺中，加压塔再沸器热负荷为 3778.58kW，常压塔再沸器热负荷为 2284.18kW，合计 6062.76kW。数据清晰显示，加压 - 常压变压精馏工艺的加压塔和常压塔再沸器热负荷均高于常压 - 加压工艺，加压 - 常压工艺比常压 - 加压工艺高出约(7381.72−6062.76)A~⋅6062.76=21.8%。由此可见，采用常压 - 加压变压精馏工艺能够显著降低能耗，在能源成本日益增长的当下，这一优势对于企业降低生产成本、提升市场竞争力具有重要意义。
在2025年碳酸二甲酯行业竞争的大背景下，针对一定组成进料的甲醇 - 碳酸二甲酯分离，加压 - 常压和常压 - 加压两种变压精馏工艺均具有可行性。但通过对两种工艺在相同理论塔板数条件下的能耗计算与对比，明确发现常压 - 加压工艺在能耗方面明显更低。这一结论不仅适用于甲醇 - 碳酸二甲酯体系的分离，对于其他采用变压精馏工艺分离共沸物的情况同样具有参考价值。当给定的物料组成能够采用加压 - 常压和常压 - 加压两种工艺时，企业应充分对两种工艺进行能耗或经济性分析，从而选取能耗更低、经济性更优的工艺。这将有助于企业在激烈的市场竞争中，通过优化生产工艺，降低成本，提高产品质量，增强自身的核心竞争力，实现可持续发展。
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