CN102784545A

CN102784545A - 一种微通道气体解吸系统

Info

Publication number: CN102784545A
Application number: CN2011101318215A
Authority: CN
Inventors: 陈光文; 叶春波; 焦凤军
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2031-05-20
Also published as: CN102784545B

Abstract

本发明提供无液泛困扰、并且能够在毫秒级时间内解吸化学吸收富液的微通道气体解吸系统，该系统方法包括解吸、分离和换热三个过程，该系统设备由微通道气体解吸器、气-液两相分离/换热耦合器和微通道换热器构成，在所述解吸系统中，通过换热和加热酸性气体的富液解吸出气体和再生贫液。相对于塔式解吸系统，本发明中的微通道解吸系统可将能量消耗降低至少20%，单位体积微通道气体解吸器的液体处理量可提高100-1000倍；适用于CO₂、H₂S等酸性气体的解吸。

Description

一种微通道气体解吸系统

技术领域

本发明涉及一种微通道气体解吸系统，系统方法和设备用于分离酸性气体并再生吸收剂。

背景技术

大型工业装置中，酸性工艺气体的脱除分离多采用物理/化学吸收-解吸方法，其中填料塔吸收-解吸器体积庞大、液泛、雾沫夹带及塔腐蚀现象严重，尤为重要的是吸收-解吸过程能量利用及节能途径。CN200310109090采用富液并联分流方式换热，回收再生塔热量；US 20100024645将微通道分离系统用于气体的分离，包括吸收和解吸过程以及能量回收，其吸收剂再生在微通道换热器中进行，再生能耗以换热和工质压缩循环过程（压缩机做功使工质热能品位提高、压力提高）提供。

专利US 20100024645微通道分离系统的一个问题是：解吸器出来的高品位的气体能量没有被利用，只是将解吸后的再生贫液与富液热交换；另一个问题是，再生贫液经换热后温度仍较高，因此其离子液体的吸收过程选择吸热的一类，而气体吸收的大部分工业过程是放热的。

因此，需要研究开发一种更普适的、能效高的解吸再生系统方法及装备。

发明内容

本发明借助微通道高效的传热和传质特性，提供一种微通道气体解吸系统，以分离酸性气体并再生吸收剂，同时充分利用高品位的析出气体和再生贫液的能量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种微通道气体解吸系统，所述气体为含CO₂或H₂S的酸性气体，系统解吸过程包括：（1）解吸——待酸气富液通过微通道气体解吸器，通过调控富液温度或解吸器温度（称解吸温度）以形成气-液两相流；（2）分离——气-液两相流通过分离/换热耦合器，分离出酸气和再生贫液；（3）换热——贫液与富液在微通道换热器中进行热量交换，冷却后的贫液进入下一级微通道解吸系统，或一部分回流与富液混合后解吸，或与新鲜吸收剂复配后用于酸性气体吸收过程。

其中，微通道解吸系统所涉及的系统设备：（1）微通道气体解吸器，主体为具有沿流体流动方向的并行通道结构的微反应器，通道两端分别为酸气富液入口和解吸后的气-液两相流体的出口；以及设置于并行通道外围的用以加热通道的加热管插孔或以换热方式加热通道的载热介质通道；（2）气-液两相分离/换热耦合器，含有一个腔体并在腔体外壁上设有冷却夹套，且包括冷却剂进口管和出口管、气-液两相流体的入口管、气体出口管和解吸贫液出口管；（3）微通道换热器，由并行通道组成，包含解吸贫液的入口和出口、富液的入口和出口。

上述技术方案中，与解吸贫液热交换后的富液进入分离器中的夹套，与解吸后的气-液两相流体进行热交换，再进入微通道气体解吸器进行解吸。微通道气体解吸器出口选择为相对较低的压力或大气压力；解吸温度为恒定温度，或为沿通道方向正的或负的温度梯度，温度为80~180℃；微通道解吸器的反应空时不小于360 h^-1。为防止解吸后的气体再次被吸收，解吸器通道出口端温度高于入口端，即以入口为基准，沿通道方向上的解吸温度上升（正梯度）有利于解吸；实验获悉，反应空时在360 h^-1以上，以利于解吸后气-液两相流快速离开解吸器。

微通道气体解吸器中的微通道当量直径为本领域的公知技术，使用现有可加工水平下的任意尺度，但一般控制在3000微米以下，50微米以上，作为本发明系统关键设备的特征结构参数，本领域技术人员可理解其范围内的任意变换。微通道气体解吸器的另一技术特征是，微通道截面形状为梯形、矩形或矩形与矩形、梯形与矩形组合形状等，同时，通道为曲线或折线结构；所述的梯形截面的斜边的倾斜角在0到90度之间。

本发明微通道解吸系统的另一设备——气-液两相分离/换热耦合器上的（1）冷却剂进口管和冷却剂出口管均为直管，且进口管位于出口管的下方；（2）气-液两相流体的入口可在分离器的器壁上，也可延伸至分离器内部或再生贫液出口处；（3）气体出口位于分离器的上部或中部位置，可以是直管或螺旋盘管，管道的主体部分位于冷却夹套的内部或外部；（4）再生贫液出口在分离器底部。一个优选的结构方案是，冷却夹套的入口在气-液两相流体入口的上部，而夹套出口在气体出口的下部，这样既可维持较高的再生贫液温度，又能使分离出的CO₂气体少夹带胺液，避免气体多级分离纯化。

本发明微通道解吸系统的第三设备——微通道换热器，置于分离器之后，冷介质为富液，热介质为来自分离器底部的解吸贫液。加热后的富液，进入分离器中的夹套，与解吸后的气-液两相流体进一步热交换，再进微通道气体解吸器解吸；冷却后的解吸贫液进入下一级微通道解吸系统，或一部分回流与富液混合后解吸，或与新鲜吸收剂复配后用于酸性气体吸收过程。

上述技术方案中，微通道解吸系统中的气体为CO₂、H₂S等酸性气体，酸气富液中的吸收剂为有机胺，本领域技术人员不难理解该微通道解吸系统亦可用于其他酸性气体（SO_x、、NO_x、COS、HCl等）的解吸操作，同样，吸收剂可为水、氨等无机溶剂，也可为烷烃、醇、醚、酮、胺、酸、酯类等有机溶剂，离子液体或所述溶剂中两者及以上溶剂组成的混合溶剂。

本发明能实现酸气脱除分离与吸收剂再生及能量的充分利用，所提供的微通道解吸系统不存在液泛、冲料，具有低能耗易集成、超高空速体积小、维护成本低等优点，并行放大特点可快速实现解吸过程的工业应用。

附图说明

图1是微通道气体解吸系统的工艺流程图；

图2是微通道气体解吸器中微通道结构图；

图3是气-液两相分离/换热耦合器的两种结构示意图；

图4是微通道解吸系统再生CO₂吸收剂DEA的部分结果图表。

附图标记说明：

1-微通道解吸器；11-酸气富液入口；12-解吸后的气-液两相流体出口；2-气液分离器；21-气液两相流体的入口管；22-气体出口管；23-再生贫液出口管；24-冷却剂入口管；25-冷却剂出口管；26-冷却夹套；3-微通道换热器；31,34-贫液入口和出口；32,33-富液入口和出口；4-泵。

a矩形与矩形，b梯形与矩形，c梯形，d矩形，e折线通道。

应当注意：附图标记的指本发明的相同或等价部件，任何修改或替换均可视为在本发明的权利要求范围内；所选附图的具体设计特征，如尺寸、角度、微通道数、使用温度和压力等，取决于具体的条件。

具体实施方式

参照图1、图2、图3以及图四进一步详述本发明，但不构成对本发明的限制。

本发明中的微通道解吸系统如图1所示，主要由三部分组成：使富液中酸气析出的微通道气体解吸器1；气-液两相分离/换热耦合器2；热贫液与酸气富液热交换设备微通道换热器3。微通道气体解吸器1的主体为具有沿流体流动方向的并行通道结构的微反应器，并行通道两端分别设置有酸气富液入口11和解吸后的气-液两相流体的出口12；以及设置于并行通道外围的用以加热通道的加热管插孔或以换热方式加热通道的载热介质通道；气-液两相分离/换热耦合器2含一个腔体，腔体上设置有气-液两相流体的入口管21、气体出口管22和解吸贫液出口管23；腔体的外壁带有冷却夹套26，其上设冷却剂进口管24和冷却剂出口管25；微通道换热器3由冷热流体的流动通道组成，通道为并行结构，并行结构的热流体通道两端为再生贫液的入口31和出口34，并行结构的冷流体通道两端为酸气富液的入口32和出口33。

实例1：再生CO₂吸收剂二乙醇胺（DEA）

在常压下，来自吸收CO₂的二乙醇胺（DEA）水溶液（温度T1，CO₂/DEA摩尔比0.4）在微通道换热器3中与再生贫液（T5，120-150℃）换热，其中，微通道换热器的通道当量直径为600微米，通道形状为弯折状e，其角度为90度；换热后，吸收剂的温度为T2（～90℃），进入分离器夹套中与来自解吸器出口的气-液两相流体进一步换热至T3；在微通道气体解吸器1中吸收剂进一步吸收热量升温至解吸温度，使得气体具有足够的能量从吸收剂中析出使得吸收剂成为气-液两相流体。

微通道气体解吸器可采用电加热方式补充热量，使热交换后的富液温度提升至解吸温度，微通道的当量直径为500微米，截面形状为近梯形，梯形斜边的倾斜角为60度，流体在微通道中的空时速度为60000 h^-1。出微通道解吸器后，气-液两相流体直接进入分离器2进行气-液分离，分离器夹套26冷侧介质为CO₂富液原料，24和25为介质入口和出口，含CO₂气体的DEA和水的气液混合蒸汽被冷凝分离；分离后，贫液DEA进入贫富液微通道换热器3中，与二氧化碳富液热交换，后去CO₂吸收器，将一部分回流进解吸系统，可提高原料液初始温度。实施结果如图四示。

实例2：二次深度解吸

以实例1在140-150℃下解吸后的贫液为原料，使用实例1的微通道解吸系统进行二次深度解吸。经测定，贫液中CO₂/DEA的比值为0.02，在100～110℃的解吸（器）温度下，二次深度解吸率为25-72%。

实例3：再生CO₂吸收剂二乙醇胺（DEA）

取实例1的部分回流贫液与来自闪蒸后的酸气富液混合，混合富液浓度为CO₂/DEA=0.2，回流热贫液使混合富液温度上升，通过循环泵4进入微通道解吸系统中解吸，在解吸温度分别为100、120、140℃下的CO₂析出率为35.1%、52.1%、和75.5%。

实例4：再生CO₂复合吸收剂甲基二乙醇胺（MDEA）/哌嗪

以MDEA高酸富液（CO₂/MDEA=0.23，吸收剂浓度50%MDEA+3%哌嗪）为待解吸液，在实例1所述的解吸系统中解吸。微通道解吸器中富液控温110～150℃时，CO₂酸气解吸率为78.6%～91%。

应当说明的是，本发明中的微通道解吸系统可根据实际的情况，如吸收液和气体种类、解吸程度等条件，改变微通道气体解吸器中的温度、流量、停留时间等因素，以达到解吸的要求。

Claims

1.一种微通道气体解吸系统，所述气体为酸性气体，该系统解吸过程为：

（1）、解吸：使酸气富液通过微通道气体解吸器，加热酸气富液或解吸器达解吸温度形成气-液两相流；

（2）、分离：使气-液两相流通过分离器，分离出酸气和再生贫液；

（3）、换热：使再生贫液与酸气富液在微通道换热器中进行热量交换，冷却后的再生贫液进入下一级微通道解吸系统，或用于其它酸性气体吸收过程。

2.如权利要求1所述的微通道气体解吸系统，该系统设备包括：

（1）微通道气体解吸器：主体为具有沿流体流动方向的并行通道结构的微反应器，并行通道两端分别设置有酸气富液入口和解吸后的气-液两相流体的出口；以及设置于并行通道外围的用以加热通道的加热管插孔或以换热方式加热通道的载热介质通道；

（2）所述分离器为气-液两相分离/换热耦合器：含一个腔体，腔体上设置有气-液两相流体的入口管、气体出口管和解吸贫液出口管；腔体的外壁带有冷却夹套，其上设冷却剂进口管和冷却剂出口管；

（3）微通道换热器：由冷热流体的流动通道组成，通道为并行结构，并行结构的热流体通道两端为再生贫液的入口和出口，并行结构的冷流体通道两端为酸气富液的入口和出口。

3.如权利要求1所述的微通道气体解吸系统，其特征在于：与再生贫液热交换后的富液进入分离器中的夹套，与解吸后的气-液两相流体热交换，再进微通道气体解吸器解吸。

4.如权利要求1所述的微通道气体解吸系统，其特征在于：微通道气体解吸器出口选择为大气压力；解吸温度为恒定温度，或为沿通道方向采用正的或负的温度梯度。

5. 如权利要求1或2所述的微通道气体解吸系统，其特征在于：所述气体解吸器的微通道沿通道方向的截面形状为梯形、矩形，或矩形与矩形、梯形与矩形两者之间的组合形状，通道为直线、曲线或折线结构；微通道解吸器和换热器中微通道的当量直径为50~3000微米。

6. 如权利要求2所述的微通道气体解吸系统，其特征在于：其中所述气-液两相分离/换热耦合器上的（1）冷却剂进口管和冷却剂出口管均为直管，且进口管位于出口管的下方；（2）气-液两相流体的入口可在分离器的器壁上，也可延伸至分离器内部或再生贫液出口处；（3）气体出口位于分离器的上部或中部位置，可以是直管或螺旋盘管，管道的主体部分位于冷却夹套的内部或外部；（4）再生贫液出口在分离器底部。

7. 如权利要求1所述的微通道气体解吸系统，其特征在于：解吸系统中酸性气体为CO₂或H₂S。

8. 如权利要求1所述的微通道气体解吸系统，其特征在于：酸气富液中的吸收剂为有机胺，或离子液体。