2传质性能研究环填料塔中单乙醇胺

1、2传质性能研究> 环填料塔中单乙醇胺 摘 要： 在乱堆环不锈钢填料的自制填料塔中，使用单乙醇胺(MEA)作为吸收剂，研究MEA脱除CO2的去除率和总体 积传质系数?K?Ga?v，考察了贫液中CO2负载量、吸收剂浓度、液体流量、吸收温度等不同参数对总体积传质系数的影响.实验结果表明，?K?Ga?v随贫液中CO2负载量的增大而减小，随吸收剂浓度、液体流量的增大而增大；且进料温度在3050 时，?K?Ga?v随温度的增大而增大. 关键词： 二氧化碳；单乙醇胺；填料塔；传质系数 中图分类号：TQ028?17文献标识码：AMass Transfer Performance in aring Pac

2、ked Tower for CO?2 Absorption Process Using Monoethanolamine (MEA) NA Yanqing, FU Kaiyun， LIANG Zhiwu, XI Fei, LIU Helei, LI Wensheng, TONTIWACHWUTHIKULP T (Joint International Center for CO?2 Capture and Storage(iCCS), College of Chemistry and Chemical Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan 41008

3、2,China)Abstract: The mass transfer coefficient (?K?Ga?v) and the removal efficiency of carbon dioxide for aqueous MEAbased absorption process were investigated in a packed absorber filled with ring stainless steel packing. The experiment results showed that ?K?Ga?v decreased with the increase of CO

4、?2 leanloading, and increased with the rise of MEA concentration and liquid flow rate. In addition, an increase in feed temperature from 30 to 50 led to an increase in ?K?Ga?v. Key words:carbon dioxide; monoethanolamine; packed tower; mass transfer coefficient 随着人类消耗化石燃料的增加，大气中CO2含量逐步上升，温室效应日益严重，致使人

5、类面临着急需解决的环境问题.同时，CO2是一种宝贵的资源，在食品、农业、工业、采油业等很多领域有着广泛的应用.目前，有很多方法可以回收CO2，而化学吸收法因其容量大、吸收效果好、吸收剂可循环使用、成本低并能回收高纯产品等优点，在工业上得到广泛应用.常见的化学吸收剂有氨水、钾碱/钠碱和有机醇胺溶液等1-3，其中MEA是一种工业上应用最为广泛的有机醇胺吸收剂.填料作为填料塔的重要组成部分，其传质性能的优劣对脱碳效果起着关键作用.环填料，又称狄克松（Dixon）填料，是一种小颗粒高效填料.该填料空隙率大、比重小，表面润湿情况比一般瓷环完全，成膜率高，因而分离效率较高.常彦龙等4研究表明环填料具有良好

6、的流体力学性能；骆培成等2使用环填料考察了NaOH对空气中微量CO2的净化情况.但是，目前国内对环填料塔中使用MEA脱除烟气中CO2总体积传质系数研究的报道较少，而总体积传质系数?K?Ga?v是研究填料塔传质性能的重要参数，它的确定对于传质速率方程、传质单元高度的计算非常关键.因此对该新型高效散装填料进行传质性能研究有着重要的现实?庖?.本文在填充环不锈钢填料的直径为24 mm的填料塔中，进行MEA脱除CO2工艺传质性能研究，考察贫液中CO2负载量、吸收剂浓度、液体流量、吸收温度等不同参数对传质系数的影响.实验结果可为今后的放大试验及工业上的吸收塔设计提供依据.1 理论分析1.1 MEA吸收C

7、O2反应机理目前，公认的MEA吸收CO2反应机理是由Caplow5于1968年提出，并由Danckwerts6于1979年补充完善的两性离子机理.首先CO2与MEA(或DEA)反应会生成一种两性离子的中间产物：CO?2+R?1R?2NH?R?1R?2NH?-COO?-然后，两性离子与溶液中的碱催化剂进行去离子反应，形成一种质子化的产物和氨基甲酸盐离子：R?1R?2NH?+COO?-+B?R?1R?2NCOO?-+BH?-溶液中的碱催化剂B包括R?1R?2NH，OH-和H?2O.1.2 CO2去除率CO2去除率?可表示为：?Y?in-?Y?out ?Y?in100% 式中 ?Y?in,? Y?o

8、ut为塔底和塔顶气相中CO2摩尔比浓度1.3 总体积传质系数的测定微分法是测量填料塔总体积传质系数的方便有效的手段.Aroonwilas7-8和沈洪士等9分别用该法考察了AMP，MEA，碳酸钾/哌嗪，AEE+MDEA等水溶液吸收CO2的总体积传质系数.根据双膜理论及单相传质速率的方程，在稳态时，用气相浓度差表示的总传质速率方程式如下：?N?A=?K?G?P?（?y?A-?y?*?A) (1)式中?N?A? 为吸收传质通量，(kmol/（m2h）)；?K?G? 为气相总传质系数，(kmol/（m2hkPa）)；? P?为气体总压，kPa；?y?A,?y?*?A为气相主体浓度，与液相主体浓度相平衡

9、的气相浓度,无因次?考虑到物料衡算，在逆流连续接触的填料塔中，任意横截面上取d?z?的微元高度有：?N?A?a?vd?z?=?V?d?Y?A (2) 式中?a?v为有效相界面积，（m?2/m?3)；?V?为N?2流量，kmol/( m2h)；? Y?A为气相中CO2摩尔比浓度，无因次?把式(1)代入式(2)中并整理得：?K?Ga?v= ?V? ?p?(?y?A-?y?*?A)d?Y? d?z?(3)式(3)中的d?Y?/d?z?通过测量不同塔高的气相CO2浓度拟合曲线作?Yz图，对z求?导即可得到不同高度处的d?Y?/d?z?值.此外，由于MEACO2属于快速反应，在气液相连续逆流接触的吸收过

10、程中，与液相主体中CO2浓度相平衡的气相CO2浓度趋于零，即?y?*?A0.在伴随有化学反应的吸收过程中，?K?Ga?v通常沿着填料高度不断变化.实验过程中沿塔底往上到第3个气体取样点处已去除大半甚至全部的CO2，这里只讨论前3个取样点处的?K?Ga?v.在该段填料高度处，?y?A-?y?*?A?y?A，本文忽略?y?A*的大小. 2 实验部分 实验装置如图1所示，主体设备填料塔的内径为24 mm，填料高度为1.42 m，塔内乱堆填充天津天大天久科技股份有限公司提供的环不锈钢填料(?3 mm3 mm)，填料塔外部包有保温材料.N?2,CO2气体由钢瓶依次经减压阀、质量流量计混合后进入塔底，与经

11、过磁力泵、转子流量计从塔顶进入的吸收剂逆流接触.气、液物料在进入填料塔之前都经过水浴锅加热以便在设定温度进料.吸收过程进行前先调节N?2，CO2流量，待?y?CO?2稳定在10后通入吸收剂.1CO2钢瓶；2N?2钢瓶；3，4质量流量计；5，10水浴锅；6填料塔；7红外线检测仪；8富液罐；9转子流量计；11磁力泵；12贫液罐实验中，气相CO2浓度用便携式红外线CO2分析仪（NOVA，Model 302 K）测量，测量精度为?0.1%（体积）.由于分析仪工作时所需的气样量较大，不宜直接将取样棒连接塔身测量.每次实验过程中，待吸收装置运行20 min操作状态稳定后，测量点外接气体取样袋.取样过程约为

12、1 h，以保证袋中气体与该塔高处的气体浓度基本一致.贫、富液中的CO2含量采用酸解法测量，即往吸收液中加入过量的HCl（或H?2SO?4），在强酸作用下，将CO2分解出来.在封闭系统中，用量气管测量排出的CO2体积并考虑温度和饱和蒸汽压的影响即可求出吸收液中的CO2含量. 实验中，分别由气、液相计算物料平衡的相对误差均小于5%，误差在可接受范围内.3 结果与讨论3.1 CO2负载量对?和K?Ga?v的影响在相同MEA浓度?C?MEA?下，贫液中的CO2负载量(CO2/MEA)mol/mol对吸收效果有较大影响.由图2可知，?K?Ga?v随着CO2负载量的增大而减小.当溶液中CO2负载量大于0.

13、3 mol/mol时，其?K?Ga?v值较新鲜MEA溶液?K?Ga?v的20%还小.如?分别为0.002 7和0.304 5 mol/mol时，在沿塔底往上前3个取样点处的?K?Ga?v值分别为0.345，0.528，1.887和0.018，0.105，0.204 kmol/（m3hkPa).这是由于随着CO2负载量的增大，溶液中的自由MEA分子减少，与CO2接触的机会减小，化学反应速率的降低使得化学吸收作用减小，物理吸收作用增大，故在高负载量时，总体积传质系数变化不大.填料高度/m(a) CO?2负载量对?的影响3.2 吸收剂浓度对?和K?Ga?v的影响 在工业吸收过程中，吸收剂浓度是影响?

14、和K?Ga?v的一个重要参数，选择合适的吸收剂浓度至关重要，因为它影响着整个装置的设计和操作.在30 时，分别通入1.0，2.0 mol/L的 MEA水溶液.由图3可知，在气、液相进料量一定的条件下，随着MEA浓度的增大，CO2去除率和传质速率系数均增大.根据传质机理，吸收剂浓度的提高，使得化学增强因子增大，液相反应速率加快，液相分传质系数大大提高，从而增大了总体积传质系数.值得注意的是，即便增大浓度会不断提高总传质系数，可增大浓度意味着所需吸收剂的费用增加，对设备腐蚀的速率也会增加.因此，在工厂的运行中要整体优化考虑吸收剂浓度参数.填料高度/m(a) MEA浓度对?的影响填料高度/m(b)

15、MEA浓度对?K?Ga?v的影响?V?N?23.00 L/min;?y?CO?210 %;?0.1152 mol/mol；?L?40 mL/min; ?t?30 图3 MEA浓度对?和K?Ga?v的影响Fig.3 Effect of MEA concentration on ? and ?K?Ga?v3.3液体流量对?和K?Ga?v的影响如图4所示，在?C?MEA为1 mol/L时，随着液体流量的增大，总体积传质系数?K?Ga?v和CO2去除率?增大.产生这种行为的原因可能是增大吸收剂的喷淋密度会增大气液接触的有效面积；增大吸收剂流量会增大液体流动的湍流程度，减小相界面层的液膜厚度，从而增大液

16、相的传质系数；增大吸收剂流量会增大自由MEA分子，从而增加吸收CO2的能力.但是，过于增大流量会增大循环和再生吸收剂的花费.故一味增大吸收剂的流量不一定会得到最优化的操作条件. 3.4 进料温度对?和K?Ga?v的影响填料高度/m(a) 液体流量对?的影响填料高度/m(b) 液体流量对?K?Ga?v的影响?V?N?23.00 L/min;?y?CO?210 %;?0.143 1 mol/mol；?C?MEA1.02 mol/L;?t?30 填料高度/m(a) 进料温度对?的影响填料高度/m(b) 进料温度对?K?Ga?v的影响?V?N?23.00 L/min;?y?CO?210 %;?0.14

17、3 1 mol/mol；传递；升高温度会降低溶液粘度，有利于分子在溶液中的扩散，且会加快反应速率，两方面的因素都会影响总传质系数.本文对进料温度为30 ，40 ，50 进行了实验，由图5可知，进料温度升高，吸收效果显著提高.4 结 论 本文在环填料塔中，对MEA吸收CO2过程进行传质性能研究，在考察的参数范围内，得出以下结论：1）在相同条件下，CO2去除率和总体积传质系数随吸收剂中CO2负载量的增大而减小.CO2负载量大的吸收剂化学吸收CO2作用不显著.2）增大吸收剂的浓度会提高增强因子的作用，加快CO2与吸收剂之间的传递.3） ?和K?Ga?v均随吸收剂流量的增大而增大，在气液比降低到一定程

18、度时，增大流量对吸收效果影响?淮?.4）进料温度对吸收效果有较大影响，提高进料温度，去除率和传质系数较大. 参考文献 1刁永发,郑显玉,陈昌和.氨水洗涤脱除CO?2温室气体的机理研究J.环境科学学报,2003,23(6):753-757. DIAO Yongfa, ZHENG Xianyu, CHEN Changhe. Study on removal mechanism of CO?2 greenhouse gas by ammonia scrubbingJ.Acta Scientiae Circumstantiae,2003, 23(6):753-757.(In Chinese) 2 骆培

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