CN110368781B - 一种酸性气体捕集剂及捕集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种酸性气体捕集剂及捕集方法。该酸性气体捕集剂的原料组成为碳酸丙烯酯和二甲基咪唑乙二醇溶液。本发明还提供了一种利用上述捕集剂完成的捕集方法，其步骤为：将含有酸性气体的原料气与本发明的酸性气体捕集剂混合。本发明的酸性气体捕集剂可以高效捕集混合气中的酸性气体。

Description

一种酸性气体捕集剂及捕集方法
技术领域
本发明涉及一种酸性气体的捕集剂及捕集方法，属于气体分离技术领域。
背景技术
二氧化碳的排放是造成温室效应的主要原因，近几十年来，二氧化碳的捕集、利用和储存，受到了研究者们的广泛关注。
目前，已经开发的CO2捕集的方法很多，如溶剂吸收法、吸附法、膜分离法、低温分离法等以及这些方法的组合应用。其中，醇胺法是目前应用最为广泛、研究最多的技术。但仍有一些难题需要克服，比如吸收剂的挥发，吸收剂再生成本高，热量利用率低，具有腐蚀性，对设备的损耗和操作要求都很高。碳酸丙烯酯(PC)工艺由Flour公司开发，1964年工业化，是一种以碳酸丙烯酯为吸收剂的脱碳方法，适用于含少量H2S混合气中CO2的脱除，碳酸丙烯酯对混合气中的CO2有很好的选择性，而对其他组分气体溶解性极差。碳酸丙烯酯工艺成熟，溶剂性能稳定，流程也相对简单，CO2回收率高，但存在溶剂损耗较大，腐蚀严重等问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种可以高效捕集酸性气体的捕集剂。
为了实现上述技术目的，本发明首先提供了一种酸性气体捕集剂，该酸性气体捕集剂的原料组成为碳酸丙烯酯和二甲基咪唑乙二醇溶液。
在本发明的酸性气体捕集剂中，优选地，以该酸性气体捕集剂的总质量为100％计，该酸性气体捕集剂的原料组成为40％-80％的碳酸丙烯酯和20％-60％的二甲基咪唑乙二醇溶液，其中，该氧化碳捕集剂各原料的百分比之和为100％。
在本发明的酸性气体捕集剂中，优选地，采用的二甲基咪唑乙二醇溶液的原料组成为二甲基咪唑和乙二醇。
在本发明的酸性气体捕集剂中，优选地，采用的二甲基咪唑乙二醇溶液中二甲基咪唑的质量含量为20％-50％；更优选地，二甲基咪唑乙二醇溶液中二甲基咪唑的质量含量为40％。
在本发明的酸性气体捕集剂中，优选地，该酸性气体捕集剂在温度为10℃-70℃，压力为0.1MPa-5.0MPa的条件下，对二氧化碳进行捕集。
本发明还提供了一种酸性气体的捕集方法，该捕集方法的步骤包括：将含有酸性气体的原料气与本发明的酸性气体捕集剂混合。
在本发明的捕集方法中，优选地，该捕集方法在温度为10℃-70℃，压力为0.1MPa-5.0MPa的条件下进行。
在本发明的捕集方法中，优选地，以该酸性气体捕集剂的总质量为100％计，该酸性气体捕集剂的原料组成为40％-80％的碳酸丙烯酯和20％-60％的二甲基咪唑乙二醇溶液，其中，该酸性气体捕集剂各原料的百分比之和为100％。
在本发明的捕集方法中，优选地，采用的二甲基咪唑乙二醇溶液的原料组成为二甲基咪唑和乙二醇。
在本发明的捕集方法中，优选地，采用的二甲基咪唑乙二醇溶液中二甲基咪唑的质量含量为20％-50％；更优选地，采用的二甲基咪唑乙二醇溶液中二甲基咪唑的质量含量为40％。
根据本发明的具体实施方式，采用的二甲基咪唑乙二醇溶液按照以下步骤制备得到：
将二甲基咪唑溶解于乙二醇中，得到二甲基咪唑的质量含量为20％-50％的二甲基咪唑乙二醇溶液。
在本发明的捕集方法中，原料气含有酸性气体的所有气体，比如包括但不限于氨合成气、甲醇合成气、制氢原料气、天然气、油田气等酸性气体。
本发明的酸性气体捕集剂对酸性气体的捕集能力强，尤其是二氧化碳气体，吸收速率快，对混合气的分离效率高，解吸温度低，溶剂损耗小，能耗低。
本发明的酸性气体捕集剂对设备腐蚀性小，经济性好。
附图说明
图1为本发明实施例的蓝宝石反应釜的结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种捕集二氧化碳的方法，其是通过图1所示的装置完成的，具体包括以下步骤：
采用的酸性气体捕集剂为碳酸丙烯酯和二甲基咪唑乙二醇溶液的混合溶剂，其中，二甲基咪唑乙二醇的含量为40wt％，其中，二甲基咪唑乙二醇溶液中二甲基咪唑含量为40wt％；
实验开始之前，卸下蓝宝石釜，用去离子水洗净，擦干，加入一定量配置好的捕集剂；然后将蓝宝石釜重新固定在空气浴中，对蓝宝石釜进行抽真空；对盲釜及其所连管线系统抽真空，同样用原料气置换三次后补充原料气到给定压力；启动恒温空气浴设定实验温度；待空气浴温度达到实验温度且高压盲釜中气体压力稳定后，记下盲釜对应压力数值P1；打开高压盲釜和宝石釜之间的连接阀，从盲釜中排放一定量的气体到宝石釜中后关闭连接阀。启动磁力搅拌系统促进整个分离过程的进行；
随着溶液对注入气体的吸收，宝石釜内压力逐渐下降，待宝石釜中压力稳定1个小时以上不发生变化视整个分离过程完成，记下此时高压盲釜(P2)和宝石釜(PE)中压力数值；将盲釜中的气体再一次释放到宝石釜中，达到比上一次更高的压力，从而获得另一个气体平衡吸收压力。如此循环直到得到某一温度下的气体吸收平衡数据。
注入到盲釜中的气体摩尔总量(nt)由下式计算：
Figure BDA0001626023380000031
T为反应体系的温度，P0为盲釜的初始压力，P1为向宝石釜注气后的盲釜平衡压力，Vt为盲釜和连接管线总有效体积，R为气体常数，压缩因子Z0Z1由BWRS状态方程(Benedict-Webb-Rubin-Starling)计算得。宝石釜中平衡气相总物质的量由下式计算：
Figure BDA0001626023380000032
式中，PE是宝石釜内平衡压力，ZE是宝石釜内温度压力下对应的压缩因子，Vg是宝石釜内气相体积。
溶液吸收的CO2的物质的量为：
nCO2＝nt-nE
CO2的溶解度定义为：
Figure BDA0001626023380000041
式中V为溶液体积，在本工作中直接测量。
为了验证本实施例中的捕集剂较纯碳酸丙烯酯溶液有更好的分离效果，能提高混合其中CO2的分离效率，进行CH4吸收实验。本实施例中用CO2、CH4吸收量之比(S)来等效替代分离因子。
表1对比了303.15K时，纯碳酸丙烯酯与捕集剂对CO2和CH4溶解度，由表1可知，两种溶剂对CH4的溶解度相当，而捕集剂对CO2的溶解度增大。捕集剂与纯碳酸丙烯酯相比，分离效率得到了提高，低压下尤为明显，4bar时，等效分离因子提高了45％。这表明捕集剂更有利于从混合气中捕集CO2。
表1 303.15K下不同捕集剂对CO2、CH4吸收量对比
Figure BDA0001626023380000042
实施例2
为了验证不同二甲基咪唑乙二醇溶液添加量对捕集剂吸收CO2效果的影响，对三种不同配比(二甲基咪唑乙二醇溶液添加量分别为mf＝20wt％、40wt％、60wt％，其中，二甲基咪唑乙二醇溶液中二甲基咪唑含量均为40wt％)的混合溶液CO2吸收实验。
由表2数据可知，CO2在二甲基咪唑乙二醇-碳酸丙烯酯中溶解度随着压力的增加而增加，也随着二甲基咪唑乙二醇溶液的增加而增加，低压下尤为明显。这些结果表明，本实施例的捕集剂有利于实际情况中在一些低CO2分压的情况下捕集CO2，例如从烟道气或沼气中CO2的分离。更重要的是，二甲基咪唑乙二醇溶液与碳酸丙烯酯相比，它具有更低的挥发性，因此在吸收剂再生的过程中腐蚀或溶剂损失等问题可以被有效避免。
表2 303.15K下不同配比捕集剂对CO2吸收实验结果
Figure BDA0001626023380000051
实施例3
为了验证酸性气体捕集剂可以在较低温度进行解析，对捕集剂(50％的碳酸丙烯酯，50％的二甲基咪唑乙二醇溶液，其中，二甲基咪唑乙二醇溶液中二甲基咪唑含量均为40wt％)进行循环实验，吸收实验条件为20℃，压力如表3所示，解吸条件为20℃，真空。
由表3数据可知，在该解吸条件下，进行一次循环，捕集剂吸收量保持不变，说明该捕集剂可以在较低解吸温度下再生。因为解吸温度低，所以解吸过程中捕集剂损耗小，实验中也观察到捕集剂几乎没有损耗，由克-克方程(Clausius-Clapeyron equation)计算得CO2解吸热为17kJ/mol，远远低于传统化学吸收剂(约80kJ/mol)。
表3
Figure BDA0001626023380000052
以上实施例说明，本发明的酸性气体捕集剂对二氧化碳的捕集能力强，吸收速率快，对混合气的分离效率高。

Claims (4)

1.一种酸性气体捕集剂，其特征在于，该酸性气体捕集剂的原料组成为碳酸丙烯酯和二甲基咪唑乙二醇溶液；所述酸性气体为二氧化碳和甲烷的混合气；
以该酸性气体捕集剂的总质量为100％计，该酸性气体捕集剂的原料组成为40％-80％的碳酸丙烯酯和20％-60％的二甲基咪唑乙二醇溶液，其中，该酸性气体捕集剂各原料的百分比之和为100％；
其中，所述二甲基咪唑乙二醇溶液的原料组成为二甲基咪唑和乙二醇，所述二甲基咪唑乙二醇溶液中二甲基咪唑的质量含量为20％-50％。
2.根据权利要求1所述的酸性气体捕集剂，其特征在于，所述二甲基咪唑乙二醇溶液中二甲基咪唑的质量含量为40％。
3.根据权利要求1所述的酸性气体捕集剂，其特征在于，该酸性气体捕集剂在温度为10℃-70℃，压力为0.1MPa-5.0MPa的条件下，对酸性气体进行捕集。
4.一种酸性气体的捕集方法，其特征在于，该捕集方法的步骤包括：将含有酸性气体的原料气与权利要求1-3任一项所述的酸性气体捕集剂混合，该捕集方法在温度为10℃-70℃，压力为0.1MPa-5.0MPa的条件下进行。
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