CN109569242B - 强化气-液-液三相体系吸收co2的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了强化气‑液‑液三相体系吸收CO2的方法，方法包括：所述含CO2气体从气体进口进入超重力机，水相与有机相从液体入口进入超重力机，通过液体分布器进入转子；在超重力机的内部，水相与有机相从转子内缘向外缘流动，气‑液‑液三相在转子中接触，CO2被液相中的吸收剂吸收，吸收CO2后的液体从液体出口离开超重力机，脱碳后的气体则从气体出口离开超重力机。本方法利用超重力机强化气液传质的特征和无机/有机溶液复合体系良好的吸收性能，可以明显强化气液传质效果，促进CO2的吸收，具有设备结构简单、体积小、能耗低等优势，是一种高效吸收CO2的新技术。

Description

强化气-液-液三相体系吸收CO2的方法
技术领域
本发明涉及强化气-液-液三相体系吸收CO2的方法，特别是采用超重力机强化气-液- 液三相体系吸收CO2的方法。
背景技术
目前，温室效应对人类的生存环境已经产生了巨大的影响。在众多造成温室效应的气体中，CO2是造成温室效应的主要气体，其次是甲烷、氯氟代烷等气体，所以，CO2的控制减排和吸收处理已经成为近期研究的重点。目前，CO2气体的处理技术主要包括化学吸收法、物理吸附法、膜吸收分离法、低温分馏法等。其中，化学吸收法以其CO2吸收速率快、成本低的优势，逐步成为CO2吸收工艺的主要技术。
化学吸收法主要依靠碱性吸收剂与CO2进行可逆反应形成盐。吸收剂主要包括醇胺类吸收剂、无机吸收剂、混合胺吸收剂等。在工业上，CO2吸收设备以吸收塔为主，吸收剂从塔顶进入，含CO2气体从塔底进入，气液两相在吸收塔内进行逆流接触，实现CO2的吸收反应。除了吸收剂、吸收设备之外，反应体系也是影响CO2吸收效率的重要因素。如何强化气液之间的传质效率，提高经济效益，是需要进一步改进的方向。
超重力技术在过程强化领域逐渐引起了人们的广泛关注。超重力技术的主要设备是超重力机，它利用设备内部转子的高速旋转产生的离心力从而在设备内部制造出超重力环境。在超重力环境下，液相被切割成体积极小、比表面积很大的液滴、液丝或液膜等，相际之间、物质之间的传质效果得到了极大地强化，大幅提高反应的转化率。超重力机具有以下特点：设备尺寸大幅减小、分子之间的微观混合得到高度强化、物质在设备里的停留时间短、停开车操作简单、设备检修方便等。正是由于超重力技术在传质上的优势，目前在许多领域都可以看到超重力技术的应用。CN1112320C中报道了一种连续法制备沉淀碳酸钙的方法，提出利用CO2尾气来生产沉淀碳酸钙；CN101168115A中报道了一种脱除变换气中CO2的方法，但吸收剂为热钾碱溶液、氢氧化钠、氢氧化钾。
气-液-液三相体系也是一种可以有效强化相际间传质的重要方法。向气-液体系中加入一种与气相、液相都不互溶的惰性有机液相，可以显著提高传质效率。在传统吸收设备中，气-液-液三相体系的性能受制于三相之间的传质效果。将气-液-液三相体系与超重力技术结合，可以进一步强化相际间、物质间的传质效果，达到高效吸收CO2的目的。
发明内容
本发明的目的提供强化气-液-液三相体系吸收CO2的方法，所述含CO2气体与水相、有机相两相在超重力机内部接触进行反应，完成CO2的吸收反应。
进一步的，该方法包括：所述含CO2气体从气体进口进入超重力机，水相与有机相从液体入口进入超重力机，通过液体分布器进入转子；在超重力机的内部，水相与有机相从转子内缘向外缘流动，气-液-液三相在转子中接触，CO2被液相中的吸收剂吸收，吸收 CO2后的液体从液体出口离开超重力机，脱碳后的气体则从气体出口离开超重力机。气相与液相在超重力机的接触方式可以为逆流接触或并流接触。
作为较为优选的方案之一，水相采用纯水、K2CO3溶液、K2CO3/KHCO3溶液。
作为较为优选的方案之一，有机相采用碳酸二甲酯、环己烷、正己烷、正庚烷。
作为较为优选的方案之一，输入超重力机的水相与有机相的温度为10～90℃。
进一步优选的，输入超重力机的水相与有机相的温度为20～60℃。
更为优选的，当有机相为环己烷或正己烷时，输入超重力机的水相与有机相的温度为45～60℃；当有机相为碳酸二甲酯、正庚烷时，输入超重力机的水相与有机相的温度为20～30℃。
作为较为优选的方案之一，输入超重力机的气液流量体积比为1～1000：1。
进一步优选的，输入超重力机的气液流量体积比为1～100：1。
更为优选的，当有机相为碳酸二甲酯时，气液流量体积比为3～10：1；当有机相为环己烷或正己烷时，气液流量体积比为20～40：1；当有机相为正庚烷时，气液流量体积比为1～10：1。
作为较为优选的方案之一，超重力机的转子转速为200～3000转/分钟。
进一步优选的，超重力机的转子转速为200～1500转/分钟。
更为优选的，超重力机的转子转速为600～1200转/分钟。
作为较为优选的方案之一，当有机相采用碳酸二甲酯时，碳酸二甲酯的体积分率为1～80％；当有机相采用环己烷或正己烷时，环己烷或正己烷的体积分率为1～20％；当有机相采用正庚烷时，正庚烷的体积分率为0.1～10％。
进一步优选的，当有机相采用碳酸二甲酯时，碳酸二甲酯的体积分率为45～80％；当有机相采用环己烷或正己烷时，环己烷或正己烷的体积分率为5～15％；当有机相采用正庚烷时，正庚烷的体积分率为1～5％。
更为优选的，当有机相采用碳酸二甲酯时，碳酸二甲酯的体积分率为50～70％；当有机相采用环己烷或正己烷时，环己烷或正己烷的体积分率为10～15％；当有机相采用正庚烷时，正庚烷的体积分率为1.5～3％。
作为较为优选的方案之一，当水相为K2CO3溶液时，K2CO3溶液的浓度为 0～3mol/L；当水相为K2CO3/KHCO3溶液时，K2CO3/KHCO3溶液的浓度为0～1mol/L。
进一步优选的，当水相为K2CO3溶液时，K2CO3溶液的浓度为0.1～1.5mol/L；当水相为K2CO3/KHCO3溶液时，K2CO3/KHCO3溶液的浓度为0.1～0.5mol/L。
作为较为优选的方案之一，促进剂次氯酸钠、偏亚砷酸钠的浓度为0～0.5mol/L。
进一步优选的，促进剂次氯酸钠、偏亚砷酸钠的浓度为0.01～0.2mol/L。
作为较为优选的方案之一，乳化剂吐温20、吐温40、吐温60、吐温80、司盘 20、司盘40、司盘60、司盘80、壬基酚聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚、脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚的体积分数为0～20ml/L。
进一步优选的，乳化剂吐温20、吐温40、吐温60、吐温80、司盘20、司盘40、司盘60、司盘80、壬基酚聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚、脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚的体积分数为1～5ml/L。
作为较为优选的方案之一，所用的超重力旋转床反应器采用旋转填料床、定-转子反应器、折流旋转床。
作为较为优选的方案之一，水相和有机相的混合液相可以循环使用或者非循环一次性使用。
本发明利用超重力机，结合气-液-液三相体系，进行含CO2气体的吸收工艺，其效果明显优于传统塔设备和气-液两相体系，是一种新型的吸收CO2的技术。
本发明提供的方法的优势是：工艺流程简单，传质吸收效果好，装置体积小，运行可靠，设备投资成本低。在超重力机中，可以保证CO2与液相的充分接触；同时，加入的有机相可以强化CO2吸收过程中的气液传质效果，拓展了超重力机的应用范围，为解决温室效应提供了一种新思路。
附图说明
图1是本发明的超重力机中循环流动吸收CO2的工艺流程图。其中，1为CO2和 N2混合气，2为缓冲瓶，3为超重力机，4为烧杯，5为气体干燥器，6为CO2分析仪，7为排空管路，8为蠕动泵，9、10为流量计。
图2是本发明的超重力机中非循环一次性流动吸收CO2的工艺流程图。其中，11 为缓冲瓶，12、14为流量计，13为超重力机，15为蠕动泵，16为烧杯，17为CO2分析仪，18为气体干燥器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方案进行进一步说明。但不以任何方式限制本发明。
本发明的工艺流程主要分为超重力机中循环流动吸收CO2的工艺流程和超重力机中非循环一次性流动吸收CO2的工艺流程。
超重力机中循环流动吸收CO2的工艺流程参见图1所示。CO2和N2混合气1先后经过缓冲瓶2和流量计9，从气体入口进入超重力机3；水相和有机相先后通过蠕动泵8和流量计10，从液体入口进入超重力机3，通过液体分布器进入转子。在超重力机3的内部，水相与有机相从转子内缘向外缘流动，气-液-液三相在转子中接触，CO2被液相中的吸收剂吸收。吸收CO2后的液体从液体出口离开超重力机3，并储存在烧杯4中，并继续循环使用；脱碳后的气体则从气体出口离开超重力机3，先后通过气体干燥器5和CO2分析仪6，之后排空7。
超重力机中非循环一次性流动吸收CO2的工艺流程参见图2所示。CO2和N2混合气先后经过缓冲瓶11和流量计12，从气体入口进入超重力机13；烧杯16中的水相和有机相先后通过蠕动泵15和流量计14，从液体入口进入超重力机13，通过液体分布器进入转子。在超重力机13的内部，水相与有机相从转子内缘向外缘流动，气-液-液三相在转子中接触，CO2被液相中的吸收剂吸收。吸收CO2后的液体从液体出口离开超重力机13；脱碳后的气体则从气体出口离开超重力机13，先后通过气体干燥器18和CO2分析仪17，之后排空。本流程中的水相和有机相一次性使用。
下面结合具体的实施例进行说明。
实施例1
吸收CO2与N2混合气(CO2浓度为7％)采用超重力机，调节超重力机的转速为1000转/ 分钟，按照气液流量体积比6.3：1将CO2与N2混合气和K2CO3/KHCO3溶液与碳酸二甲酯的混合液体分别从气体出口和液体出口送进超重力机中，K2CO3/KHCO3溶液与碳酸二甲酯的混合液体温度为25.5℃，CO2与N2混合气的温度和压力分别为25℃和0.1MPa， K2CO3/KHCO3溶液的浓度为0.1mol/L，碳酸二甲酯的体积分率为17％，促进剂次氯酸钠的浓度为0.02mol/L。混合气经过超重力机后，CO2的吸收率为42.86％。K2CO3/KHCO3溶液与碳酸二甲酯的混合液体从液体出口流出后继续循环使用。
实施例2
吸收CO2与N2混合气(CO2浓度为7％)采用超重力机，调节超重力机的转速为600转/分钟，按照气液流量体积比21.1：1将CO2与N2混合气和纯水与环己烷的混合液体分别从气体出口和液体出口送进超重力机中，纯水与环己烷的混合液体温度为29℃，CO2与N2混合气的温度和压力分别为25℃和0.1MPa，环己烷的体积分率为5％，乳化剂吐温80体积分数0.1875ml/L。混合气经过超重力机后，CO2的吸收率为45％。纯水与环己烷的混合液体一次性连续通过超重力机。
实施例3
吸收CO2与N2混合气(CO2浓度为7％)采用超重力机，调节超重力机的转速为800转/分钟，按照气液流量体积比27.8：1将CO2与N2混合气和纯水与环己烷的混合液体分别从气体出口和液体出口送进超重力机中，纯水与环己烷的混合液体温度为57.5℃，CO2与N2混合气的温度和压力分别为25℃和0.1MPa，环己烷的体积分率为5％。混合气经过超重力机后，CO2的吸收率为50％。纯水与环己烷的混合液体一次性连续通过超重力机。
实施例4
吸收CO2与N2混合气(CO2浓度为7％)采用超重力机，调节超重力机的转速为800转/分钟，按照气液流量体积比27.8：1将CO2与N2混合气和纯水与正己烷的混合液体分别从气体出口和液体出口送进超重力机中，纯水与正己烷的混合液体温度为50℃，CO2与N2混合气的温度和压力分别为25℃和0.1MPa，正己烷的体积分率为5％。混合气经过超重力机后，CO2的吸收率为40％。纯水与正己烷的混合液体一次性连续通过超重力机。
实施例5
吸收CO2与N2混合气(CO2浓度为7％)采用超重力机，调节超重力机的转速为800转/分钟，按照气液流量体积比27.8：1将CO2与N2混合气和K2CO3溶液与环己烷的混合液体分别从气体出口和液体出口送进超重力机中，K2CO3溶液与环己烷的混合液体温度为 60℃，CO2与N2混合气的温度和压力分别为25℃和0.1MPa，环己烷的体积分率为4％， K2CO3溶液的浓度为0.1mol/L，乳化剂吐温80的体积分数为0.2ml/L。混合气经过超重力机后，CO2的吸收率为45％。K2CO3溶液与环己烷的混合液体一次性连续通过超重力机。
实施例6
吸收CO2与N2混合气(CO2浓度为7％)采用超重力机，调节超重力机的转速为1200转/ 分钟，按照气液流量体积比2：1将CO2与N2混合气和K2CO3/KHCO3溶液与正庚烷的混合液体分别从气体出口和液体出口送进超重力机中，K2CO3/KHCO3溶液与正庚烷的混合液体温度为28℃，CO2与N2混合气的温度和压力分别为25℃和0.1MPa，正庚烷的体积分率为1.63％，K2CO3/KHCO3溶液的浓度为0.1mol/L，次氯酸钠的浓度为0.01mol/L。混合气经过超重力机后，CO2的吸收率为60％。K2CO3/KHCO3溶液与正庚烷的混合液体一次性连续通过超重力机。
实施例7
吸收CO2与N2混合气(CO2浓度为7％)采用超重力机，调节超重力机的转速为600转/分钟，按照气液流量体积比3.8：1将CO2与N2混合气和K2CO3/KHCO3溶液与碳酸二甲酯的混合液体分别从气体出口和液体出口送进超重力机中，K2CO3/KHCO3溶液与碳酸二甲酯的混合液体温度为25℃，CO2与N2混合气的温度和压力分别为25℃和0.1MPa， K2CO3/KHCO3溶液的浓度为0.1mol/L，碳酸二甲酯的体积分率为20％，促进剂次氯酸钠的浓度为0.02mol/L。混合气经过超重力机后，CO2的吸收率为51％。K2CO3/KHCO3溶液与碳酸二甲酯的混合液体从液体出口流出后继续循环使用。
实施例8
吸收CO2与N2混合气(CO2浓度为7％)采用超重力机，调节超重力机的转速为600转/分钟，按照气液流量体积比6.3：1将CO2与N2混合气和K2CO3/KHCO3溶液与碳酸二甲酯的混合液体分别从气体出口和液体出口送进超重力机中，K2CO3/KHCO3溶液与碳酸二甲酯的混合液体温度为25℃，CO2与N2混合气的温度和压力分别为25℃和0.1MPa， K2CO3/KHCO3溶液的浓度为0.1mol/L，碳酸二甲酯的体积分率为60％，促进剂次氯酸钠的浓度为0.02mol/L。混合气经过超重力机后，CO2的吸收率为50％。K2CO3/KHCO3溶液与碳酸二甲酯的混合液体从液体出口流出后继续循环使用。
实施例9
吸收CO2与N2混合气(CO2浓度为7％)采用超重力机，调节超重力机的转速为600转/分钟，按照气液流量体积比21.1：1将CO2与N2混合气和纯水与环己烷的混合液体分别从气体出口和液体出口送进超重力机中，纯水与环己烷的混合液体温度为25℃，CO2与N2混合气的温度和压力分别为25℃和0.1MPa，环己烷的体积分率为15％，乳化剂吐温80体积分数为1.25ml/L。混合气经过超重力机后，CO2的吸收率为38％。纯水与环己烷的混合液体一次性连续通过超重力机。
由以上实施例可知，本发明提供的方法可以满足含CO2气体的吸收需求，利用超重力机强化气-液-液三相体系吸收CO2，吸收率最高可达70％以上，是一种新型有效的吸收CO2的方法。利用该法可以显著提高CO2吸收工艺中CO2的吸收率，降低了生产成本；本发明过程简单，连续操作，且核心设备占地少、体积小。
此外，本发明还考察了温度、转子转速、气液比、吸收液浓度等参数，实现了吸收CO2的目标，得到了这些参数对CO2吸收效果的最优选择，提供了一种新型有效的吸收 CO2的方法。
本领域技术人员应理解，以上实施例仅是示例性实施例，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换和改变。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.强化气-液-液三相体系吸收CO2的方法，其特征在于包括：所述含CO2气体从气体进口进入超重力机，水相与有机相从液体入口进入超重力机，通过液体分布器进入转子；在超重力机的内部，水相与有机相从转子内缘向外缘流动，气-液-液三相在转子中接触，CO2被液相中的吸收剂吸收，吸收CO2后的液体从液体出口离开超重力机，脱碳后的气体则从气体出口离开超重力机；
气相与液相在超重力机的接触方式可以为逆流接触或并流接触；
吸收反应时温度为10～90℃；
气液按体积流量比1～1000：1；
超重力旋转床转子的转速为200～3000转/分钟；
水相选自纯水、K2CO3溶液、K2CO3/KHCO3溶液；
有机相选自碳酸二甲酯、环己烷、正己烷、正庚烷；
促进剂选自次氯酸钠、偏亚砷酸钠；
乳化剂选自吐温20、吐温40、吐温60、吐温80、司盘20、司盘40、司盘60、司盘80、壬基酚聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚、脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚。
2.根据权利要求1所述的强化气-液-液三相体系吸收CO2的方法，其特征在于：所用的超重力旋转床反应器选自旋转填料床、定-转子反应器和折流旋转床。
3.根据权利要求1所述的强化气-液-液三相体系吸收CO2的方法，其特征在于：当有机相为碳酸二甲酯时，碳酸二甲酯的体积分率为1～80％；当有机相为环己烷或正己烷时，环己烷或正己烷的体积分率为1～20％；当有机相为正庚烷时，正庚烷的体积分率为0.1～10％。
4.根据权利要求1所述的强化气-液-液三相体系吸收CO2的方法，其特征在于：当水相为K2CO3溶液时，K2CO3溶液的浓度为0～3mol/L；当水相为K2CO3/KHCO3溶液时，K2CO3/KHCO3溶液的浓度为0～1mol/L。
5.根据权利要求1所述的强化气-液-液三相体系吸收CO2的方法，其特征在于：促进剂次氯酸钠、偏亚砷酸钠的浓度为0～0.5mol/L。
6.根据权利要求1所述的强化气-液-液三相体系吸收CO2的方法，其特征在于：乳化剂吐温20、吐温40、吐温60、吐温80、司盘20、司盘40、司盘60、司盘80、壬基酚聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚、脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚的体积分数为0～20ml/L。
7.根据权利要求1所述的强化气-液-液三相体系吸收CO2的方法，其特征在于：水相和有机相的混合液相可以循环使用或者非循环一次性使用。
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