CN105536434A - 一种用于酸性气体分离的液-液相变吸收剂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于酸性气体分离的液-液相变吸收剂，其包含乙醇胺、其他水溶性有机物及水，其中乙醇胺的质量百分比为10-60％，其他水溶性有机物的质量百分比为20-60％，水的质量百分比为10-70％；所述液-液相变吸收剂吸收酸性气体前为均相体，吸收酸性气体后自发形成液-液两相，上液相为负载酸性气体的贫液相，下液相为负载酸性气体的富液相，仅富液相进入解吸单元，降低解吸能耗。本发明的液-液相变吸收剂吸收酸性气体后所形成的液-液两相易于分离，并可根据被吸收的酸性气体的特点，通过调整吸收剂的配比以得到适应于该过程的最优的上、下液相的体积比及吸收剂的负载量，从而降低工业环境下进入解吸单元的富液相的量，以便尽可能地降低解吸过程中的能耗。

Description

一种用于酸性气体分离的液-液相变吸收剂
技术领域
本发明属于气体分离技术领域，具体涉及一种用于酸性气体分离的液-液相变吸收剂。
背景技术
工业过程排放的废气及汽车排放的尾气，包含大量的CO2、H2S、SO2等酸性气体，严重污染了环境。通常采用酸性气体分离技术将其中的酸性气体杂质降低到可接受的层次。目前常用的酸性气体分离技术主要有：化学吸收法、物理吸收法、吸附法、膜分离法及离子液体法，其中，化学吸收法是工业应用最成熟的方法。在化学吸收过程中采用乙醇胺(MEA)作为吸收剂应用最为广泛。但是，现有的采用乙醇胺(MEA)的化学吸收过程存在分离能耗高的缺点，以CO2为例，MEA分离CO2过程存在吸收负载低，能耗高，设备腐蚀率高和胺易降解等问题，根据对CO2分离过程能耗的分析，CO2解吸的能耗是总能耗的主要部分，而CO2解吸能耗中无用的能耗如水蒸发潜热和升温显热占解吸能耗的40％-60％(P.H.M.Feron,A.E.Jansen.EnergyConversionandManagement.1995.36(6-9),411-414.)。因此，需要提供一种可以降低水蒸发潜热和升温显热的吸收剂，以满足低能耗高效率分离酸性气体的需要。本领域的技术人员不断改良吸收剂以期降低酸性气体的分离能耗。
中国发明专利“用复合胺掺合物回收二氧化碳”(申请号00118089.4，公开日2000年12月20日)采用MEA与DEA或MDEA的混合胺吸收剂，以及中国发明专利“回收低分压二氧化碳的复合胺溶剂”(申请号01134103.3，公开日2002年6月19日)采用MEA与空间位阻胺(AMP)的混合胺吸收剂，以提高CO2吸收负载，降低CO2分离能耗。以上两个专利只是通过提高吸收剂中CO2负载量的方式降低CO2分离能耗，无法在解吸过程中降低水的蒸发能耗和吸收剂升温的能耗。中国专利申请“一种二氧化碳的吸收分离方法”(申请号200910244197.2，公开日2010年6月16日)使用MEA等醇胺类化合物，并用碳原子小于10的甘醇类化合物代替水作为溶剂，利用甘醇类溶剂沸点高的特点，减少解吸过程中的溶剂蒸发，虽然该专利降低了水蒸发的能耗，但吸收剂升温显热的能耗没有考虑，且甘醇类溶剂粘度大，不利于传质。
中国专利申请“一种胺吸收剂和捕集CO2的方法”(申请号201280031688.9，公开日2014年5月28日)提出一种胺吸收剂和捕集CO2的方法，吸收剂DIPAE/MAPA、DIPAE/DAB、N-TBDEA/DiAP、DEEA/DMPDA吸收CO2后形成两相，负载CO2的富集相进入解吸单元，减少了解吸的液量，降低解吸能耗，该专利申请的方法可同时降低水的蒸发能耗和吸收剂升温的能耗，但吸收剂浓度高、粘度大且价格昂贵，不易合成，不利于其在工业的应用。中国专利申请“用于CO2分离系统的联合CO2相变吸收剂”(申请号201310212240.3，公开日2013年12月28日)提出一种氨基-硅酮吸收剂，该吸收剂吸收CO2后形成固-液两相，固体为氨基甲酸酯，在解吸过程中加热固体氨基甲酸酯即可实现吸收剂的再生，由于在该吸收过程中生成固体，易堵塞管道，为工业应用带来不便。中国专利申请“用于酸性气体分离的自浓缩吸收剂”(申请号201080019279.8，公开日2012年7月25日)公开了一种用于含有酸气体的气体混合物脱酸的方法，该方法所采用的吸收剂包含溶解在溶剂中的胺，所述吸收剂在吸收酸性气体后，吸收剂形成浓缩胺相，且该浓缩胺相可与剩余的吸收剂机械分离并进入再生单元，剩余的吸收剂回收并返回吸收单元，唯一的示例所采用的吸收剂是MEA的异辛醇溶液，且未说明酸性气体的脱除效果及对能耗降低的贡献。美国专利“PHASETRANSITRONALABSORPTIONMETHOD”(申请号11/279095，专利号US7541011B2，公开号2009年9月2日)公开了一种使用含有至少一种活化剂和至少一种溶剂的吸收剂从气体混合物中分离气体的方法，唯一示例的吸收剂为DEA和碳酸钾的含水混合物，以上专利未指明引起预期的相分离溶剂，并且实施例中未明确吸收剂组成及各组分的浓度，实验表明，不同组成的大部分吸收剂在进行吸收操作后无法出现相分离现象，无从实施。
综述所述，开发一种基于工业应用的成熟的且可降低水的蒸发能耗和吸收剂升温的能耗的吸收剂的意义重大。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种用于酸性气体分离的液-液相变吸收剂，该吸收剂在吸收酸性气体后能自发地形成液-液两相，且液-液两相易于分离，并可根据被吸收的酸性气体的特点，通过调整吸收剂的配比以得到适应于该过程的最优的上、下液相的体积比及吸收剂的负载量，从而降低工业环境下进入解吸单元的富液相的量，以便尽可能地降低解吸过程中的能耗。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种用于酸性气体分离的液-液相变吸收剂，所述液-液相变吸收剂包含乙醇胺(MEA)、其他水溶性有机物及水，其中乙醇胺的质量百分比为10-60％，其他水溶性有机物的质量百分比为20-60％，水的质量百分比为10-70％；所述液-液相变吸收剂吸收酸性气体前为均相体，吸收酸性气体后自发形成液-液两相，上液相为负载酸性气体的贫液相，下液相为负载酸性气体的富液相。
本发明的富液相中包含大部分乙醇胺与CO2反应生成的盐、大部分水、一部分未反应的乙醇胺和小部分其他水溶性有机物；贫液相包含大部分其他水溶性有机物、一部分未反应的乙醇胺、小部分水和小部分乙醇胺与CO2反应生成的盐。因此，在使用本发明的液-液相变吸收剂完成酸性气体吸收后，仅使分离的富液相进入后续解吸单元进行酸性气体解吸，完成解吸后的吸收剂和贫液相混合后可重新用于吸收过程。
进一步，所述液-液相变吸收剂中，乙醇胺的质量百分比为20％-40％，其他水溶性有机物的质量百分比为30％-60％，水的质量百分比为20％-50％。
进一步，其他水溶性有机物选自C1-C5醇、丙酮、丁酮、C3-C4醚、酰胺、乙腈、丙腈、亚砜和碳链高分子中的任意一种或多种的组合。
再进一步，所述C1-C5醇选自甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、叔丁醇、仲戊醇所组成的组；
所述C3-C4醚选自二恶烷、四氢呋喃、1,3-二氧五环、乙醚、1,2-环氧丁烷、乙二醇二甲醚所组成的组；
所述酰胺选自甲酰胺、N-甲基甲酰胺、二甲基甲酰胺所组成的组；
所述亚砜选自二甲基亚砜、二苯基亚砜所组成的组；
所述碳链高分子选自聚乙二醇二甲醚、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇月桂酸酯、聚甘油所组成的组。
进一步，所述液-液相变吸收剂吸收酸性气体后自发形成的上液相与下液相的体积比为(0.15-5):1。
再进一步，所述液-液相变吸收剂吸收酸性气体后自发形成的上液相与下液相的体积比为(0.3-4):1。
进一步，所述液-液相变吸收剂用于吸收酸性气体的吸收温度为20-80℃，吸收压力为0.1-8MPa。
进一步，所述酸性气体为包含CO2、H2S、SO2中的一种或多种的烟道气、天然气、变换气或合成气。
本发明提供的用于酸性气体分离的液-液相变吸收剂具有以下优点：
第一、本发明的液-液相变吸收剂在吸收酸性气体后形成液-液两相，以CO2为例，上、下液相CO2负载量浓度比为0.02-0.25:1，且由于上液相(即贫液相)负载极少量的酸性气体，仅需要将负载酸性气体的下液相(即富液相)进行解吸，这样可根据工业需要，通过调节吸收剂的配比以改变所形成的上、下液相的体积比，从而减少了进入解吸单元的液体量，可降低解吸过程中吸收剂的升温显热，进而降低酸性气体的解吸能耗。
第二、采用本发明的液-液相变吸收剂，可根据工业需要，通过调节吸收剂的配比以改变上、下液相负载酸性气体的浓度比，从而可提高进入解吸单元的富液相负载酸性气体的负载量，并提高了富液相中所形成盐的浓度，降低了富液相中水的活度，从而可降低解吸过程中水的蒸发量，进而降低酸性气体的解吸能耗。
第三、本发明的液-液相变吸收剂在吸收酸性气体后形成液-液两相，所得富液相中酸性气体的负载量较高，且其含有少量可促进解吸的有机溶剂，因而所得富液相进入解吸单元能够获得较高的酸性气体解吸率和吸收剂循环负载量(定义为“进入解吸单元前、后所负载酸性气体的量的差值”)，从而降低了酸性气体的解吸能耗。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述。
需要说明的是，由于一些酸性气体如H2S、SO2等，具有毒性或腐蚀性，因此，以下实施例以吸收CO2为例来说明本发明的液-液相变吸收剂的特点和优点，但这不意味着本发明提供的液-液吸收剂仅适用于吸收CO2。
实施例1
将MEA、二乙二醇二甲醚和水混合，配制成吸收剂40g，其中MEA的质量分数为30％，二乙二醇二甲醚的质量分数为40％，水的质量分数为30％；然后，在温度30℃，常压下使用该吸收剂吸收CO2至饱和；吸收CO2后的吸收剂形成液-液两相，上液相为15.0mLCO2低负载的贫液相，CO2负载量为0.161mol/L；下液相为26.0mLCO2高负载的富液相，CO2负载量为4.486mol/L。上下液相体积比为0.58:1，上、下液相CO2负载浓度比为0.04:1。
实施例2
将MEA、聚乙二醇二甲醚和水混合，配制成吸收剂40g，其中MEA的质量分数为30％，聚乙二醇二甲醚的质量分数为40％，水的质量分数为30％；然后，在温度30℃、常压下使用该吸收剂吸收CO2至饱和；吸收CO2后的吸收剂形成液-液两相，上液相为12.0mLCO2低负载的贫液相，CO2负载量为0.200mol/L，下液相为27.5mLCO2高负载的富液相，CO2负载量为4.028mol/L。
显然，上、下液相体积比为0.44:1，上、下液相CO2负载量的比0.05:1。
实施例3
将MEA、二恶烷(二氧六环)和水混合，配制成吸收剂40g，其中MEA的质量分数为30％，二氧六环的质量分数为30％，水的质量分数为40％；然后，在温度30℃、常压下吸收CO2至饱和，吸收CO2后的吸收剂形成液-液两相，上液相为6.5mLCO2低负载的贫液相，CO2负载量为0.083mol/L，下液相为32.9mLCO2高负载的富液相，CO2负载量为3.480mol/L，上、下液相体积比为0.20:1，上、下液相CO2负载量的比0.02:1；接着，将下液相在温度120℃、常压下进行解吸，解吸后下液相中CO2的负载量为0.645mol/L，因此，吸收剂的循环负载量为2.735mol/L。
将解吸后的下液相与原吸收剂的贫液相混合，混合溶液恢复均相。
实施例4
将MEA、正丙醇和水混合，配制成吸收剂120g，其中MEA的质量分数为30％，正丙醇的质量分数为20％，水的质量分数为50％；然后，在温度30℃，常压下使用该吸收剂吸收CO2至饱和；吸收CO2后的吸收剂形成液-液两相，上液相为18.0mLCO2低负载的贫液相，CO2负载量为0.471mol/L，下液相为114.9mLCO2高负载的富液相，CO2负载量为2.870mol/L，上、下液相体积比为0.15:1，上、下液相CO2负载量的比0.16:1；接着，将下液相在温度120℃、常压下进行解吸，解吸后下液相总CO2的负载量为0.860mol/L，因此吸收剂的循环负载量为2.010mol/L。
将解吸后的下液相与原吸收剂的贫液相混合，混合溶液恢复均相。
实施例5
将MEA、正丙醇和水混合，配制成吸收剂120g，其中MEA的质量分数为30％，正丙醇的质量分数为40％，水的质量分数为30％；然后，在温度30℃、常压下使用该吸收剂吸收CO2至饱和；吸收CO2后的吸收剂形成液-液两相，上液相为57.6mLCO2低负载的贫液相，CO2负载量为0.541mol/L，下液相为74.5mLCO2高负载的富液相，CO2负载量为3.744mol/L，上、下液相体积比为0.77:1，上、下液相CO2负载量的比0.14:1；接着，将下液相在温度120℃、常压下进行解吸，解吸后下液相中CO2的负载量为1.165mol/L，因此，吸收剂的循环负载量为2.579mol/L。
将解吸后的下液相与原吸收剂的贫液相混合，混合溶液恢复均相。
实施例6
将MEA、正丙醇和水复合，配制成吸收剂120g，其中MEA的质量分数为30％，正丙醇的质量分数为60％，水的质量分数为10％；然后，在温度30℃、常压下使用该吸收剂吸收CO2至饱和；吸收CO2后的吸收剂形成液-液两相，上液相为63.0mLCO2低负载的贫液相，CO2负载量为0.863mol/L，下液相为29.0mLCO2高负载的富液相，CO2负载量为5.063mol/L，上、下液相体积比为2.17:1，上、下液相CO2负载量的比0.17:1；接着，将下液相在温度120℃、常压下进行解吸，解吸后下液相CO2的负载为1.884mol/L，因此，吸收剂的循环负载量为3.179mol/L。
将解吸后的下液相与原吸收剂的贫液相混合，混合溶液恢复均相。
实施例7
将MEA、正丙醇和水混合，配制成吸收剂80g，其中MEA的质量分数为10％，正丙醇的质量分数为60％，水的质量分数为30％；然后，在温度50℃、常压下使用该吸收剂吸收CO2至饱和；吸收CO2后的吸收剂形成液-液两相，上液相为67.0mLCO2低负载的贫液相，CO2负载量为0.527mol/L，下液相为14.5mLCO2高负载的富液相，CO2负载量为2.149mol/L。
显然，上、下液相体积比为4.62:1，上、下液相CO2负载量的比0.24:1。
实施例8
将MEA、二恶烷和水混合，配制成吸收剂80g，其中MEA的质量分数为60％，二恶烷的质量分数为20％，水的质量分数为20％；然后，在温度40℃、常压下使用该吸收剂吸收CO2至饱和；吸收CO2后的吸收剂形成液-液两相，上液相为13.5mLCO2低负载的贫液相，CO2负载量为0.083mol/L，下液相为67.0mLCO2高负载的富液相，CO2负载量为4.229mol/L。
显然，上、下液相体积比为0.20:1，上、下液相CO2负载量的比0.02:1。
实施例9
将MEA、丙酮和水混合，配制成吸收剂80g，其中MEA的质量分数为30％，丙酮的质量分数为30％，水的质量分数为40％；然后，在温度30℃、常压下使用该吸收剂吸收CO2至饱和；吸收CO2后的吸收剂形成液-液两相，上液相为16.5mLCO2低负载的贫液相，CO2负载量为0.319mol/L，下液相为66.5mLCO2高负载的富液相，CO2负载量为3.112mol/L。
显然，上、下液相体积比为0.25:1，上、下液相CO2负载量的比0.10:1。
实施例10
将MEA、乙腈和水混合，配制成吸收剂40g，其中MEA的质量分数为30％，乙腈的质量分数为30％，水的质量分数为40％；然后，在温度30℃、常压下使用该吸收剂吸收CO2至饱和；吸收CO2后的吸收剂形成液-液两相，上液相为13.0mLCO2低负载的贫液相，CO2负载量为0.187mol/L，下液相为29.0mLCO2高负载的富液相，CO2负载量为3.203mol/L。
显然，上、下液相体积比为0.45:1，上、下液相CO2负载量的比0.06:1。
对比例
配制质量分数为30％MEA水溶液120g，在温度30℃、常压下使用该30％MEA水溶液吸收CO2至饱和状态，测得吸收剂的CO2饱和负载量为2.593mol/L；将吸收CO2饱和后的吸收剂在温度120℃、常压下进行解吸，解吸后吸收剂的CO2负载量为1.047mol/L，吸收剂的循环负载量为1.546mol/L。
由以上实施例和对比例的结果可见，固定MEA质量分数为30％时，采用本发明的液-液相变吸收剂吸收CO2后可以形成液-液两相，并且本发明的液-液相变吸收剂对CO2的吸收负载量和一次吸收、解吸后的循环负载量较传统的30％MEA水溶液吸收剂均有显著的提高，实施例1中CO2的吸收负载量提高了73.00％；实施例2中CO2的吸收负载量提高了55.34％；实施例3中CO2的吸收负载量提高了34.21％，循环负载量提高了76.91％；实施例4中CO2的吸收负载量提高了10.68％，CO2循环负载量提高了30.01％；实施例5中CO2的吸收负载量提高了44.39％，CO2循环负载量提高了66.82％；实施例6中CO2的吸收负载量提高了95.26％，CO2循环负载量提高了105.63％；实施例9中CO2的吸收负载量提高了63.09％；实施例10中CO2的吸收负载量提高了23.52％。
上述实施例只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种用于酸性气体分离的液-液相变吸收剂，其特征在于，所述液-液相变吸收剂包含乙醇胺、其他水溶性有机物及水，其中乙醇胺的质量百分比为10-60％，其他水溶性有机物的质量百分比为20-60％，水的质量百分比为10-70％；所述液-液相变吸收剂吸收酸性气体前为均相体，吸收酸性气体后自发形成液-液两相，上液相负载酸性气体的贫液相，下液相为负载酸性气体的富液相。
2.根据权利要求1所述的液-液相变吸收剂，其特征在于，所述液-液相变吸收剂中，乙醇胺的质量百分比为20％-40％，其他水溶性有机物的质量百分比为30％-60％，水的质量百分比为20％-50％。
3.根据权利要求1或2所述的液-液相变吸收剂，其特征在于，其他水溶性有机物选自C1-C5醇、丙酮、丁酮、C3-C4醚、酰胺、乙腈、丙腈、亚砜和碳链高分子中的任意一种或多种的组合。
4.根据权利要求3所述的液-液相变吸收剂，其特征在于，
所述C1-5醇选自甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、叔丁醇、仲戊醇所组成的组；
所述C3-C4醚选自二恶烷、四氢呋喃、1，3-二氧五环(注释：不存在，请核实)、乙醚、1,2-环氧丁烷、乙二醇二甲醚所组成的组；
所述酰胺选自甲酰胺、N-甲基甲酰胺、二甲基甲酰胺所组成的组；
所述亚砜选自二甲基亚砜、二苯基亚砜所组成的组；
所述碳链高分子选自聚乙二醇二甲醚、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇月桂酸酯、聚甘油所组成的组。
5.根据权利要求1所述的液-液相变吸收剂，其特征在于，所述液-液相变吸收剂吸收酸性气体后自发形成的上液相与下液相的体积比为(0.15-5):1。
6.根据权利要求5所述的液-液相变吸收剂，其特征在于，所述液-液相变吸收剂吸收酸性气体后自发形成的上液相与下液相的体积比为(0.3-4):1。
7.根据权利要求1所述的液-液相变吸收剂，其特征在于，所述液-液相变吸收剂用于吸收酸性气体的吸收温度为20-80℃，吸收压力为0.1-8MPa。
8.根据权利要求1所述的液-液相变吸收剂，其特征在于，所述酸性气体为包含CO2、H2S、SO2中的一种或多种的烟道气、天然气、变换气或合成气。
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