醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔设计毕业设计论文

1、醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔设计密 级学 号050533 毕 业 设 计（论 文） 醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔设计 院（系、部）：机械工程学院姓 名：李金玮年 级：06级专 业：环境工程指导教师：王建宏教师职称：工程师 2010年 6月 25日北京北京石油化工学院本科毕业设计（论文）开题报告题目名称：醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔设计题目类型：设计型学生姓名：李金玮专 业：环 境 工 程学 院：机械工程学院年 级：环06级指导教师：王建宏2010年 3 月15日一、 选题背景、研究意义及文献综述1、 选题背景二氧化碳气体具有吸热和隔热的功能。它在大气中增多的结果是形成一种无形的玻璃罩，使太阳辐射到地

2、球上的热量无法向外层空间发散，其结果是地球表面变热起来。因此，二氧化碳也被称为温室气体。温室效应主要是由于现代化工业社会过多燃烧煤炭、石油和天然气，这些燃料燃烧后放出大量的二氧化碳气体进入大气造成的。由环境污染引起的温室效应是指地球表面变热的现象。 它会带来以下列几种严重恶果： 1) 地球上的病虫害和传染疾病增加； 2) 海平面上升； 3) 气候反常，海洋风暴增多； 4) 土地干旱，沙漠化面积增大。5)经济的影响全球有超过一半人口居住在沿海100公里的范围以内，其中大部份住在海港附近的城市区域。所以，海平面的显著上升对沿岸低洼地区及海岛会造成严重的经济损害，例如：加速沿岸沙滩被海水的冲蚀、地下

3、淡水被上升的海水推向更远的内陆地方。6)农业的影响实验证明在CO2高浓度的环境下，植物会生长得更快速和高大。但是，全球变暖的结果可会影响大气环流，继而改变全球的雨量分布与及各大洲表面土壤的含水量。由于未能清楚了解全球变暖对各地区性气候的影响，以致对植物生态所产生的转变亦未能确定。7)海洋生态的影响沿岸沼泽地区消失肯定会令鱼类，尤其是贝壳类的数量减少。河口水质变咸可会减少淡水鱼的品种数目，相反该地区海洋鱼类的 品种也可能相对增多。至于整体海洋生态所受的影响仍未能清楚知道。8)水循环的影响全球降雨量可能会增加。但是，地区性降雨量的改变则仍未知道。某些地区可有更多雨量，但有些地区的雨量可能会减少。此

4、外 ，温度的提高会增加水份的蒸发，这对地面上水源的运用带来压力。科学家预测：如果地球表面温度的升高按现在的速度继续发展，到2050年全球温度将上升24摄氏度，南北极地冰山将大幅度融化，导致海平面大大上升，一些岛屿国家和沿海城市将淹于水中，其中包括几个著名的国际大城市：纽约，上海，东京和悉尼。2 研究意义二氧化碳造成的温室效应引起了全球的广泛关注。已成为国际能源领域研发的热点。全球应对气候变化的核心是减少温室气体排放,其中主要是减少能源消费的CO2排放。根据EIA (Energy Information Administration)的数据统计, 2004年我国CO2排放总量为47亿,t约占世界

5、总量的17%,居世界第二,仅次于美国。20002004年,我国CO2排放的增长量占世界同期CO2排放增长量的50%以上,预计2010年前我国CO2排放量就有可能超过美国成为世界第一排放大国(部分外媒宣称2007年我国CO2排放量已经跃居世界第一)。我国CO2排放量较快增长的态势,将越来越受到国际社会的关注和压力。燃煤电厂CO2排放是我国温室气体的最主要排放源,约占我国CO2排放总量的50%。近年来,随着火电装机容量的迅速增多,燃煤电厂CO2排放的绝对数量和相对比例还将进一步增加。因此, CO2的减排将是我国燃煤发电未来可持续发展的瓶颈之一。由于我国能源结构以燃煤发电为主,以及今后对燃煤发电的长

6、期投入,从燃煤烟气中有效的脱除CO2将刻不容缓。尽管发展新型煤电技术、可再生能源、核电与节能降耗等是可行的CO2减排手段,但是我国能源结构长期以燃煤发电为主的现状,决定了只有进行CO2的捕集与永久封存才是减少温室气体排放的根本手段,也是进一步大量减少CO2排放的唯一手段。目前,国际上CO2捕集与封存技术正处于研究开发和示范阶段,尚未达到商业化,我国在此领域的研发也刚刚起步1。现阶段CO2回收方法主要有吸收法和分离法两种方法，而化学吸收法在工业上的应用尤为广泛。在传统的化学脱碳过程中，应用一乙醇胺(MEA)法脱除CO2已进行了广泛的研究，并成功地用于化工厂的CO2回收，但其成本高达34美元/吨2

7、二氧化碳的吸收主要是在吸收塔内进行，吸收塔的性能直接影响着二氧化碳的吸收效果。3文献综述一 醇胺溶液的选择 1 多种醇胺溶液吸收二氧化碳的研究1.1 醇胺溶液种类及浓度对吸收速率的影响1.1.1醇胺溶液种类对吸收速率的影响分别取5mL的0.1mol/L DEA、TEA、MDEA溶液,采用鼓泡吸收装置,常温常下测定它们对CO2的吸收速率。不同醇胺溶液吸收速率随时间的变化关系如图1所示。从图1中可以看出,浓度皆为0.1mol/L的有机胺溶液,DEA、TEA对CO2的吸收速率明显高于MDEA,DEA与TEA相差较小,且DEA和TEA的吸收速率随时间推移迅速下降,MDEA溶液的吸收速率变化较为缓和,能

8、在较长的时间保持一定的吸收速率。图1 不同醇胺溶液吸收速率与时间的关系通过吸收速率随吸收时间的变化关系可以看出溶液中CO2负荷对吸收速率的影响。对于DEA和TEA,在溶液还远未接近饱和状态时,醇胺溶液吸收速率基本按吸收量线性地变化,这是因为此时液相主体中CO2含量较小,而液膜处CO2浓度足够大(p=1.01105Pa),传质阻力对吸收速度N的影响相对就比较小,吸收速度主要取决于反应速度r(Nr)。DEA、TEA吸收CO2的反应速率方程可表示为r=k2uAuCO2(A表示DEA、TEA),在液膜处CO2浓度uCO2不变的条件下,反应速率r仅与反应速率常数k2、有机胺浓度uA有关1。在温度不变时,

9、反应速率常数k2也保持恒定,所以N仅随溶液中有效胺的浓度发生线性变化(有效胺的浓度又与溶液中吸收的CO2量成线性关系),图中的曲线较好符合这一点。但是,对于MDEA,因其与CO2的反应为液膜反应,其过程要受CO2与H2O反应步骤的控制,吸收速率变慢。吸收速率是决定设备高度的重要因素之一。体系的热力学平衡决定了溶液吸收能力的极限量,但从技术经济指标和工业生产的具体条件来考虑,实际上不能把吸收进行到平衡,吸收液的实际负荷量与平衡吸收量之间有一定的差距。在固定其它因素的前提下,吸收速度越快,吸收液的负荷就越接近平衡吸收量,对于降低设备高度、减少吸收液循环量及提高净化质量都十分有利。由此考虑,DEA和

10、TEA的效果好于MDEA。1.1.2醇胺溶液浓度对吸收速率的影响5mL不同浓度DEA、TEA的吸收速率随时间变化如图2、3。从图中可以看出:对于DEA或TEA,醇胺溶液的摩尔浓度影响吸收速率,醇胺溶液的摩尔浓度愈高,吸收速率就越大,随着吸收时间的增加,吸收速率不断降低,最后吸收饱和速率都趋于零;对于含量相同的醇胺溶液,DEA的吸收速率高于TEA。图2 不同浓度DEA吸收速率与时间的关系图3 不同浓度TEA吸收速率与时间的关系 CO2可以和DEA反应生成氨基甲酸盐:CO2+2(HOC2H4)2NH(HOC2H4)2NH2+(HOC2H4)2NCOO-然而,TEA氮原子上无氢质子,TEA与CO2之

11、间不能进行生成氨基甲酸盐的反应,其和CO2的反应机理与DEA有明显不同。TEA与CO2之间的反应按下式进行:(HOC2H4)3N+CO2+H2O(HOC2H4)3NH+HCO3-Mandals等2曾经测定了叔胺吸收CO2的反应速率常数k值及活化能,发现叔胺吸收CO2的k值比仲胺小,在相同条件下仲胺与CO2的反应速率明显高于叔胺与CO2之间的反应速率。1.1.3 醇胺溶液种类及浓度对吸收容量的影响采用Origin数据处理软件,计算吸收速率对时间的积分,即为吸收容量与吸收时间的变化关系。1.1.3.1 醇胺溶液种类对吸收容量的影响 不同醇胺溶液吸收容量与时间的关系如图4所示。MDEA的吸收容量曲线

12、变化非常平缓,DEA和TEA的吸收容量曲线较MDEA变化大。在相同的吸收时间内,3种有机胺溶液吸收容量大小依次是DEATEAMDEA。对于MDEA,其对CO2的吸收相当于一个物理吸收过程,吸收速率变化比较平缓,所以它的吸收容量变化曲线也非常平缓。图4 不同醇胺溶液吸收容量与时间的关系1.1.3.2醇胺溶液浓度对吸收容量的影响不同浓度的DEA、TEA吸收容量与吸收时间的关系如图5、6所示。反应初期,不同浓度的醇胺溶液吸收容量曲线接近,50min后吸收容量曲线差距逐渐拉大,摩尔浓度越大的醇胺溶液其吸收容量越大。DEA或TEA浓度越高,吸收容量越大,与此同时达到饱和吸收容量需要的时间也增长。在0.1

13、0.5mol/L浓度变化范围,DEA对CO2饱和吸收容量从56.6mmol/mL增至103.4mmol/mL,而TEA饱和吸收容量从50.8mmol/mL仅增至76.4mmol/mL。在选择合适吸收剂时,希望要短时间内吸收尽可能多CO2气体,因此,综合考虑吸收容量和达到饱和吸收的时间,DEA作为吸收剂的效果要稍优于TEA。图5 不同浓度DEA吸收容量与时间的关系图6不同浓度TEA吸收容量与时间的关系1.1.3 醇胺溶液吸收前后pH的变化醇胺溶液种类及浓度与CO2吸收量、pH的关系如表1所示。由表1可以看出,吸收剂的pH随溶液浓度增加略有增加,但相差不大。醇胺溶液作为吸收剂,由于水解反应,生成O

14、H-,使溶液呈碱性,醇胺溶液的浓度越高,pH越大,但达到一定浓度后,pH维持在11左右,此时,增加醇胺溶液的浓度,并不能明显的增加溶液的pH。由此说明,醇胺的水溶液吸收CO2能力不能单纯依靠溶液碱性强弱判断。吸收液pH大致下降至7时,吸收达到饱和,这一特性可作为判断溶液吸收CO2进行程度的指标,当pH下降到7左右,溶液基本饱和,无法继续吸收CO2,可进行再生。表1不同浓度醇胺溶液CO2吸收容量与pH的关系1.1.4 饱和醇胺溶液再生吸收饱和的有机胺溶液称为富液,用加热的方法使与胺结合的CO2解吸,变为气体逸出,从而吸收液获得再次吸收CO2的能力,重新成为贫液。工业上就是利用这一方法重复吸收CO

15、2,直至吸收液失去。新配制的醇胺溶液CO2饱和吸收量为L,再生贫液饱和吸收量为L,则再生效率=L/L是衡量吸收剂优劣的重要指标。0.5mol/L的DEA和TEA溶液经过再生3h后,皂沫流量计已经检测不到气体逸出,说明CO2解吸完全。因此,本实验条件下,0.5mol/L的DEA和TEA再生时间为180min。将0.5mol/L的DEA和TEA在110再生3h后重新吸收CO2,醇胺溶液再生前后效果如表2。表2DEA、TEA的再生情况由表2可以看出,0.5mol/L的DEA和TEA溶液经过再生后,吸收时间、吸收容量和平均吸收速率都有所降低,DEA溶液的再生效率为61.3%,TEA溶液的再生效率为78

16、.5%。两种醇胺溶液比较,TEA再生效率较DEA高17%,这可能是由于DEA溶液再生过程中产生少量絮凝物,使溶液的吸收能力受到了部分破坏。 所以DEA和TEA溶液摩尔浓度越高,其吸收速率越快,吸收容量越大;对于相同摩尔浓度的醇胺溶液,DEA和TEA的吸收速率高于MDEA,但MDEA吸收速率随时间变化较平缓。随着CO2吸收量的增加,吸收液的pH从11下降到7左右,以此可作为判断吸收是否饱和的依据。TEA溶液的再生效率高于DEA的再生效率3。2 单组分和多组分醇胺溶液吸收CO2的影响2.1 单组分有机醇胺溶液吸收CO2的研究MDEA由于其吸收容量大,解吸再生温度低等优点,是近年来工业上常用的CO2

17、吸收剂,而采用AEE作为CO2吸收剂的研究却鲜有报道。笔者考察了AEE与MDEA两种有机醇胺溶液对CO2的吸收性能。图7 吸收时间与吸收速率的关系图8 摩尔吸收比与吸收速率的关系由图7可知两种溶液的吸收速率均随吸收时间的延长而逐渐降低。由图8可知,吸收60 min后MDEA溶液的摩尔吸收比可达0.7,AEE溶液的摩尔吸收比可达1.25。随着摩尔吸收比的增加,两种溶液的吸收速率不断的降低,其中AEE溶液降低的程度更显著。上述结果证明了伯胺、仲胺的吸收能力要强于叔胺。AEE可以与CO2直接反应,吸收速率快,吸收量大,可以快速达到吸收饱和,而MDEA不能与CO2直接反应,吸收速率慢,需长时间才可达到

18、吸收饱和。2.2 混合醇胺溶液对CO2的吸收单组分醇胺溶液在应用中往往不能兼顾吸收与解吸的效果,而采用混胺的方法可以较好的解决这个问题。笔者考察了AEE与MDEA的混合溶液对CO2的吸收性能。由图9可见3种体系的吸收速率均随吸收时间的延长而逐渐降低,50 min后的吸收速率几乎相同。其中AEE的摩尔浓度越高,溶液的初始吸收速率越快。反应开始阶段以AEE单组分吸收为主,随着AEE的消耗,溶液的碱性降低,一部分AEE吸收的CO2转换成氨基甲酸根离子,MDEA开始参与吸收反应,而氨基甲酸根离子并不稳定,在一定的pH值条件下可以与水进一步反应转换成碳酸氢根与AEE分子,使溶液中AEE浓度相对缓慢降低,

19、加速MDEA参与吸收反应,使体系能够快速地达到吸收饱和。可见添加AEE对整个吸收体系具有明显的加强作用。下面将通过引入增强因子这个概念来进行分析。图9 吸收时间与吸收速率的关系2.3 混合醇胺溶液的交互作用钟战铁4提出MEA+MDEA体系在吸收低浓度二氧化碳时存在交互作用。笔者也考察了AEE+MDEA体系吸收CO2时的交互作用。由图10可知,3种体系分别在不同的摩尔吸收比时表现出交互作用。反应的开始阶段,即溶液的摩尔吸收比较低时,E值由AEE贡献,体系以单组分AEE吸收为主,AEE与MDEA无明显交互作用。随着CO2吸收量的增加,AEE大量消耗,溶液的碱性逐渐降低,未被消耗的MDEA在溶液中提

20、供的碱性可以明显削弱AEE与CO2之间的作用,交互作用出现,MDEA开始参与吸收反应。随着MDEA大量参与吸收过程,溶液的碱性已经不足以削弱AEE与CO2之间的作用,交互作用逐渐消失,此时溶液的E主要由MDEA贡献,因此随着摩尔吸收比的增加,交互系数逐渐降低。交互作用与体系的摩尔吸收比有关,也与体系中AEE浓度有关。体系中AEE浓度越高,交互作用影响摩尔吸收比也越大。图10摩尔吸收比与交互系数的关系所以AEE作为新型CO2吸收剂,具有吸收速率快,吸收量大等优点。在MDEA溶液中加入一定量的AEE,可以有效地提高体系吸收CO2的性能,在摩尔吸收比低于0.5时,溶液中AEE摩尔浓度每增加10%,E

21、相应增加约20%。AEE+MDEA体系在一定的摩尔吸收比的条件下存在交互作用,且交互系数随体系的摩尔吸收比的增加而降低5。 3 MEA对吸收CO2的优点及工作原理 目前,普遍认为燃烧后捕获技术最为可行,因该技术最适合于对传统燃烧设备进行以捕获CO2为目的的改进,且其具有节省设备投资和技术成熟程度更接近商业化的优势.燃烧后捕获主要通过采用物理溶剂、化学溶剂以及两者的混合溶剂脱除发电厂燃放气中的CO2.因该燃放气中CO2的分压低,且含有大量不溶性气体,故采用胺盐溶液等化学溶剂通过化学反应吸收以分离其中的CO2是最有效的手段6，7。基本的MEA CO2溶液吸收-解吸流程被广泛用于天然气处理工厂和制氨

22、工厂的CO2去除.该流程用于捕获电站废气中的CO2时,吸收系统的作用是实现所需的CO2脱除效率,并为解吸系统提供高浓度CO2的富胺盐溶液.解吸系统必须解吸出一定量的CO2,以提供合理的CO2浓度的贫胺盐溶液返回吸收系统循环使用.贫-富胺盐溶液的热交换可有效利用贫胺盐溶液的热能,以减少解吸能耗.但是,该流程能耗仍然较高,而解吸过程热负荷Qreb的大小直接影响到蒸汽消耗量,其费用接近整个捕获流程运行费用的80%,使得基本MEA流程处理发电厂燃放气中CO2的商业应用受到严重制约8。溶剂种类、传质设备类型和工艺流程设置等因素8，9会影响到溶液吸收-解吸流程的效率和热消耗.因此,在开展新的流程研究之前,

23、综合优化基本的MEA CO2捕获流程以进一步减少胺盐溶液解吸过程中的热能消耗是非常必要的10。 化学吸收法主要采用碱性溶液等能同CO2进行快速反应的物质溶解吸收CO2，然后通过改变条件分解释放CO2气体，同时再生吸收剂。MEA具有很好的吸收能力并且工艺简单，是较理想的吸收剂。目前，世界上大多数从电厂烟气中捕集CO2的方法都是以MEA溶剂为基础的化学吸收法11。根据理论分析，MEA与CO2反应生成比较稳定的氨基甲酸盐，在再生过程中需要较多的能量才能分解，导致再生能耗较大。同时氨基甲酸盐对设备的腐蚀性较强，又易形成水垢。MEA与CO2的反应式12如下：CO2+HOCH2CH2NH2=HOCH2CH

24、2HNCOO+H+（1）HOCH2CH2HNCOO+H2O=HOCH2CH2NH2+HCO3（2）HOCH2CH2NH2+H+=HOCH2CH2NH3+（3）反应为放热反应，在加热作用下，反应将会逆向进行，可对醇胺溶液进行再生。因为MEA与CO2反应生成比较稳定的氨基甲酸盐，反应式（2）比反应式（1）要快得多，所以总反应式可以写为：CO2+2HOCH2CH2NH2+H2O=HOCH2CH2HNCOO+HOCH2CH2NH3+由总反应式可看出，乙醇胺吸收CO2时将会受到热力学的限制，即1 mol醇胺最大的吸收能力为0.5 mol的CO2。在胺溶液流量120 m3/h、吸收温度40、常压吸收条件下

25、，分别对MEA、DEA、MDEA、TEA、DIPA、DGA六种溶液在不同浓度下对二氧化碳的吸收情况进行模拟。在吸收过程中，吸收速率是受到溶解度系数、液相的分子扩散系数以及溶液的浓度共同影响的。溶液浓度增大可增强CO2的水解，即增强溶液对CO2的吸收，但同时溶液的溶解度系数和分子扩散系数将随着溶液的浓度增加而降低，所以每种溶液都有一个相对理想的吸收浓度范围，而不是浓度越高越好。如图1所示，MEA溶液相对来说吸收能力较强，且所需浓度较低，具有一定经济性，是较为理想的吸收溶液2。图11 各种溶液在不同浓度下对二氧化碳的吸收情况二 吸收塔系统及结构1 吸收塔的定义 吸收塔是实现吸收操作的设备。按气液相

26、接触形态分为三类。第一类是气体以气泡形态分散在液相中的板式塔、鼓泡吸收塔、搅拌鼓泡吸收塔；第二类是液体以液滴状分散在气相中的喷射器、文氏管、喷雾塔；第三类为液体以膜状运动与气相进行接触的填料吸收塔和降膜吸收塔。塔内气液两相的流动方式可以逆流也可并流。通常采用逆流操作，吸收剂以塔顶加入自上而下流动，与从下向上流动的气体接触，吸收了吸收质的液体从塔底排出，净化后的气体从塔顶排出。工业吸收塔应具备以下基本要求：(1)塔内气体与液体应有足够的接触面积和接触时间。(2)气液两相应具有强烈扰动，减少传质阻力，提高吸收效率。(3)操作范围宽，运行稳定。(4)设备阻力小，能耗低。(5)具有足够的机械强度和耐腐

27、蚀能力。(6)结构简单、便于制造和检修。2 几种常用的吸收塔(1)填料塔 它由外壳、填料、填料支承、液体分布器、中间支承和再分布器、气体和液体进出口接管等部件组成，塔外壳多采用金属材料，也可用塑料制造。填料是填料塔的核心，它提供了塔内气液两相的接触面，填料与塔的结构决定了塔的性能。填料必须具备较大的比表面，有较高的空隙率、良好的润湿性、耐腐蚀、一定的机械强度、密度小、价格低廉等。常用的填料有拉西环、鲍尔环、弧鞍形和矩鞍形填料，20世纪80年代后开发的新型填料如QH1型扁环填料、八四内弧环、刺猬形填料、金属板状填料、规整板波纹填料、格栅填料等，为先进的填料塔设计提供了基础。填料塔适用于快速和瞬间

28、反应的吸收过程，多用于气体的净化。该塔结构简单，易于用耐腐蚀材料制作，气液接触面积大，接触时间长，气量变化时塔的适应性强，塔阻力小，压力损失为300700Pa，与板式塔相比处理风量小，空塔气速通常为0.51.2m/s，气速过大会形成液泛，喷淋密度68m3(m2，h)以保证填料润湿，液气比控制在210Lm3。填料塔不宜处理含尘量较大的烟气，设计时应克服塔内气液分布不均的问题。(2)湍球塔它是填料塔的一种特殊形式，运行时塔内填料处于运动状态，以强化吸收过程。在塔内栅板间放置一定数量的轻质小球填料(直径2938mm)，吸收剂自塔顶喷下，湿润小球表面，气体从塔底进入，小球被吹起湍动旋转，由于气、液、固

29、三相充分接触，小球表面液膜不断更新，增加了吸收推动力。提高了吸收效率。该塔制造、安装、维修较方便，可以用大小、质量不同的小球改变操作范围。该塔处理风量较大，空塔气速1.56.0ms，喷淋密度20110m3(m2h)，压力损失15003800Pa，而且还可处理含尘气体。其缺点是塑料小球不能承受高温，小球易裂(一般0.51年)，需经常更换，成本高。(3)板式塔板式塔是在塔内装有一层层的塔板，液体从塔顶进入。气体从塔底进入，气液的传质、传热过程是在各个塔板上进行。板式塔种类很多。大致可分为二类：一类是降液管式，如泡罩塔、筛孔板塔、浮阀塔、S形单向流板塔、舌形板塔、浮动喷射塔等；另一类是穿流式板塔，如

30、穿流栅孔板塔(淋降板塔)、波纹穿流板塔、菱形斜孔板塔、短管穿流板塔等。筛孔板塔筛孔直径一般取510mm，筛孔总面积占筛板面积的1018。为使筛板上液层厚度保持均匀，筛板上设有溢流堰，液层厚度一般为40mn左右，筛板空塔风速约为1.03.5ms，筛板小孔气速613ms，每层筛板阻力300600Pa。筛孔板塔主要优点是构造简单，处理风量大，并能处理含尘气体。不足之处是筛孔堵塞清理较麻烦，塔的安装要求严格，塔板应保持水平；操作弹性较小。斜孔板塔斜孔板塔是筛孔板塔的另一形式。斜孔宽1020m，长1015mm，高6mm。空塔气流速度一般取13.5ms，筛孔气流速度取1015m/s。气体从斜孔水平喷出，相

31、邻两孔的孔口方向相反，交错排列，液体经溢流堰供至塔板(堰高30mm)，与气流方向垂直流动，造成气液的高度湍流，使气液表面不断更新，气液充分接触，传质效果较好，净化效率高，同时可以处理含尘气体，不易堵塞，每层筛板阻力约为400600Pa。该塔结构比筛孔板塔复杂，制造较困难，安装要求严格，容易发生偏流。文氏管吸收器文氏管吸收器通常由文氏管、喷雾器和旋风分离器组成，操作时将液体雾化喷射到文氏喉管的气流中，气流速度为60100ms，处理100m3min的废气需液体雾化喷人量为40Lmin。文氏管吸收器结构简单、设备小、占空间少、气速高、处理量大、气液接触好、传质较容易，特别适用于捕集气流中的微小颗粒物

32、。但因气液并流，气液接触时间短，不适合难溶或反应速度慢的气液吸收，而且压力损失大(8009000h)，能耗高。3 CO2吸收塔示范装置系统工艺CO2捕集示范装置系统工艺流程简化图如图12所示。图12 CO2捕集示范装置系统工艺流程简化图从除尘、脱硫后引来的烟气温度为4050,正好处于MEA理想吸收温度。在一般情况下,经过除尘、脱硫处理的烟气通过鼓风机加压后直接进入吸收塔进行CO2的吸收。鼓风机增压用来克服在气体通过吸收塔时所产生的压降。当工况波动下出现烟气温度超温时,启动设置在吸收塔前的喷水减温装置,将其温度降到50以下。为了防止烟气中带入的水分进入捕集装置破坏系统水平衡,在吸收塔前还增设了旋

33、流分离器,将前段烟气脱硫后夹杂的水分与固体颗粒物脱除。在吸收塔中,烟气自下向上流动,与从上部入塔的吸收液形成逆流接触,使CO2得到脱除。净化后的脱碳烟气从塔顶排出。由于MEA具有较高的蒸汽压,为减少MEA蒸汽随烟气带出而造成吸收液损失,通常将吸收塔分成两段,下段进行酸气吸收,上段通过水洗,降低烟气中的MEA蒸汽含量。洗涤水循环利用,随着洗涤水中MEA的不断富集,需要将一部分洗涤水并入富液中送去再生塔进行再生,由此损失的洗涤水通过再生气冷凝水来保持,同时保证了两套回路的水平衡。吸收了酸气的吸收液(富液)通过富液泵加压送至再生塔。为减少富液再生时蒸汽的消耗量,利用再生后的吸收溶液(贫液)的余热对富

34、液进行加热,同时也达到冷却再生溶液的目的。富液从再生塔上部进入,通过汽提解吸部分CO2,然后进入煮沸器,使其中的CO2进一步解吸。解吸CO2后的贫液由再生塔底流出,经贫富液换热器换热后,用泵送至水冷器,冷却后进入吸收塔。溶剂往返循环构成连续吸收和解吸CO2的工艺过程。从再生塔顶出来的CO2及蒸汽混合物通过冷却器冷却冷凝,经由分离器汽水分离,冷凝水通过回流补液返回系统,分离出CO2气体进入后续的压缩处理程序。为了维持溶液清洁,约10% 15%的贫液经过活性炭过滤器等过滤;为处理系统的降解产物,设置胺回收加热器,需要时,将部分贫液送入胺回收加热器中,加入碱溶液,通过蒸汽加热再生回收。为维持吸收液的

35、清洁,在贫液冷却器后设立旁路过滤器,脱除吸收液中的铁锈等固体杂质。吸收塔是捕集系统的关键设备,属于气液传质设备。结合电厂的应用情况,在本捕集系统的设计中,采用了压降小、不易起泡的填料塔。再生塔也采用类似的设计。在填料的选择上,在吸收塔与再生塔内均安装了孔板波纹填料,具有以下特点:填料空隙率大(98% ),气液两相能均匀通过,压降低,流通量高;溶液能在孔板表面形成稳定液膜,润湿率高,具有较高的传质效率;具有很好的润湿性能和自分布能力,气液分布比较均匀,几乎无放大效应;填料规则排列,无死角,液膜薄,持液量小;造价较低。此外,为了提高分离效率、改善塔后设备的操作状况、回收昂贵的反应溶剂以及减少对环境

36、的污染,在两个塔器的顶端均设置了高效丝网除沫器。此外,为了使再生塔内的溶液完全再生,在再生塔底部增设一升气帽,使从再生塔顶部流下的溶液经升气帽阻隔,溶液首先全部进入再沸器充分再生。这样既可降低再生温度,同时缩短了溶液在再沸器内的停留时间,降低复合胺溶液的降解。烟气在吸收塔内与胺溶液充分接触后,约90%的CO2被溶液吸收,余下的烟气则从塔顶排空,同时不可避免的会有部分胺溶液会随排空烟气带出系统排入大气,既污染了环境也增大了胺溶液的消耗量。为了回收排空烟气中携带的胺溶液,吸收塔顶部布置了一套洗涤液系统,建立除盐水循环,对脱除CO2后的烟气进行洗涤10。三 解析塔设计 解析塔是大型浸出车间尾气回收系

37、统工艺中的关键设备之一，与吸收塔、富油泵、冷却器、热交换器、加热器、贫油泵等设备配合使用。在溶剂气体回收的过程中，首先通过吸收塔对尾气中溶剂气体进行吸收、吸附，流出的混合油再通过该解析塔以汽提蒸馏的方式对混合油中的溶剂进行分离，来达到有利于溶剂回收的目的。再沸器是捕集工艺中溶液再生的关键设备,具有供热、产生蒸汽(以降低CO2分压)和使残余CO2进一步从溶液中解吸等多项功能。在国外CO2捕集系统设计中,再沸器有2种主要形式:立式热虹吸再沸器与卧式釜式再沸器。在本套装置再沸器的设计中,采用了立式自然差压再沸器,结合再生塔内升气帽的设计,使溶液从再生塔内较高的高位进入再沸器底部,加热上升后的气态混合

38、物进入再生塔底,再生溶液(气)从再生塔的高位流出、低位进塔,其高度差是促使溶液在再沸器内自然流动的动力。这种流程布置既保留了立式再沸器结构紧凑、传热系数高的特点,又避免了热虹吸的不稳定问题。为了使设备长期、高效率地无故障运行,国外的首要经验是保持吸收溶液的清洁。在长时间的运行后,装置内不可避免会有杂质的产生,从而引起溶液的发泡及腐蚀问题,因此,溶液过滤器虽然只是配套设备,却应给予应有的重视。在进入吸收塔的贫液管路上旁路设置活性炭过滤器,根据溶液分析得到的污染程度,调整溶液通过活性碳过滤器的比例,来保持溶液的清洁。在回收CO2的过程中,吸收剂的主要成分MEA易与氧气、二氧化碳、硫化物等发生化学降

39、解,也易发生热降解,而引起MEA降解损耗增大的主要原因是氧气与MEA的氧化降解反应。MEA与氧气的降解中间产物主要为过氧化物,最终产物为氨基乙酸等,与二氧化碳的降解产物主要有恶唑烷酮类等。MEA降解问题一直是MEA法回收二氧化碳存在的难以解决的技术难题。在本套装置内加入了抗氧化剂后,降解反应链被部分中断,溶液的降解问题能得到很大改善,但是仍然难以完全抑制过氧化物的生成。溶液生产循环一段时间后,仍然会生成一定数量的热稳定性盐,影响溶液的吸收能力。为了提高溶液的清洁度,保持溶液的CO2吸收能力,在捕集系统内布置了胺回收反应釜,间歇性投运,将热稳定盐加热分解生成乙醇胺溶液,回收利用,不可再生的降解产

40、物则从反应釜排放,并进行无害化处理。胺回收反应釜是一个换热反应设备,通过引入蒸汽作为加热热源,将系统内部分贫液导入反应釜,同时加入一定浓度的碱溶液,使溶液再生回收。胺回收反应釜的投运频率将视运行过程中溶液的降解程度而定10。 图13 解析塔二、 研究的基本内容，拟解决的主要问题1、研究的基本内容此设计主要对经过脱氮，除尘，脱硫后的烟气进行脱除二氧化碳的吸收塔设计。其主要包括二氧化碳的吸收塔和解析塔的系统和结构设计以及强度校核和工程概预算。并利用Auto CAD作图软件画出吸收塔的三视图及零件图。2、拟解决的主要问题 本题目中重点研究的是吸收塔及解析塔的系统和结构设计，还有塔的强度校核。利用Au

41、to CAD作图软件画出吸收塔的三视图及零件图。三、 研究步骤、方法1. 资料查阅查阅至少与设计及其相关的纸质版中文文献10篇以上，外文复印文献2篇以上，需要翻译至少一篇外文文献。通过查阅资料，计算出吸收塔和解析塔的结构数据，以及所需填料的量，设计出吸收塔和解析塔的结构，对塔的强度进行校核，以及对设备的工程概预算。2. 设计内容 吸收塔系统设计，结构设计及强度校核。 解析塔系统设计，结构设计及强度校核。 其他设计及整个工程的概预算。 按照国家标准画图，绘制的图量至少需要达到三张零号图，其中手绘的图量需要相当于一张零号图。3论 文 完成设计后，进行论文的撰写，并打印出来，外文文献及翻译四、 研究

42、工作进度第1周 科技方法训练，查阅校内，外资料 第2周 科技方法训练，翻译外文资料 第3周 撰写文献综述和开题报告 第4周 进行开题报告，进行总体设计 第5周 吸收塔系统设计第6周 吸收塔结构设计及强度校核第7周 解析塔系统设计第8周 解析塔结构设计及强度校核第9周 其他设计及整个工程的概预算第10周 按照国家标准绘图第11周 按照国家标准绘图第12周 按照国家标准绘图第13周 按照国家标准绘图第14周 撰写设计说明书，并输入计算机第15周 根据指导教师、评阅教师意见修改论文。准备答辩第16周 整理资料，制作幻灯片，答辩五、 主要参考文献1 刘练波,黄斌,郜时旺等. 燃煤电站3 0005 00

43、0 t/a CO2捕集示范装置工艺及关键设备J.电力设备,2008,9(5):21-242 刘炳成，张煜，李聪等. 电厂烟气CO2胺法捕集工艺模拟优化J.化工进展,2009,28:293-2963 P V Danckwerts. Chem. Eng. Sci., 1979, 34(4): 443445.4 B PMandals, MGuha, AK Biswas et al. Chem. Eng. Sci., 2001, 56(21): 621762245 钟战铁.有机胺溶液吸收二氧化碳基础研究D.杭州:浙江大学,2002.6 翟彦青,徐新,蒋力培.醇胺溶液吸收二氧化碳的实验研究J.化学通报，

44、2009，7：660-6647 盖群英,张永春,周锦霞等.有机醇胺溶液吸收二氧化碳的研究J.现代化工，2007，27：395-3978 IDEM R,WILSON M, TONTIWACHWUTHIKUL P T,etal.Pilot plant studies of the CO2capture performance of aque-ous MEA and mixed MEA/MDEA solvents at the University of Regina CO2capture technology development plant and the Boundary Dam CO2ca

45、pture demonstration J. Ind Eng ChemRes, 2006, 45:2414-24209 CHAKMA A. Formulated solvents: new opportunities for energy efficient separation of acid gases J. Energy Sources,1999, 21:51-62. 10 ARTICLE HABAKI H, PERERA J M, KENTISH S E,etal.CO2absorption behavior with a novel random packing: supermini

46、 ringJ. Separation Science and Technology, 2007, 42(4):701-716.11LIANG Zhi-wu, TONTIWACHWUTHIKU L P, IDEM R.Simulation of the effects of lean loading, and flue Gas tempera-ture (with and without a saturator) on energy requirements for absorption of CO2 in 30wt.% MEA solution using proMax2.0C：58th Ca

47、nadian Chemical Engineering Conference, Otta-wa, Canada:2008,20-22.12 梁志武, 那艳清, 李文生. 单乙醇胺(MEA)捕获二氧化碳过程解吸能耗的模拟J. 湖南大学学报，2009，36（11）：57-6113 李伟斌，陈健. 乙醇胺溶液吸收CO2动力学实验研究J.中国科技论文在线，2009，4（12）：849-85414 姜世楠一乙醇胺CO2吸收剂的理化性质J舰船防化，2006（2）：19-23.六、 系（教研室）评议意见评议人： 年 月 日 北 京 石 油 化 工 学 院毕 业 设 计 （论 文）任 务 书学院（系） 机械工

48、程学院 专业 环境工程 班级 06-1 学生姓名 李金玮 指导教师/职称 王建宏/工程师 1.毕业设计（论文）题目 醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔设计2.任务起止日期： 2010 年 3 月 1 日 至2010年 6 月 20 日3.毕业设计（论文）的主要内容与要求（含原始数据及应提交的成果） （1）题目简介与主要内容二氧化碳所造成的温室效应引起了全球的广泛关注。燃煤电厂所产生的二氧化碳占了总排放量的60%以上，因此，对燃煤电厂排放的二氧化碳进行脱除是控制温室效应的关键手段之一。对于二氧化碳的脱除，目前最广泛应用的方法是醇胺法。而二氧化碳的吸收主要在吸收塔内进行，吸收塔的性能直接影响着二氧化碳的吸

49、收效果。本设计主要对经过脱氮、除尘、脱硫后的烟气进行脱除二氧化碳的吸收塔设计。其主要包括二氧化碳的吸收塔和解析塔的系统和结构设计以及强度校核和工程概预算。（2）原始数据烟气组成CO2 N2O2H2OSO2 NOX飞灰含量14.60%71.90%4.80%8.15%50mg/m350mg/m310mg/m3烟气量：3000m3/h , 进二氧化碳吸收塔烟气温度：40-50(3)应提交的成果至少提供与设计及其相关的纸质版中文文献10篇以上，外文复印文献2篇以上，需要翻译至少一篇外文文献。绘制的图量至少需要达到三张零号图，其中手绘的图量需要相当于一张零号图。需要提供符合要求的开题报告与文献综述、英文

50、翻译、论文和图。4.主要参考文献刘练波,黄斌,郜时旺,许世森. 燃煤电站3 0005 000 t/a CO2 捕集示范装置工艺及关键设备J.电力设备，2008，9（5）：21-24黄斌, 许世森, 郜时旺等。燃煤电厂CO2捕集系统的技术与经济分析J.动力工程，2009，29（9）:864-874有关二氧化碳方面的书籍其他吸收塔方面的书籍AutoCAD等方面的书籍。5.进度计划及指导安排第一周 科技方法训练，查阅校内、外资料第二周 科技方法训练， 翻译外文资料， 第三周 撰写文献综述和开题报告第四周 进行开题报告，进行总体设计第五周 吸收塔系统设计第六周 吸收塔结构设计及强度校核第七周 解析塔系

51、统设计 第八周 解析塔结构设计及强度校核第九周 其他设计及整个工程的概预算第十周 按照国家标准绘图第十一周 按照国家标准绘图第十二周 按照国家标准绘图第十三周 按照国家标准绘图第十四周 撰写设计说明书，并输入计算机第十五周 修改设计说明书，准备答辩第十六周 答辩任务书审定日期 年 月 日 系（教研室）主任（签字） 任务书批准日期 年 月 日 教学院（部、系）院长（签字） 任务书下达日期 年 月 日 指导教师（签字） 计划完成任务日期 年 月 日 学生（签字） 摘 要 电厂燃煤烟气所排放的二氧化碳会造成温室效应和全球气候变化，引发严重的环境问题。因此控制二氧化碳的排放已经刻不容缓了，也是应对气候

52、变暖的最重要的技术之一。控制二氧化碳的排放有多种方式，本文着重介绍了MEA吸收二氧化碳的工艺技术。 本论文主要对二氧化碳化学吸收法的基本原理、反应机理、工艺流程、应用设备、存在的问题及解决措施作简要的介绍；对二氧化碳化吸收塔设备作详细的设计，主要包括填料、筒体、塔内件（液体分布装置、填料支承装置、床层定位器、除沫器）；对填料塔附件作详细的设计，进行强度校核、工程概预算。 通过本设计，尽量解决二氧化碳吸收过程中存在的问题，并对二氧化碳化学吸收工艺的发展前景予以展望。 关键词：二氧化碳吸收，填料塔，解析塔 Abstract Carbon dioxide emission from coal-fir

53、ed power plant flue would cause the greenhouse effect and global climate change and serious environmental problems. Therefore controling the emissions of carbon dioxide has become the most important technical routes of response to climate warming .There are many technologies to control emissions of

54、carbon dioxide. This paper emphasizes to introduce the chemical absorption process technology of Carbon dioxide which is applied extensively. The article introduced the basic principles of the chemical absorption process technology of carbon dioxide, reaction mechanism, process, application and the problems presented and solutions to them. A detailed design to the chemical absorption of the carbon dioxide was made，mainly including packing, shell and internals(liquid distribution device, packing supporting