CN105477979A - 一种基于盐析效应应用高粘度吸收剂分离co2的方法 - Google Patents

一种基于盐析效应应用高粘度吸收剂分离co2的方法 Download PDF

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Abstract

一种基于盐析效应应用高粘度吸收剂分离CO2的方法,属于气体分离技术领域和环境保护领域。包括将待分离的CO2在一定温度压力下吸收解吸,具体如下:向高粘度胺类吸收剂中加入与水互溶的有机溶剂,混合得到新型吸收剂;新型吸收剂与待分离的CO2反应,由于盐析效应形成液-液两相或液-固两相,两相分别是CO2负载的富相和CO2负载的贫相;仅CO2负载的富相进行解吸,得到CO2;将解吸后的吸收剂与CO2负载的贫相混合进行循环吸收。该方法在吸收过程中降低吸收剂粘度,在解吸过程中提高吸收剂的浓度,减少解吸单元的处理量,降低水的蒸发量和升温的能耗,进而实现高粘度吸收剂低能耗分离CO2

Description

一种基于盐析效应应用高粘度吸收剂分离CO2的方法
技术领域
本发明属于气体分离技术领域和环境保护领域,涉及一种基于盐析效应应用高粘度吸收剂分离CO2的方法。
背景技术
近年来,“温室效应”和“全球变暖”已经成为引人瞩目的环境问题。大气中的CO2气体含量增加是造成全球气候变暖的主要原因。为了避免人类受气候变暖的威胁,控制和削减全球二氧化碳的排放是最根本的途径。碳捕集与封存(CarbonCaptureandStorage,CCS)技术是控制和削减全球二氧化碳排放的可行途径。而在CCS技术中,捕集成本占整个操作成本的80%,再生能耗约占整个捕集过程能耗的1/2-2/3以上,因此低能耗再生技术的开发已经成为实现CCS技术的关键所在。
CO2的再生过程一般在100℃以上进行,它的能耗主要包括三部分:(1)解吸化学反应所需要的反应热,CO2的解吸反应为吸热反应,这是解吸过程必须提供的能量;(2)吸收剂升温至解吸温度所需要的显热;(3)吸收剂挥发所带走的热量,在CO2再生过程中,吸收剂会有一定的挥发损失,尤其是吸收剂中水的蒸发量较大,而水的蒸发会带走大量的热,带来很大的热量损失。由于胺类吸收剂吸收CO2本质是化学反应过程,提高胺类吸收剂浓度一方面可降低吸收剂中的水含量,减少再生过程中水蒸发的能耗,另一方面可使单位体积吸收剂的容量加大,用量减少,此外还可降低吸收剂的热容,进而降低升温显热。但吸收剂浓度增大造成吸收剂粘度加大,进而影响吸收效果。本领域的技术人员为实现高粘度吸收剂在CO2分离过程的应用进行了相关研究。首先,可通过改进吸收解吸设备,改变气液两相接触方式,强化传质。专利(CN103182241A)提出一种新的高粘度吸收液分离CO2的工艺,该工艺为气体通过平直通道垂直板规整填料塔与高粘度吸收剂接触完成吸收;专利(CN103191692A)提出一种适应粘性吸收剂的有壁与无壁液膜交替的规整填料,显著提高高粘度吸收剂的传质性能;专利(欧洲专利0053881,美国专利4283255)发明超重力吸收解吸设备。其次,可通过向高粘度吸收剂中添加水或特定活化剂控制吸收剂粘度在可应用范围。专利(CN103736382A)采用向纯1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐离子液体中添加水或N-甲基环己胺控制吸收剂粘度,达到在吸收过程降低吸收剂粘度的目的。
综上所述,开发一种应用高粘度吸收剂分离CO2的方法意义重大。为实现高粘度吸收剂低能耗分离CO2,本发明提出一种基于盐析效应应用高粘度吸收剂分离CO2的方法。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供了一种基于盐析效应应用高粘度吸收剂分离CO2的方法,该方法在吸收过程中降低吸收剂粘度,在解吸过程中提高吸收剂浓度,减少解吸单元的处理量,降低水的蒸发量和升温的能耗,进而实现高粘度吸收剂低能耗分离CO2
一种基于盐析效应应用高粘度吸收剂分离CO2的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)向高粘度胺类吸收剂中加入与水互溶的有机溶剂,混合得到新型吸收剂;
(2)新型吸收剂与待分离的CO2反应,由于盐析效应形成液-液两相或液-固两相,两相分别是CO2负载的富相和CO2负载的贫相;
(3)分离CO2负载的富相,将CO2负载的富相进行解吸,分离得到CO2
(4)将步骤(3)解吸后的吸收剂与CO2负载的贫相混合,再进行循环反应。
根据本发明的方法,步骤(1)中所述的高粘度胺类吸收剂主要是与CO2反应生成盐类物质的胺类有机化合物的水溶液,其中胺类有机化合物中的胺是伯胺、仲胺、叔胺中的任意一种或是多种的复合,胺类有机化合物可以是支链胺、环状胺中的一种或是多种的复合;胺类有机化合物可以是单胺、二胺或多胺中的一种或是多种的复合。如带羟基的有机胺。高粘度胺类吸收剂中还可以含有消泡剂、抗氧化剂、缓蚀剂等助剂中的一种或几种。
上述步骤(2)能够通过调节新型吸收剂中的水量或有机溶剂的量使得新型吸收剂与待分离的CO2反应后由于盐析效应形成液-液两相或液-固两相。
根据本发明的方法,步骤(1)中所述的高粘度胺类吸收剂中胺的质量百分比为35%-90%,20℃时高粘度胺类水溶液的粘度大于3mpa·s。
根据本发明的方法,步骤(1)中所述的与水互溶的有机溶剂可以是醇、酮、醚、酰胺、腈、亚砜中的一种或是多种的复合,如二氧六环、聚乙二醇二甲醚、正丙醇等,优选与水互溶的有机溶剂;加入有机溶剂的质量是高粘度胺类吸收剂质量的20%-150%。
根据本发明的方法,步骤(2)反应的操作压力不低于4kPa,温度为20-80℃。
根据本发明的方法,步骤(3)解吸操作压力0.2-200kPa,温度为80-120℃。
本发明所述的方法制备的吸收剂可用于烟道气、合成气和天然气等混合气体中CO2的分离。
采用本发明所述的方法分离CO2,将待分离的混合气体与本发明步骤(1)所述的新型吸收剂接触,CO2被捕集到溶液中,生成盐,由于盐析效应形成液-液两相或液-固两相,两相分别是CO2负载的富相和CO2负载的贫相,仅CO2负载的富相进行升温解吸,产生CO2产品和解吸后的吸收剂,解吸后的吸收剂与原CO2负载的贫液相混合进行循环吸收。
本发明通过所述的方法在以下方面取得进步:
首先,本发明所述的方法在吸收过程中降低吸收剂粘度利于传质,在进入解吸单元前由于盐析效应形成液-液两相或液-固两相,提高进入解吸单位的吸收剂浓度减少解吸单元的处理量,降低水的蒸发量和升温的能耗,进而实现高粘度吸收剂低能耗分离CO2
其次,本发明所述的方法在吸收过程中形成第三相液滴提高对CO2的吸收速率。
最后,本发明所述的方法在解吸单元前使吸收剂浓度提高,增大解吸速率和解吸量,降低解吸能耗。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述,以下实施例只是描述性的,不是限定性的,不能以此限定本发明的保护范围。
本发明的胺类、有机溶剂和水均为市售产品。吸收反应的操作压力不低于4kPa,温度为20-80℃。解吸操作压力0.2-200kPa,温度为80-120℃。
实施例1
配置N-甲基二乙醇胺(MDEA)质量分数为50%的水溶液24g,向其中加入聚乙二醇二甲醚16g,得到新型吸收剂40g。加入聚乙二醇二甲醚的质量是原高粘度胺类吸收剂的66.7%。然后,在温度30℃,常压下吸收至饱和,该新型吸收剂形成液-液两相,上液相为CO2负载的贫液相,体积为12.5mL,CO2负载为0.259mol/L,下液相为CO2负载的富液相,体积为25.5mL,CO2负载为2.421mol/L。分离CO2负载的富相,将CO2负载的富相进行解吸,分离得到CO2;将解吸后的吸收剂与CO2负载的贫相混合,再进行循环吸收反应。
实施例2
配置二乙醇胺(DEA)质量分数为50%的水溶液24g,向其中加入二氧六环16g,得到新型吸收剂40g。加入二氧六环的质量是原高粘度胺类吸收剂的66.7%。然后,在温度30℃,常压下吸收至饱和,该吸收剂形成液-液两相,上液相为CO2负载的贫液相,体积为10.0mL,CO2负载为0.175mol/L,下液相为CO2负载的富液相,体积为28.0mL,CO2负载为2.523mol/L。分离CO2负载的富相,将CO2负载的富相进行解吸,分离得到CO2;将解吸后的吸收剂与CO2负载的贫相混合,再进行循环吸收反应。
实施例3
配置乙醇胺(MEA)质量分数为42.8%的水溶液28g,向其中加入二氧六环12g,得到新型吸收剂40g。加入二氧六环的质量是原高粘度胺类吸收剂的42.8%。然后,在温度30℃,常压下吸收至饱和,该吸收剂形成液-液两相,上液相为CO2负载的贫液相,体积为6.5mL,CO2负载为0.083mol/L,下液相为CO2负载的富液相,体积为32.9mL,CO2负载为3.480mol/L。将下液相在温度120℃,常压下进行解吸,解吸后CO2的负载为0.645mol/L,吸收剂的循环负载量为2.835mol/L。将解吸后的液相与新型吸收剂的贫液相混合,溶液恢复均相。
实施例4
配置2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)质量分数为42.8%的水溶液28g,向其中加入正丙醇12g,得到新型吸收剂40g。加入正丙醇的质量是原高粘度胺类吸收剂的42.8%。然后,在温度30℃,常压下,吸收至饱和,该吸收剂形成液-固两相,液相为CO2负载的贫相,固相为CO2负载的富相。分离CO2负载的富相,将CO2负载的富相进行解吸,分离得到CO2;将解吸后的吸收剂与CO2负载的贫相混合,再进行循环吸收反应。
实施例5
配置MEA质量分数为60%的水溶液60g,向其中加入二氧六环60g,得到新型吸收剂120g。加入二氧六环的质量是原高粘度胺类吸收剂的100%。然后,在温度30℃,常压下,吸收至饱和,该吸收剂形成液-液两相,上液相为CO2负载的贫液相,体积为75.0mL,CO2负载为0.596mol/L,下液相为CO2负载的富液相,体积为60.0mL,CO2负载为4.444mol/L。将下液相在温度120℃,常压下进行解吸,解吸后CO2的负载为1.477mol/L,吸收剂的循环负载量为2.967mol/L。将解吸后的液相与原吸收剂的贫液相混合,溶液恢复均相。
实施例6
配置MEA质量分数为75%的水溶液64g,向其中加入二氧六环16g,得到新型吸收剂80g。加入二氧六环的质量是原高粘度胺类吸收剂的25%。然后,在温度40℃,常压下,吸收至饱和,该吸收剂形成液-液两相,上液相为CO2负载的贫液相,体积为13.5mL,CO2负载为0.083mol/L,下液相为CO2负载的富液相,体积为67.0mL,CO2负载为4.229mol/L。
实施例7
配置MEA质量分数为42.8%的水溶液56g,向其中加入丙酮24g,得到新型吸收剂80g。加入丙酮的质量是原高粘度胺类吸收剂的42.8%。然后,在温度30℃,常压下,吸收至饱和,该吸收剂形成液-液两相,上液相为CO2负载的贫液相,体积为16.5mL,CO2负载为0.319mol/L,下液相为CO2负载的富液相,体积为66.5mL,CO2负载为3.112mol/L。
实施例8
其他吸收剂测试体系如下:
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于盐析效应应用高粘度吸收剂分离CO2的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)向高粘度胺类吸收剂中加入与水互溶的有机溶剂,混合得到新型吸收剂;
(2)新型吸收剂与待分离的CO2反应,由于盐析效应形成液-液两相或液-固两相,两相分别是CO2负载的富相和CO2负载的贫相;
(3)分离CO2负载的富相,将CO2负载的富相进行解吸,分离得到CO2
(4)将步骤(3)解吸后的吸收剂与CO2负载的贫相混合,再进行循环反应。
2.按照权利要求1所述的一种基于盐析效应应用高粘度吸收剂分离CO2的方法,其特征在于,步骤(1)中所述的高粘度胺类吸收剂主要是与CO2反应生成盐类物质的胺类有机化合物的水溶液,其中胺类有机化合物中的胺是伯胺、仲胺、叔胺中的任意一种或是多种的复合。
3.按照权利要求2所述的一种基于盐析效应应用高粘度吸收剂分离CO2的方法,其特征在于,胺类有机化合物是支链胺、环状胺中的一种或是多种的复合。
4.按照权利要求2所述的一种基于盐析效应应用高粘度吸收剂分离CO2的方法,其特征在于,胺类有机化合物是单胺、二胺或多胺中的一种或是多种的复合。
5.按照权利要求1所述的一种基于盐析效应应用高粘度吸收剂分离CO2的方法,其特征在于,步骤(2)能够通过调节新型吸收剂中的水量或与水互溶的有机溶剂的量使得新型吸收剂与待分离的CO2反应后由于盐析效应形成液-液两相或液-固两相。
6.按照权利要求1所述的一种基于盐析效应应用高粘度吸收剂分离CO2的方法,其特征在于,步骤(1)中所述的高粘度胺类吸收剂中胺的质量百分比为35%-90%,20℃时高粘度胺类水溶液的粘度大于3mpa·s。
7.按照权利要求1所述的一种基于盐析效应应用高粘度吸收剂分离CO2的方法法,其特征在于,步骤(1)中所述的与水互溶的有机溶剂选自醇、酮、醚、酰胺、腈、亚砜中的一种或是多种的复合,加入有机溶剂的质量是高粘度胺类吸收剂质量的20%-150%。
8.按照权利要求1所述的一种基于盐析效应应用高粘度吸收剂分离CO2的方法,其特征在于,步骤(2)反应的操作压力不低于4kPa,温度为20-80℃;步骤(3)解吸操作压力0.2-200kPa,温度为80-120℃。
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