有机液层促进CO2吸收和解吸条件的研究

增刊 化 学 世 界 有机液层促进C02吸收和解吸条件的研究 席晶晶．武斌．朱家文 (华东理工大学化工学院，上海20陀37) 关键词：二氧化碳；吸收；二正丁胺；解吸 在各种温室气体中，二氧化碳的贡献占 64％【lJ。化石燃料占全球基本能源需求的85％以 上，因此在矿物燃料燃烧时捕集CO：并安全贮存， 是一种迅速大量削减CO：排放量的手段。如何选 择有效的工艺方法，将矿物燃料燃烧产生的CO：分 离捕集，是解决温室气体排放问题的一个重大难题。 化学吸收法是工业上常用的脱碳方法，但其能 耗较大。近年来，采用液膜法进行CO：分离的研究 也很多，Mohamed【21等采用静置液膜研究了C02和 CH．的分离，Kovvali【31等采用静置液膜研究了从混 合气体中分离C02。Ward与Robb采用支撑液膜研 究了CO：与02的分离H别。本文拟采用有机胺为 载体，高碳醇为有机相，构成有机液层，并与吸收容 量较高的常规吸收剂体系如kCO，水溶液相结合， 在搅拌式面吸收器【61中实验研究了其吸收特性， 并考察了CO：解吸条件。 1实验部分 1．1实验装置 吸收设备为间歇搅拌反应釜，圆筒状，带保温夹 套。釜内径7．5cm，高18em，两端用不锈钢法兰盘 封闭。反应器内搅拌轴上装有三层搅拌桨，分别用 于搅拌气相主体、气液界面及液相主体。 1．2实验操作流程和方法 如图l所示，吸收实验时，CO：经由减压阀后进 入稳压瓶，再分别经过装有活性碳和硅胶U型管脱 lI 12 图l吸收装置流程图 1．二氧化碳钢瓶；2．稳压管；3．缓冲瓶；4．活性炭过滤；5．硅胶过滤； 6．转子流量计；7．饱和瓶；8．加料漏斗；9．·釜前皂沫流量计；10．热电 阻；11．主传动系统；12．转速表；13．釜后皂沫流量计；14．超级恒温槽 ·187· ，．除微量杂质和水分，经转子流量计计量后进入饱和 瓶饱和后，进入搅拌釜进行吸收。通过进、出口的皂 沫流量计测定气体流速，折算出CO：吸收速率。 解吸实验时，将组成已知的吸收富液置于三口 烧瓶内，采用油浴控制解吸温度，每隔一定时间取液 体样，采用酸解法液相中二氧化碳含量。， 2结果与讨论 2．1有机胺的筛选 在开始实验工作前，本文利用文献中已报道的 一些基团参数o¨，根据UNIFAC模型预估了多种有 机胺在有机溶剂(醇类)和水之间的分配比，包括： 一乙醇胺、二乙醇胺、甲基二乙醇胺、二乙烯三胺、三 乙醇胺、二正丁胺、二异丙胺、二环己胺和三丁胺等。 根据计算结果，选择在有机溶剂中分配比较大的几 种胺，进行了以下实验。 常压下考察了以二正丁胺、二异丙胺、二环己胺 和三丁胺四种有机胺为载体，异辛醇为有机相，碳酸 钾水溶液对CO：的吸收特性(吸收温度25℃)。有 机相和水相的体积比为2／23，有机相中有机胺和异 辛醇的体积比为20％：，80％(咖)，水相中KC03 浓度为150mg／mL，结果如图2所示。 个 E 二 o ￡、 o d t／min 图2液层对吸收的影响 “ T=25。C，P=101325Pa．‰=150r／min 载体分别为1：--异丙胺，2：---iE丁胺，3：--环己胺；4：三丁胺 由图2可以看出，二正丁胺和二异丙胺为载体 都明显加快了吸收体系对CO：的吸收速率，二正丁 胺体系的速率最快；以二环己胺为载体时对CO：吸 收速率基本无影响{而以三丁胺为载体反而降低了 讫 学 世 界 对C02的吸收速率。以二正丁胺为例，其吸收机理 可以解释为：实验过程中CO：需要先经有机相吸收 反应后，再转移蓟永耀与主体吸收裁如e绣反应。 在有机相中同时存在着异辛醇对CO：的物理吸收 以及二轰丁胺对CO：的化学吸收，丽化学吸收的速 率要吃物理吸收的速率大得多，因此在液膜中化学 吸收占主导地位。CO：与二正丁胺的反应，目前得 到公认的枧理是Caplow等提出、Dankwerts补充完 整的“两性离子机理”Hj。二正丁胺、二异丙胺和三 环己胺都是仲胺，都符合“两性离子机理”，三丁胺 先叔胺，不能壹接与CO：反应，只能物理吸牧，这霹 能是其吸收速度慢的原因。 。 2．2温度对吸收速率的影响 。 由2。1酶结果豫知，在浙考察的有机胺载体中， 二正丁胺的效果最好，所以重点考察了以二正丁胺 为载体对CO：吸收速率的影响。图3示出了不同 温度时，：正丁胺／异辛醇有橇摇存在下，碳酸钾水 溶液对CO：吸收速率的影响。由图3可以看出，吸 收体系对CO：吸收速率随着反应温度的升高而加 快。 图3温度对吸收的影响 P=101325Pa，^k=150r／min有机桐和水相的体积比为2／23 憨c03浓度隽：150mg／mL，膜中载体与雾睾酵豹俸积魄均蠹20％／80％ 2．3搅拌速度对吸收速率的影响 图4进一步考察了搅拌速度对二正丁臌，／异辛 醇有机栩存在下，碳酸钾水溶滚对eO：吸收速度翡 影响。嘲图4可以看出，随着搅拌速度的增大，吸收 体系对CO：吸收速率亦随之增大。 ． 2。4瀑度对解吸的影囔 鉴于K：C03水溶液对CO：的吸收容量较大，可 以通过定期更换有机液层来保持较高的CO：吸收 。速率，实验进一步考察了有概框的再生。当环境温 度升高，吸收反应生成的不稳定的氨基甲酸盐受热分 解，吸收反应沿着逆向进行，CO：气体逸出，实现溶液 再生。=正了胺／舅辛醇(20％／80％(v／v))有祝摆吸 2006年 收C0：4．5h后进行解吸。图5分别示出了温度为 60℃、80℃、1000C、120。C和140％时的解吸情况。由 图5可以看出，解吸速率随着温度的升高丽鸯羹快。 图4不同转速下的cO：吸收速率 p=101325Pa。7=35*(2有机相和水相的体积比为2／23 &c03滚度舞：150n撼／mL，貘孛载终每弄事黪觞薅稷绝缘为20％／80鬟 莲 姗 签 琏 图5有机液层在不同温度下的解吸率 3续论 (1)有机液层的存在能够有效她促进常温附近 碳酸钾溶液中CO：吸收过程。 (2)有机液层存在下的碳酸钾溶液吸收CO： 的速率随温度的升高而提高。 (3)有机液层存在下的碳酸钾溶液吸收C02 的速率随速度的增加两提高。 (4)有机液层吸收CO。后的解吸速率随温度 的增加而增加。 参考文献： [1】王涛。温室效应和C02的处理技术[J]．世界钢铁， 2005，(4)：55-59。 [2]A1MarzouqiMH，blohamedA，et以 Facilitated transportofC02throughImmobilizedliquidmembrane [J1．IndEngChemRes，2005，44(23)；9273-9278． [33KowaliAS， SirkarK．DendrimerK．Liquid membranel5：C02SeparationfromgasmixturesCJ]．Ind EngChemRes，2001，40(11)：2502。 (下转第186页) 中暑．10Ⅲ／_03 毫二。搿曩。◇ ·186· 化 学 世 界 合良好。 2006年 这是表征喷嘴雾化性能的一个重要指标。雾化过程 霉2计算结果与实验结果鲍鲢：较 中影响SMD的因素穰多，主要有喷嘴结构，雾化液3结论 体的物性参数以及雾化介质的密度、流速和气液质 (1)CPVC氯化液雾化的实验结果表明，粒径 量吃等操作条件。巍于雾化过程的复零拄和唼嘴结 的累积体积分毒毅扶Rosin—Rammler分布。 构的差异性，要完全用理论分析的方法寒模拟雾化 (2)采用两参数经验方程对实验数据进行了关 过程是困难的，现有的雾化特性方程基本都是一些 联，实验值和计算值吻合良好。 经验方程。 对予气流雾化过程，SMD受韦伯数We的控制： SMD震f—‰1。·(2) 参考3tilt： 、Pc蠓珑， ～ 【l】融JO!Faadam缫talsof the hydmdynamie 气液相互作用时，近戗满足动量守恒，牡R与气 mechanismofsplittingindis函i傩脚嘲嘲[nAIChE 速／／,G的关系满足： J，1955，l(3)：289-295．．鳓《t《；+翁一㈤矿’％㈣瞳3纛霎瓣震霎湍鬻腿 从而得到 【3]正喜忠，于才渊，周才君·喷雾干燥(M]·北京：化学工 ， 一、， 业出版社，2003．SMD篱{焘；(1÷璐)知《毒)【毒】ZhouWX，ZhaoTJ，WuT，舛蠢Appllc《on《删档曩耋誊赞望茎竺／""b--慰b--U"麓．燃苎=噬to，删atomiz触ation蒜．黔～㈧d程及雾化过程中存在热量交换，雾化液体的黏度、表 【5】：=‘：蛩二：：：。：’二：i茹蹿燃【j】．j 面张力在整个过程中是变化的，液体物饿对SMD的 ‘。№t：，1981，33(1)：13。18． 。 。‘ ⋯。 影响还与气速及液气质量比等操作条件有关。将粘 [6]MullingerPJ，cmgi盯NA．Thedesignandp献煳删e 度、表瑟张力对雾化的影响魑结裂常数顼中，SMD ofinternalmixingmuhijettwinfluid椭糯i娜【nlInst 的拟合采用以下形式的方程： ofFuel，1974，47：251-261． SMD=alu；屹(1+m)d2(5) [7]LefebweAH．AtomizationandSprays[M3．NewYork： 鬏耩计算结果，褥刭酶各参数的篷势：HemispherePublishingCorporation，1989· ． al：7573．3．a2。0．953 【8】龚欣，剐海峰．气流式雾化过程的有限随机分裂模 关联的相关系数为o．965，全部计算结果与实 ，．型[J]·化工学报，2005，56(5’：786棚·．。验结果静嵫冤配塞匿魄实验值黼算值荔汐3篓姜篙需麓象麓誊三鬻毒嚷 (上接第188页) 。 【6]DanckwertsPV。Gasb删dReaction【瓤】。NewYork： 【4】WardWj，RobbW L。 Carbondioxide-oxygenMcGraw-Hill，1970，24， separation：facilitatedtransportofcarbondioxide8cr088矗【7]MagnussenT，ResmussenP，Fredenshmd^丑．UNIFAC liquidfilm[J]．Science，1967，156：149i-1484．parametertableforpredictionoflit#d-liquideqlIiH馘哪s 【5】WardWl，RobbWL。珏和dmembranesfor璐einthe 【l】。IndEngChemProcessDes1)cv，1981，20(2)：331·