CN105510530A - 一种醇胺溶液中二氧化碳的总传质系数的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种醇胺溶液中二氧化碳的总传质系数的测定方法，在填料塔内，用醇胺溶液吸收二氧化碳，醇胺为1-二甲氨基-2-丙醇，醇胺溶液从上往下流动，含二氧化碳的气体从下往上流动，所述醇胺溶液中二氧化碳的总传质系数K_Ga_v按下式计算：<maths num="0001"></maths>其中，L表示填料塔内的醇胺溶液的流量，单位为m³m^-2h^-1；P_CO2表示填料塔内CO₂的分压，单位为kPa；a_eq和a分别表示在该CO₂的分压P_CO2下醇胺溶液中的CO₂平衡溶解度和CO₂的负载，单位均为1；C表示醇胺的浓度，单位为mol/L。本发明针对这一种新型的醇胺1DMA2P提出了相应的二氧化碳传质模型，可以根据这一模型设计填料塔的高度，更好地吸收二氧化碳。

Description

一种醇胺溶液中二氧化碳的总传质系数的测定方法

技术领域

本发明涉及一种醇胺溶液中二氧化碳的总传质系数的测定方法，属于二氧化碳捕获与分离技术领域。

背景技术

20世纪以来，随着人类社会工业突飞猛进的发展，石油、煤、天然气等燃料大量燃烧，导致二氧化碳(CO₂)气体的排放量逐年急剧增加，全球温度升高、温室效应、冰川融化、海平面升高等环境问题引起了全球性关注。因此，如何快速有效地对CO₂进行捕获吸收成为当下极具热议的问题。

有机胺化合物吸收法出现于20世纪30年代，因其具有吸收速率较快、吸收容量较大、经济成本较低等优点，已成为工业气体净化的主要方法之一。

醇胺溶剂，1-二甲氨基-2-丙醇(1DMA2P)，具有较高的吸收容量和吸收速率。除了CO₂吸收容量和吸收速率，溶剂吸收CO₂的质量传递性能也是考察溶剂的重要因数。质量传递性能决定了完成特定脱碳任务所需要的最低填料高度和适宜操作条件，从而影响了设备投资和操作费用，实验所得的K_Ga_v可以直接用于工业设计，对于研究化学吸收过程有着重要的意义。

因此，研究此溶剂在填料塔中吸收CO₂的传质系数及模型具有重要的实际意义。

发明内容

本发明解决的技术问题是，针对现有1-二甲氨基-2-丙醇(1DMA2P)在填料塔中的研究不足，本发明主要提供1-二甲氨基-2-丙醇(1DMA2P)，在填料塔中吸收CO₂的总传质系数(K_Ga_v)及模型。

本发明的技术方案是，提供一种醇胺溶液中二氧化碳的总传质系数的测定方法，在填料塔内，用醇胺溶液吸收二氧化碳，醇胺为1-二甲氨基-2-丙醇，醇胺溶液从上往下流动，含二氧化碳的气体从下往上流动，所述醇胺溶液中二氧化碳的总传质系数K_Ga_v按下式计算：

$K_G{a}_v=0.023L^{0.4377}\&lsqb;23.943\frac{(a_{eq}-a)C}{P_{{\mathrm{CO}}_2}}+0.2086\&rsqb;$

其中，L表示填料塔内的醇胺溶液的流量，单位为m³m^-2h^-1；P_CO2表示填料塔内CO₂的分压，单位为kPa；a_eq和a分别表示在该CO₂的分压P_CO2下醇胺溶液中的CO₂平衡溶解度和CO₂的负载，单位均为1；C表示醇胺的浓度，单位为mol/L。

进一步地，所述填料塔内的1-二甲氨基-2-丙醇的浓度不超过8mol/L。

进一步地，所述填料塔内气体进料温度为293-333K。

进一步地，所述填料塔内气体进料流速不超过50kmol·m^-3·h^-1。

进一步地，所述填料塔内每摩尔1-二甲氨基-2-丙醇的负载不超过0.73molCO₂。

醇胺溶液在填料塔中吸收CO₂的过程主要是液膜控制过程；因此填料塔中吸收CO₂的总传质系数(K_Ga_v)与增强因子(E)和液相传质系数(koL)存在正相关。koL与气相气速无关，但是与液相流量(L)的幂次方成正比关系(幂次方的范围为：0.3-0.7)。同时增强因子(E)与胺溶剂浓度以及CO₂分压存在如下的关系：

$E\&Proportional;\frac{(a_{eq}-a)C}{P_{{\mathrm{CO}}_2}}$

根据以上，可以得出总传质系数(K_Ga_v)与L，C以及CO₂分压存在如下的关系式：

$K_G{a}_v\&Proportional;L^x\&lsqb;\frac{(a_{eq}-a)C}{P_{{\mathrm{CO}}_2}}\&rsqb;$

通过一定的对经验公式的分析以及优化得出总传质系数的表达式：

$K_G{a}_v=0.023L^{0.4377}\&lsqb;23.943\frac{(a_{eq}-a)C}{P_{{\mathrm{CO}}_2}}+0.2086\&rsqb;$

本发明的有益效果是，与传统叔胺MDEA溶剂相比，新型的1DMA2P水溶液具有较高传质性能，并发明针对这一种新型的醇胺1DMA2P提出了相应的二氧化碳传质模型，可以根据这一模型设计填料塔的高度，更好地吸收二氧化碳。

附图说明

图1为吸收传质实验装置图；附图标记：1.CO₂钢瓶；2.空气压缩机；3.气体流量计；4.气体混合器；5.吸收塔；6.恒温水浴槽；7.恒流泵；8.贫液槽；9.温度巡检仪；10.CO₂分析仪。

图2为胺溶剂流量对K_Ga_v的影响；

图3为CO₂负载对K_Ga_v的影响；

图4为胺溶剂浓度对K_Ga_v的影响。

图5为K_Ga_v的实验值以及预测值的比较。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

在不同的操作条件下；即不同的胺溶剂的流量、不同的CO₂负载、不同的胺溶剂浓度，通过测试不同条件的下的总传质系数；发现实验结果正如模型预测的所得；溶剂流量以及溶剂浓度与总传质系数成正相关；CO₂负载与总传质系数负相关。

下面结合具体实施方式，对本发明做进一步的解释和发明，但本发明并不限于实施例所述的范围。

实施例1：传质实验过程

吸收传质实验流程如图1所示，空气由空气压缩机压缩后经质量流量计，CO₂气体由钢瓶经减压阀、质量流量计，两种气体分别通过质量流量计控制其流量，并按一定比例进入混合器，形成具有一定CO₂浓度的气流，气体经充分混合后从底部进入吸收塔，用CO₂分析仪测量吸收塔进口处CO₂浓度，读取的CO₂浓度与计算的CO₂浓度(通过空气和CO₂两股气流流量和质量流量计转换因子计算而得)的误差不能超过2％，方可开始进行实验。待CO₂分析仪测量值稳定之后，胺溶剂经恒流泵后以一定流量从顶部进入吸收塔，这样气液两相在吸收塔中形成逆流接触。运行20-25min待体系稳定后，用CO₂分析仪分别测量并记录不同填料高度处的CO₂含量和相应塔内温度。

实施例2：考察胺溶剂流量(L)对K_Ga_v的影响

用实施例1所述的方法，在常压0.1MPa的条件下，控制CO₂体积分数为15％，通过恒流泵控制混合溶液的流量，并测量1-二甲氨基-2-丙醇(1DMA2P)在填料塔中吸收CO₂的传质系数。最终结果如图2所示，二氧化碳吸收剂中的醇胺流量越大，传质系数增加。结果实验结果正如模型预测的所得，胺溶剂的流量与总传质系数存在正相关。

实施例3：考察CO₂负载(a)对K_Ga_v的影响

用实施例1所述的方法，在常压0.1MPa的条件下，控制CO₂体积分数为15％，通过改变CO₂负载，并测量1-二甲氨基-2-丙醇(1DMA2P)在填料塔中吸收CO₂的传质系数。最终结果如图3所示，CO₂负载增加，K_Ga_v减小。结果实验结果正如模型预测的所得，胺溶剂的流量与总传质系数存在负相关。

实施例4：考察胺溶剂浓度(C)对K_Ga_v的影响

用实施例1所述的方法，在常压0.1MPa的条件下，控制CO₂体积分数为15％，改变胺溶剂浓度，测量1-二甲氨基-2-丙醇(1DMA2P)、在填料塔中吸收CO₂的传质系数。最终结果如图4所示，胺溶剂浓度越大，传质系数增加。结果实验结果正如模型预测的所得，胺溶剂的浓度与总传质系数存在正相关。

实施例5：K_Ga_v的实验值以及预测值的比较

如图5所示，用实施1所述的方法得到的总传质系数与用模型计算所得的总传质系数比较吻合。

Claims (5)

1.一种醇胺溶液中二氧化碳的总传质系数的测定方法，在填料塔内，用醇胺溶液吸收二氧化碳，其特征在于，醇胺为1-二甲氨基-2-丙醇，醇胺溶液从上往下流动，含二氧化碳的气体从下往上流动，所述醇胺溶液中二氧化碳的总传质系数K_Ga_v按下式计算：

$K_G{a}_v=0.023L^{0.4377}\&lsqb;23.943\frac{(a_{eq}-a)C}{P_{{\mathrm{CO}}_2}}+0.2086\&rsqb;$

其中，L表示填料塔内的醇胺溶液的流量，单位为m³m^-2h^-1；P_CO2表示填料塔内CO₂的分压，单位为kPa；a_eq和a分别表示在该CO₂的分压P_CO2下醇胺溶液中的CO₂平衡溶解度和CO₂的负载，单位均为1；C表示醇胺的浓度，单位为mol/L。

2.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于，所述填料塔内的1-二甲氨基-2-丙醇的浓度C不超过8mol/L。

3.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于，所述填料塔内气体进料温度为293-333K。

4.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于，所述填料塔内气体进料流速不超过50kmol·m^-3·h^-1。

5.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于，所述填料塔内每摩尔1-二甲氨基-2-丙醇的负载不超过0.73molCO₂。