乙醇胺溶液吸收CO2动力学实验研究

第4卷第12期 2009年12月 中国科技论文在线SciencepaperOnline v01．4No．12 Dec．2009 乙醇胺溶液吸收C02动力学实验研究 李伟斌，陈健 (清华大学化学工程系，化学工程联合国家重点实验室，北京100084) 摘要：c02是引发全球气候变暖的主要温室气体之一。随着世界各国对地球温室效应问题的关注，032减排日益引 起全世界的重视。由于发电厂09c02排放量约占全球总o。2排放量的40％，从电厂烟道气中捕集、分离aD2极为重要， 化学吸收c02方法是当前研究热点。为研究化学溶剂乙醇胺①蛔Ⅺed脚d觚lil砖MEA)吸&c02的动力学性质，建立了 湿壁柱进行o。2吸收实验测定，建立cch在MEA溶液中的吸收动力学模型。c02与MEA的反应为快速拟一级反应，通 过测得的实验数据，依据双膜理论和Fick定律求得反应速率常数。所得结果与文献值符合良好。 关键词：二氧化碳；MEA；动力学；吸收速率 中图分类号：TQ013．2文献标识码：A 文章编号：1673—7180(’2009)12—0849—6 KineticsofabsorptionofC02intoaqueousMEAsolutions LiWeibin，ChenJian (StateKeyLaboratoryofChemicalEngineering,DepartmentofChemicalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing 100084，China) Abstract：CChisoneofthemain乎∞nl溅gasescausmgglobalwarmjng．Withtheworldonconcernglobalwa／llling, c02emissionreductionhasataactedincreasingattentionaroundtheworld．Sincepowerplantsaccount40％ofglobalcch emission,itisveryimportanttocaptureandseparateC02fromfluegIses．ToseizetheplDpertiesofachemicalabsod瑚t, MEA,withspecializedinterestedinitsabsorptionkinetics,weinvestigatetheabsorptionofC02intoaqueousMEAsolutions withawettedwallcolumnandthenstudyamodelforkineticsofcarbandioxideabsorption．ThereactionisexpressedaSa fastpseudo-first-orderreaction．Aftertheabsorptiondatawereobtained,doublc-filrntheoryandFick'slawwereusedto obtainreactionrateconstants．Thereactionrateconstantsobtainodinthisworkaccordwiththedatainpreviousliteratures． Keywords：carbondioxide；MEA；kinetics；absorptionrate 0引言 1750年以前大气中C02浓度相当稳定，约占大气 中的体积分数平均为280x10r6，变辐仅10xl旷。工业革 命以来，由于人类大量燃烧化石燃料，砍伐森林破坏植 被，使大气中C02浓度急剧上升，截至2008年的统计 基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)(2008AA062301) 作者简介：李伟斌(1986--)男，硕士研究生 通信联系人：陈健，教授，ej-d,cc@tsinghua．cdu．cn 数据显示，大气中C02浓度已超过384x10r6【lJ。据 Houghton等预测，2030年浓度将达到600x10r6，21世 纪末将达到650x10r6—700x10-6lzJ。据联合国政府间气 候变化专门委员会(iPCC)第三次评估报告ljJ，全球大气 的平均温度在过去的100年上升了约0．6℃，而且在 未来几十年内人类活动将导致全球温度每十年增加 万方数据 850 中国科技论文在线SciencepaperOnline 第4卷第12期 2009年12月 0．1枷．2℃。以C02为主的温室气体正导致全球气候不 断恶化，近几十年来，极端天气事件的灾害次数和造成 的经济损失均呈快速上升的趋雪掣，重大气象灾害从20 世纪50年代的13次猛增到90年代的72次，所引起的 经济损失增加了近10倍，1990至1999年间经济损失达 到约4000亿美元。 在过去的20年，排放到大气的C02的75％是由化 石燃料燃烧造成的。21世纪化石燃料将继续主导热力和 电力生产，发电的C02排放量占全球总排放量的37．5％， 电厂烟道气是C02长期稳定集中的排放源，因此从电厂 烟道气中捕集回收C02是缓解C02排放危机的最直接 有效的手段。 化学吸收法主要采用碱性溶液等能同C02进行快 速反应的物质溶解吸收C02，然后通过改变条件分解释 放co：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C02的方法都是以MEA溶剂 为基础的化学吸收法。 吸收动力学的实验研究是为了获得计算过程设备 的参数，以及对某一种吸收模型进行校核或揭示出各种 因素的影响。实验室研究吸收动力学可以采用动力学方 法，将气体混合物以一定的速度通过装有吸收剂的装 置，由进入和离开吸收器的气体分析，或由液体的分析 来测定被吸收组分的量，为了使实验情况与工业设备的 操作情况相接近，液体可以连续地导人设备和从设备引 出，在实验时测量气体和液体的流量是为了得到气相和 液相的物料平衡。实验中使用自行搭建的湿壁柱装置， 研究MEA溶剂吸收C02的动力学机理。在吸收模型建 立过程中，通过合理假设，在快速拟一级反应条件下推 导出简化模型，并通过实验数据验证了假设的合理性。 由该简化模型计算得出的动力学数据与文献值符合。 1实验方法 实验中使用的湿壁柱装置主要由以下几部分构成： 气液接触室(湿壁柱室)、气体室、液体室、恒温槽、 冷凝槽、二氧化碳红外分析仪，以及气体流量计和液体 输送泵。装置示意如图1。 CO：和N2的混合气经过气体室水蒸汽饱和之后由 接触室的底部进入，与溶剂反应后由接触室上部流出， 流出的气体流经冷凝槽，其中的水蒸汽冷凝下来，然后 气体再通过二氧化碳红外分析仪进行含量分析。吸收剂 溶液预先加入液体室，在通人气体的同时，溶液由泵输 送到接触室，从湿壁柱顶部流出并沿着柱壁向下流，最 终由接触室底部的液体出口排出。 图1二氧．化磁气体吸收实验装置图 Fi孚1Wetted-wallcolumnat耻aatus 2动力学模型 气液间的吸收，若其传质过程不仅有浓度差存在， 还存在4b-Se-反应，则这种传质现象称为化学吸收。4b-学- 吸收速率常数的计算要根据建立的吸收模型进行。因 此，若以不同的,f-t学吸收模型计算动力学数据，可能会 得到不同的动力学数据。MEA对C02的吸收属于4b-学- 吸收，下面对该吸收过程建立动力学模型。 二氧化碳与一级醇胺的反应机理为两性离子机理， 存在2步反应： C02+RNH2—屿心+H2co；，(1) RN+H2cO}+BjqRNHCoo一+BHT。(2) 式(2)中B代表溶液中的碱性物质，醇胺水溶液中有多 种碱性物质，如醇胺本身就是一种碱性物质，水分子也 可以作为碱性物质，溶液中也会存在一定浓度的氢氧根 离子。这3种物质均可以和两性离子反应。式(1)的正反 应速率远大于式(2)的反应速率。醇胺的存在，使水分子 对两性离子的影响可以忽略，同时由于—级醇胺(MeA) 的碱性较弱，使溶液中氢氧根离子浓度极低，所以也可 以忽略氢氧根离子对两性离子去质子的贡献。经过简 化，二氧化碳和一级醇胺的反应速率可以表示如下： ‰删t12=‰：【COz】【RNH：】。 4b-学-反应模型和化学反应机理确定后，使用快速拟 一级反应模型求解动力学数据。对于一个气液反应系 万方数据 第4卷第12期 2009年12月 乙醇胺溶液吸收C02动力学实验研究 统，当系统中气相仅含单一气体(A)，液相中仅含单一 反应物∞)，假设反应仅发生于液相中，液相没有挥发 的情况，且将其反应视为—个不可逆反应。 A(气)+zB(液)—±·L争产物． 式中：z为化学计量数，反应速率表示如下： 咯=缸eG． (4) (5) 龟2zrB。 (6) 假设在液相薄膜中达到稳定状态，则对A、B作物 料衡算： 玖蟹)吨CACB=”． D。、"d出2C。B·)一‰cACB=。。 初始条件为： cA2气，t=o，x>O。 在气液界面的边界条件为： CA2CA，， x=0： dCA：0． x：0 (Ix 。 在液体薄膜厚度无的边界条件为： CB2吒， x=万： -DA(等)啦=‰气气嘿一回，x=万。(13) 式中：a为比表面积，定义为单位反应空间的面积，卢 为液体容积。由式(7H13)无法得到完整的解析解，但 在某一范围内近似的解析解可由Dancl(、)lre耐5J的方法求 解，这些解是利用—个加强因子E分析吸收的行为。而 E的定义为有化学反应对无,fb-学反应的平均吸收速率之 比，表示如下： M2阢(q一气)。 (14) 为了使计算简化，在实验中限制操作条件，使反 应在拟一级反应区域内进行，而此区域内有一个假设 条件： 3