CN105709566B - 一种基于助溶效应应用高粘度吸收剂分离co2的方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于助溶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。由于胺类的助溶效应，向高粘度胺类吸收剂中加入与水不互溶的有机溶剂，混合可得到吸收剂；吸收剂与待分离的CO2反应，由于胺类在反应过程中减少，助溶效应减弱，吸收剂形成液‑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

一种基于助溶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，涉及一种基于助溶效应应用高粘度吸收剂分离CO2的方法。
背景技术
二氧化碳的大量排放是引起温室效应的主要原因，并对人类的生存环境造成了极大的威胁。因此，有必要对二氧化碳气体进行捕集。现有的二氧化碳捕集技术有化学吸收法、物理吸收法、膜分离法、吸附法、生物法等，其中在工业上广泛应用的是化学吸收法。尽管化学吸收法应用广泛，但其仍面临再生能耗高的问题。
CO2的再生过程的能耗主要包括三部分：(1)解吸化学反应所需要的反应热；(2)吸收剂升温至解吸温度所需要的显热；(3)水蒸发所带走的热量。其中吸收剂升温显热和水蒸发潜热是无用的能耗，但这两部分能耗占总能耗的50％-60％。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可提高其吸收解吸效果。提高胺类吸收剂浓度一方面可使吸收剂中的水含量降低，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，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助溶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助溶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。
一种基于助溶效应应用高粘度吸收剂分离CO2的方法，包括以下步骤：
(1)由于胺类的助溶效应，向高粘度胺类吸收剂中加入与水不互溶的有机溶剂，混合可得到新型吸收剂；
(2)新型吸收剂与待分离的CO2反应，由于胺类在反应过程中减少，助溶效应减弱，新型吸收剂体系形成液-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)将CO2负载的富相进行分离并解吸，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胺类有机物的水溶液，其中胺类有机物的胺是伯胺、仲胺、叔胺的一种或是多种的复合，进一步可以为直链胺、环状胺的一种或是多种的复合，也可以是单胺、二胺或多胺中的一种或是多种的复合。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。
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类有机物的质量百分比为35％-80％，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)中所述的与水不互溶的有机溶剂选自碳原子数大于等于 4的与水不互溶的醇类、烷烃、芳烃、与水不互溶的醚类、与水不互溶的酯类中的一种或多种的复合。加入与水不互溶的有机溶剂的质量是高粘度胺类吸收剂质量的10％-150％。通过调整水或与水不互溶的有机溶剂的用量，使得新型吸收剂与待分离的CO2反应吸收后，新型吸收剂体系形成液-液两相或液-固两相。
根据本发明的方法，步骤(2)反应吸收的操作压力不低于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a所述的新型吸收剂接触，CO2被捕集到溶液中，溶液中胺类的量减少，助溶效应减弱，新型吸收剂形成液- 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由于胺类的助溶效应，加入与水不互溶的有机溶剂降低吸收剂粘度利于传质，在进入解吸单元前由于胺类在反应过程中减少，助溶效应减弱，新型吸收剂形成液-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、与水不互溶的有机溶剂和水均为市售产品。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
配置乙醇胺(MEA)质量分数为50％的水溶液24g，向其中加入正丁醇16g，得到新型吸收剂40g。加入正丁醇的质量是原高粘度胺类吸收剂的66.7％。然后，在温度20℃，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20.0mL，CO2负载为0.179mol/L，下液相为CO2负载的富液相，体积为24.0mL，CO2负载为4.915mol/L。将CO2负载的富相进行分离并解吸，分离得到CO2；解吸后的吸收剂与CO2负载的贫相混合，再进行循环反应吸收。
实施例2
配置三乙醇胺(TEA)质量分数为50％的水溶液24g，向其中加入正丁醇16g，得到新型吸收剂40g。加入正丁醇的质量是原高粘度胺类吸收剂的66.7％。然后，在温度20℃，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24.5mL， CO2负载为0.200mol/L，下液相为CO2负载的富液相，体积为17.5mL，CO2负载为1.635mol/L。将CO2负载的富相进行分离并解吸，分离得到CO2；解吸后的吸收剂与CO2负载的贫相混合，再进行循环反应吸收。
实施例3
配置苄胺质量分数为66.7％的水溶液30g，向其中加入苯10g，得到新型吸收剂40g。加入苯的质量是原高粘度胺类吸收剂的33.3％。然后，在温度20℃，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。将CO2负载的富相进行分离并解吸，分离得到CO2；解吸后的吸收剂与CO2负载的贫相混合，再进行循环反应吸收。
实施例4
配置N-甲基二乙醇胺(MDEA)质量分数为50％的水溶液24g，向其中加入正丁醇16g，得到新型吸收剂40g。加入正丁醇的质量是原高粘度胺类吸收剂的66.7％。然后，在温度20℃，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21.5mL， CO2负载为0.114mol/L，下液相为CO2负载的富液相，体积为22.0mL，CO2负载为3.371mol/L。将CO2负载的富相进行分离并解吸，分离得到CO2；解吸后的吸收剂与CO2负载的贫相混合，再进行循环反应吸收。
实施例5
配置MDEA质量分数为42.8％的水溶液28g，向其中加入正丁醇12g，得到新型吸收剂 40g。加入正丁醇的质量是原高粘度胺类吸收剂的42.8％。然后，在温度20℃，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16.0mL，CO2负载为0.202mol/L，下液相为CO2负载的富液相，体积为26.0mL，CO2负载为2.525mol/L。将下液相在温度80℃，常压下进行解吸，解吸后CO2的负载为0.250mol/L，吸收剂的循环负载量为2.275mol/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MDEA质量分数为33.3％的水溶液36g，向其中加入正丁醇4g，得到新型吸收剂40g。加入正丁醇的质量是原高粘度胺类吸收剂的11.1％。然后，在温度20℃，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3.5mL，CO2负载为0.159mol/L，下液相为CO2负载的富液相，体积为36.5mL，CO2负载为1.853mol/L。将 CO2负载的富相进行分离并解吸，分离得到CO2；解吸后的吸收剂与CO2负载的贫相混合，再进行循环反应吸收。
实施例7
配置MDEA质量分数为75％的水溶液32g，向其中加入正辛醇8g，得到新型吸收剂40g。加入正辛醇的质量是原高粘度胺类吸收剂的25％。然后，在温度50℃，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18.0mL，CO2负载为0.527mol/L，下液相为CO2负载的富液相，体积为23.0mL，CO2负载为1.331mol/L。将CO2负载的富相进行分离并解吸，分离得到CO2；解吸后的吸收剂与CO2负载的贫相混合，再进行循环反应吸收。
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 (9)

1.一种基于助溶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)由于胺类的助溶效应，向高粘度胺类吸收剂中加入与水不互溶的有机溶剂，混合可得到吸收剂；
(2)吸收剂与待分离的CO2反应，由于胺类在反应过程中减少，助溶效应减弱，吸收剂体系形成液-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)将CO2负载的富相进行分离并解吸，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所述的一种基于助溶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胺类有机物的水溶液，其中胺类有机物的胺是伯胺、仲胺、叔胺的任意一种或是多种的复合。
3.按照权利要求2所述的一种基于助溶效应应用高粘度吸收剂分离CO2的方法，其特征在于，胺类有机物为直链胺、环状胺的一种或是多种的复合。
4.按照权利要求2所述的一种基于助溶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2所述的一种基于助溶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类有机物的质量百分比为35％-80％，20℃时高粘度胺类水溶液的粘度大于3mpa·s。
6.按照权利要求1所述的一种基于助溶效应应用高粘度吸收剂分离CO2的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的与水不互溶的有机溶剂选自碳原子数大于等于4的与水不互溶的醇类、烷烃、芳烃、与水不互溶的醚类、与水不互溶的酯类中的一种或多种的复合。
7.按照权利要求1所述的一种基于助溶效应应用高粘度吸收剂分离CO2的方法，其特征在于，加入与水不互溶的有机溶剂的质量是高粘度胺类吸收剂质量的10％-150％。
8.按照权利要求1所述的一种基于助溶效应应用高粘度吸收剂分离CO2的方法，其特征在于，通过调整水或与水不互溶的有机溶剂的用量，使得吸收剂与待分离的CO2反应后，吸收剂体系形成液-液两相或液-固两相。
9.按照权利要求1所述的一种基于助溶效应应用高粘度吸收剂分离CO2的方法，其特征在于，步骤(2)反应吸收的操作压力不低于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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