CN104841346A

CN104841346A - 一种用于不同粘度吸收剂中气体解吸过程的圆盘反应器

Info

Publication number: CN104841346A
Application number: CN201510209741.5A
Authority: CN
Inventors: 戴干策; 邓斌; 喻江; 胡剑光; 张家庭; 谢涵广
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2015-04-28
Filing date: 2015-04-28
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2035-04-28
Also published as: CN104841346B

Abstract

本发明涉及一种用于不同粘度吸收剂中气体解吸过程的圆盘反应器，反应器主体包含筒体，加热装置，多级出料口，冷凝装置，圆盘；圆盘中心的转轴是水平设置，圆盘的表面进行结构化处理；加热装置沿着筒体非均匀排列；多级出料口分布在筒体下端；冷凝装置连接筒体上的气相出口，冷凝尾气中的水蒸气；圆盘固定在筒体中心转轴上，按照“先疏后密”的原则排列；圆盘部分浸没在液体中，水平转轴转动时，圆盘拖曳槽体内液体，在圆盘表面形成液膜，与通入的气相介质进行物质交换。圆盘表面液膜不断更新，同时盘上的液体与槽内的液体也在进行物质混合，交换，更新。

Description

一种用于不同粘度吸收剂中气体解吸过程的圆盘反应器

【技术领域】

本发明涉及圆盘反应器技术领域，具体的说，是一种用于不同粘度吸收剂中气体解吸过程的圆盘反应器。

【背景技术】

全球每年因化石原料燃烧向大气中的排放二氧化碳达200亿吨左右，导致温室效应。其中，电力生产产生二氧化碳所占比例为39％，运输占23％，工业生产占22％。尤其是CO₂的浓度大约以每年0.7ppm的速度急剧上升，全球的平均气温也随之升高。根据联合国的预测数据，到2050年，全球将有大约2亿人受气候变化影响而逃离家园。因很有必要对CO₂的排放进行控制。

在现有的二氧化碳捕集与封存技术中，醇胺脱碳法是最具有现实性的方法，二氧化碳解吸温度通常在120℃左右，解吸能耗通常占到总能耗的80％以上，解吸每吨CO₂能耗高达4-5GJ。

解吸过程也广泛存在于实际工业生产中，物理解吸包括：从物理吸收剂中(水，碳酸丙烯脂，甲醇)解吸二氧化碳和硫化氢；从发烟硫酸中解吸三氧化硫；从水中解吸氨(苏打工业中)；从碳氢化合物油类中解吸乙烷和丙烷；从丙酮和二甲基甲酰胺中解吸乙炔等。化学解吸包括：从热碱，催化热碱，有机醇胺中解吸二氧化碳和硫化氢；从铜氨溶液中解吸一氧化碳；从硫酸亚铁-NO络合物中解吸NO；从水和盐水中解吸氯；从三辛胺的脂肪酸盐中解吸脂肪酸等。

传统的工业解吸过程一般通过填料塔实现，无论规整填料还是散堆填料都具有压降大，操作弹性小，易堵塞等缺点。随着物系粘度增加，这些缺点就更加明显。工业解吸过程中，往往并不是单纯的液膜或者气膜控制的传质过程。Hanna Kierzkowska-Pawlaw等人在2009年研究表明，二氧化碳解吸过程就存在着沸腾解吸和扩散解吸两种机理，显然填料解吸塔不太适应。

对于高粘度吸收液的解吸过程，填料塔压降大，容易堵塞，传质效率低。当物系粘度较高时，往往会出现气体在液层滞留，发生乳化，进而产生泡沫，使得压降急剧升高，传质明显恶化，因此，为了保证解吸顺利进行，目前对于高浓度、高粘度解吸过程普遍采用低粘溶液稀释，降低物系粘度。例如，对于离子液体和高浓度醇胺溶液解吸二氧化碳过程，填料塔都不适应。但是大量的实验研究表面，提高醇胺溶液浓度能有效降低解吸过程中水蒸气的蒸发量，从而大大降低能耗。

通过改进解吸设备，改变气液两相接触方式，强化解吸传质过程，已经成为工业解吸过程优化的重要手段。英国的帝国化学工业有限公司发明的超重力解吸设备(HIGEE)(欧洲专利号：0053881)，旋转填料床(RPB)(美国专利号：4283255)，华东理工大学发明的一种适应粘性吸收剂的有壁与无壁液膜交替的规整填料(中国专利号：CN103192692A)都是通过改变气液接触方式，解决高粘度醇胺溶液传质困难的问题。HIGEE通过填料高速旋转，获得极薄液膜进行气液传质，传质效率大大提高，但是转速较高，设备复杂，制造精度要求高。

综上所述，开发一种新型高效解吸设备意义重大。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于不同粘度吸收剂中气体解吸过程的圆盘反应器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种用于不同粘度吸收剂中气体解吸过程的圆盘反应器，其包括反应器主体，反应器主体内包含加热装置，多级出料口，冷凝装置，圆盘；其特征在于，圆盘中心的转轴是水平设置，圆盘的表面进行结构化处理；加热装置沿着筒体非均匀排列；多级出料口分布在筒体下端；冷凝装置连接筒体上的气相出口，冷凝尾气中的水蒸气；圆盘固定在筒体中心转轴上，按照“先疏后密”的原则排列。圆盘部分浸没在液体中，水平转轴转动时，圆盘拖曳槽体内液体，在圆盘表面形成液膜，通入的气相介质进行物质交换。

圆盘中心的转轴是水平设置，液体从槽体下部通过，气体从上部通过，圆盘转动时表面形成液膜，两相逆流接触；液相和气相均能多级出料和进料，操作更加灵活。为了改善气液两相接触方式，本发明采用两种设计方案。方案一是在圆盘之间添加挡板迫使气体绕过挡板按照“之”字形流动，增加气液接触。方案二是设计两种大小不同的圆盘结构，两种圆盘交错排列，小圆盘均匀开孔气体从小圆盘外部通过，大圆盘中心开孔大，周围开孔小，气体从大圆盘中心穿过，总体上也呈现“之”字形流动，方案二相对方案一而言容易加工和实施，示意图见附图。

反应器槽体下部具有可调节的反应空间，圆盘转动时在其中形成搅拌，混合，适应于沸腾解吸过程。

圆盘部分浸没在液体中，转动时，圆盘将槽体内的液体带起，在圆盘表面形成液膜，为气液两相传质提供传质面积，适应扩散解吸过程进行物质交换。

圆盘表面液膜在重力和离心力等作用力下进行表面更新，同时盘上的液体与槽内的液体也在进行物质混合，交换，更新，这种更新频率可以通过圆盘转速进行调节。能够获得较高的表面更新频率。

圆盘表面进行结构化处理，设置孔或者窗；具体为设置不同尺寸和形状的孔或者窗，孔和窗按照一定的方式排列，当量直径1～20mm，当圆盘将液体带起时，能在开孔区域形成自由膜，自由膜的传质速率高于相应的附壁膜，能获得较好的解吸效果。

所述的圆盘呈多级排列，盘间距L，圆盘直径D，L/D＝0.1～1。盘间距是个变量，变化范围在L/D＝0.1～1，按照液相流动方向根据“先疏后密”原则进行分布，具体的盘间距参数需要根据实际工艺条件确定。通过多级排列，控制盘间距，能够大大减少占地面积，节约空间，盘间距并不是均一不变，而是沿着液相流动方向逐渐减小，前端有一定的自由空间，整体上表现为先疏后密。因为富液二氧化碳浓度较高，进入反应器后温度升高，存在闪蒸过程，随着二氧化碳浓度降低，闪蒸结束，只能通过气体扩散进行传质，需要较多的表面更新，圆盘间距较小。

圆盘部分浸没在液体中，多级排列，是指转轴上排列的圆盘很多，沿着槽内液体流动方向多级排列，多级排列是因为槽内不同的区域解吸机理不同，圆盘排列的疏密程度根据机理进行了分级，先疏后密。

圆盘筒体设置加热装置，可以采用蒸汽直接加热，加热功率通过蒸汽量控制，也可以采用电阻丝或者碳纤维加热管间接加热，加热功率通过电流大小控制。加热装置沿着筒体不是均匀排列，而是按照一定的温度序列要求进行排列。加热装置分布是根据反应速率确定的，反应速率快则加热装置密集，总体上是按照液相流动方向呈现“先密后疏”的特征。因为进料口附近反应速率较快。

所述的转轴分为前后两段，采用不同的电动机双轴驱动，前后两段转速可以根据工艺要求分别调节，更加灵活。气体解吸前一部分过程为沸腾解吸，后一部分为扩散解吸。两部分解吸过程的机理和速率都不相同，左侧电机与沸腾解吸过程的圆盘连接，右侧圆盘与扩散解吸过程圆盘连接。

所述的圆盘的设计方案一：圆盘之间的空间设有挡板，迫使气体在其中以“之”形通过，增加气相与液相的接触时间。方案二通过大小圆盘结构差异迫使气体在其中以“之”形通过。

所述的转轴的两端进行端面密封，使装置能够在加压和真空条件下操作。

所述的装置设有冷凝器，能够将水蒸气冷凝，回流，保持液位高度不变。

本发明的实现方法，先加工各个部件再组装而成。先根据物系粘度和操作工况下的成膜条件确定圆盘开孔尺寸和形状以及圆盘间距。根据生产规模确定圆盘直径，数目和筒体体积。根据工艺要求确定多级进料和出料口的位置和尺寸。根据解吸过程能耗确定加热装置功率和冷凝设备尺寸。对于工业化装置，采用多级叠放，即将反应器一层一层进行安装，充分利用空间，节约土地面积。

本发明的圆盘反应器是一个特点鲜明的反应器。转轴水平，圆盘部分浸没在液体中，圆盘转动时表面不断更新的液膜为气液两相的传质提供了良好的接触面，利于气液传质，适用于传质阻力集中在界面的传质过程，类似于填料塔，适用于气体扩散解吸过程。圆盘转动时对釜内液相进行混合，一定的反应空间，利于沸腾解吸过程。

与填料塔相比，从解吸工艺角度而言，圆盘反应器转轴水平，卧式安装，对于气相或液相均能采用多级出料和进料，具有更多的工艺选择方案；从传质特性的角度而言，表面更新和传质速率可以通过改变圆盘转速调节；从压降的角度而言，圆盘反应器对于吸收剂的浓度和粘度没有限制，压降较小，不会出现填料塔容易堵塞，气体在液层滞留，乳化，压降升高等现象。

【附图说明】

图1新型圆盘反应器结构；

图2结构圆盘图(以微结构圆孔为例)；

图3醇胺解吸CO₂实验装置图；

图4本发明方案一装置总图；

图5本发明方案一单个圆盘图；

图6方案二示意图。

图7方案二圆盘结构

【具体实施方式】

以下提供本发明一种用于不同粘度吸收剂中气体解吸过程的圆盘反应器的具体实施方式。

本发明是一种用于解吸过程的新型圆盘反应器，其组成主要包括反应器主体，加热装置，多级出料口，冷凝装置，表面开孔圆盘。其特征在于，转轴水平，圆盘表面均匀开孔，部分浸没在液体中，多级排列。

所述的装置转轴水平，液体从槽体下部通过，气体从上部通过，圆盘转动时表面形成液膜，两相逆流接触。液相和气相均能多级出料和进料，操作更加灵活。

将圆盘反应器安装在坡度可调节的桌面上，通过调节桌面坡度可以使反应器内液位保持水平。

所述的开孔圆盘是一种表面均匀开孔，孔径根据物系粘度和操作工况下的成膜条件在1～20mm范围内。

圆盘部分浸没在液体中，转动时，圆盘将槽体内的液体带起，在圆盘表面形成液膜，适应扩散解吸过程进行物质交换。

圆盘表面液膜在重力和离心力作用下进行表面更新，同时盘上的液体与槽内的液体也在进行物质混合，交换，更新，这种更新频率可以通过圆盘转速进行调节。

实施例1

水中解吸O₂实验

氧气解吸实验，液体粘度为1mPa.s，圆盘材料为不锈钢，圆盘直径150mm，开孔率20-80％，孔径1-20mm，圆盘间距62.5mm，筒体直径160mm，筒体长度1m，气体流速2-5m³/h，液体流速100-400L/h。

将O₂通入填料塔中进行吸收，使水中富含O₂。然后将经过填料塔的O₂水溶液通入圆盘反应器中进行解吸，解吸载气从反应器右上端通入，采用气液两相逆流进行解吸实验，通过改变圆盘反应器的转速和气相速度考察圆盘反应器的解吸效果。取样点设在圆盘反应器液相入口和出口。用理论塔板高度为标准与填料塔进行比较，结果表明，新型圆盘平均理论塔板数3～5块/m，与相同比表面积的波纹填料塔2～3块/m相比，传质效果比填料塔高出1～2倍。另外相同实验条件下，单位高度压降仅为波纹填料1/4～1/3。

实施例2

醇胺解吸CO₂实验

实验装置如图3，圆盘材料不锈钢，圆盘直径150mm，开孔率20-80％，孔径1-20mm，圆盘间距62.5mm，筒体直径160mm，筒体长度1m，气体流速1-6m³/h，液体流速100-500L/h。

新型解吸圆盘反应器与填料吸收塔形成循环系统，从圆盘反应器出来的醇胺贫液通过填料塔吸收二氧化碳达到所需负载0.5mol/mol，通过预热后进入圆盘反应器进行解吸，通过测定压降和解吸前后醇胺溶液中二氧化碳含量和解吸过程中能量损耗评估圆盘反应器性能。

对于乙醇胺，实验得到不同转速范围内(60-300rpm)圆盘解吸贫液负载能达到0.1-0.15mol/mol，解吸率能达到80％-90％，传质速率k_L范围：1.3～2.1×10^-5，解吸每吨二氧化碳气体所需能耗3.5～4.0GJ。与相同工艺的填料塔解吸过程比较，传质速率k_L＝9.75×10^-6，圆盘解吸传质速率比填料塔高出1～2倍。压降为填料塔压降的1/4～1/2。能耗低于传统填料塔解吸能耗3.8～4.2GJ/(ton of CO₂)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims

1.一种用于不同粘度吸收剂中气体解吸过程的圆盘反应器，其特征在于，其包括反应器主体，反应器主体内包含沸腾解吸空间以及内构件圆盘所形成的不同大小空间，加热装置，多级出料口，冷凝装置，圆盘；其特征在于，圆盘中心的转轴是水平设置，圆盘的表面进行结构化处理；加热装置沿着筒体非均匀排列；多级出料口分布在筒体下端；冷凝装置连接筒体上的气相出口，冷凝尾气中的水蒸气；圆盘固定在筒体中心转轴上，按照“先疏后密”的原则排列。

2.如权利要求1所述的一种用于不同粘度吸收剂中气体解吸过程的圆盘反应器，其特征在于，圆盘中心的转轴是水平设置，液体从槽体下部通过，气体从上部通过，圆盘转动时表面形成液膜，两相逆流接触；液相和气相均能多级出料和进料，操作更加灵活，反应空间的调节，保证不同解吸方式并存。

3.如权利要求1所述的一种用于不同粘度吸收剂中气体解吸过程的圆盘反应器，其特征在于，反应器槽体下部具有可调节的反应空间，圆盘转动时在其中形成搅拌，混合，适应于沸腾解吸过程。

4.如权利要求1所述的一种用于不同粘度吸收剂中气体解吸过程的圆盘反应器，其特征在于，圆盘表面进行结构化处理，设置孔或者窗；具体为设置不同尺寸和形状的孔或者窗，孔和窗按照一定的方式排列。

5.如权利要求1所述的一种用于不同粘度吸收剂中气体解吸过程的圆盘反应器，其特征在于，所述的圆盘的盘间距L，圆盘直径D，L/D＝0.1～1。

6.如权利要求1所述的一种用于不同粘度吸收剂中气体解吸过程的圆盘反应器，其特征在于，圆盘筒体设置加热装置，采用蒸汽加热或者采用电加热。

7.如权利要求1所述的一种用于不同粘度吸收剂中气体解吸过程的圆盘反应器，其特征在于，所述的转轴分为前后两段，采用不同的电动机双轴驱动，气体解吸前一部分过程为沸腾解吸，后一部分为扩散解吸；左侧电机与沸腾解吸过程的圆盘连接，右侧圆盘与扩散解吸过程圆盘连接。

8.如权利要求1所述的一种用于不同粘度吸收剂中气体解吸过程的圆盘反应器，其特征在于，所述的圆盘之间的空间设有挡板，迫使气体在其中以“之”形通过，增加气相与液相的接触时间。

9.如权利要求1所述的一种用于不同粘度吸收剂中气体解吸过程的圆盘反应器，其特征在于，所述的转轴的两端进行端面密封，使装置能够在加压或真空条件下操作。

10.如权利要求1所述的一种用于不同粘度吸收剂中气体解吸过程的圆盘反应器，其特征在于，所述的装置设有冷凝器，能够将水蒸气冷凝，回流，保持液位高度不变。