CN113350977A - 一种用于从混合气中吸收分离酸性气体的耦合膜分离装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于从混合气中吸收分离酸性气体的耦合膜分离装置，耦合膜分离装置将气体的吸收和解吸整合于一套系统中，包括吸收部分和解吸部分，作业时，包含酸性气体的混合气进入吸收部分并与不断循环的吸收剂的水溶液接触，混合气体的酸性气体溶解于吸收剂中形成富液，其它惰性气体通过吸收部分后排出；吸收酸性气体后的富液进入解吸部分，再生得到能够重复使用的吸收剂贫液和酸性气体，其中吸收剂贫液返回吸收部分中循环使用，酸性气体收集后进行后续利用。
Description
技术领域
本发明属于酸性气分离领域，尤其涉及一种用于从混合气中吸收分离酸性气体的耦合膜分离装置。
背景技术
酸性气体指的是一类与水反应会生成酸的气体，包括二氧硫氧化物、氮氧化物及二氧化碳、硫化氢、氯化氢等化合物。该类气体在大气中含量极少，在化工生产过程中却常常会产生或引入，由于其对大气造成损害，且影响管道设备正常使用，对生产过程产生不利影响，往往要对其进行分离处置。
工业上，对酸性气进行分离只要有两类方法，分别是化学法和物理法。物理方法包括物理溶剂(甲醇、碳酸酯类、N-甲基吡咯烷酮等)吸收、固态吸附剂(主要是分子筛)吸附、分离膜等，该类分离方法主要的问题在于：采用物理溶剂吸收时，由于溶解度受到温度、压力的影响，往往吸收过程多限制在高压和低温条件下，局限大，而且解吸过程有机溶剂容易造成挥发损失；采用吸附剂时，由于吸附容量小，吸收剂的装载量通常较大，投资高、占地大；解吸过程容易形成二次混合气，需要二次分离，额外能耗大。
化学方法包括碱液吸收、有机胺吸收、碳酸盐吸收等，相对物理方法，化学法效率较高。相对于有机胺吸收剂，无机吸收剂化学性质稳定，吸收速率和容量较大，但是解吸能耗偏高。近年来发展的离子液体，具有选择性高、吸收容量大的特点，但是单独使用往往由于粘度太大影响吸收效果。
另外化学吸收剂传统再生方法也存在不少问题，采用有机胺吸收剂，吸收酸性气体后，可通过加热、减压等方式再生，但其能耗较高、溶剂损耗较大，且有机胺对设备管道存在一定腐蚀性；虽然碱液吸收法形成无机盐较为稳定，但再生过程温度高、能耗大。
近年来将双极膜技术用于无机化学吸收剂的解吸再生，利用选择性离子膜选择性分离技术，可以有效地降低解吸温度能耗，降低能耗。
综上所述，如何提高酸性气体的吸收速率和吸收选择性，提升吸收比表面积，降低酸性气体的解吸能耗，已经成为亟需解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种用于从混合气中吸收分离酸性气体的耦合膜分离装置，其特征在，所述耦合膜分离装置将气体的吸收和解吸整合于一套系统中，包括吸收部分和解吸部分，作业时，包含酸性气体的混合气进入吸收部分并与不断循环的吸收剂的水溶液接触，混合气体的酸性气体溶解于吸收剂中形成富液，其它惰性气体通过吸收部分后排出；吸收酸性气体后的富液进入解吸部分，再生得到能够重复使用的吸收剂贫液和酸性气体，其中吸收剂贫液返回吸收部分中循环使用，酸性气体收集后进行后续利用。
优选的，所述吸收剂为复配离子液体的无机吸收剂的水溶液，其中，无机吸收剂的浓度范围为0-20％wt，离子液体的浓度范围为0-10％wt。
优选的，无机吸收剂为钠的碱或碳酸盐溶液、钠的碱和碳酸盐的复合溶液、钾的碱或碳酸盐溶液、钾的碱和碳酸盐的复合溶液、铯的碱或碳酸盐溶液或者铯的碱和碳酸盐的复合溶液；离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐或者四甲基铵甘氨酸。
优选的，所述吸收部分采用吸收膜接触器，所述吸收膜接触器采用板式膜、卷式膜或者中空纤维膜，其中，
板式膜有效层厚度为10-200微米，材料为无机材料或者有机材料；
卷式膜为板式膜的结构优化，有效层厚度为10-200微米；
中空纤维膜的膜丝材料为聚丙烯或者聚醚砜或者聚偏氟乙烯或者氧化铝陶瓷，膜丝尺寸为内径0.2-1微米，外径0.4-2微米，膜丝以聚丙烯酸进行表面改性。
优选的，所述解吸部分采用解吸膜接触器，解吸膜接触器为双极膜电渗析器，所述双极膜电渗析器采用含有阳离子交换膜的两隔室双极膜，或者含有阴离子交换膜的两隔室双极膜，或者同时含有阳离子交换膜和阴离子交换膜的三隔室双极膜。
优选的，所述双极膜电渗析器的膜器包括电极板、端板、双极膜、阴和或阳离子交换膜、隔板和隔网，其中电极板为钛凃钌铱涂料电极板，端板为有机玻璃材料，双极膜和阴和或阳离子交换膜基膜材料采用聚乙烯、聚四氟乙烯或者聚乙烯醇，隔板和隔网材料为聚丙烯。
优选的，所述耦合膜分离装置分离的酸性气体为二氧化碳、二氧化硫、硫化氢或者四氧化二氮。
优选的，所述耦合膜分离装置还包括吸收剂循环泵，以及一体化的物料罐与吸收剂罐，在所述吸收剂循环泵的作用下，所述耦合膜分离装置中物料循环量为40L/h。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
本发明首先通过在无机化学吸收剂中增加离子液体的方法，提高吸收速率和吸收选择性，采用膜吸收器，提升吸收比表面积；在此基础上，耦合双极膜技术，降低解吸能耗，发明了新的再生方法。
附图说明
图1为本发明的工作流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的一个宽泛实施例中，一种用于从混合气中吸收分离酸性气体的耦合膜分离装置，其特征在，所述耦合膜分离装置将气体的吸收和解吸整合于一套系统中，包括吸收部分和解吸部分，作业时，包含酸性气体的混合气进入吸收部分并与不断循环的吸收剂的水溶液接触，混合气体的酸性气体溶解于吸收剂中形成富液，其它惰性气体通过吸收部分后排出；吸收酸性气体后的富液进入解吸部分，再生得到能够重复使用的吸收剂贫液和酸性气体，其中吸收剂贫液返回吸收部分中循环使用，酸性气体收集后进行后续利用。
优选的，所述吸收剂为复配离子液体的无机吸收剂的水溶液，其中，无机吸收剂的浓度范围为0-20％wt，离子液体的浓度范围为0-10％wt。
优选的，无机吸收剂为钠的碱或碳酸盐溶液、钠的碱和碳酸盐的复合溶液、钾的碱或碳酸盐溶液、钾的碱和碳酸盐的复合溶液、铯的碱或碳酸盐溶液或者铯的碱和碳酸盐的复合溶液；离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐或者四甲基铵甘氨酸。
优选的，所述吸收部分采用吸收膜接触器，所述吸收膜接触器采用板式膜、卷式膜或者中空纤维膜，其中，
板式膜有效层厚度为10-200微米，材料为无机材料或者有机材料；
卷式膜为板式膜的结构优化，有效层厚度为10-200微米；
中空纤维膜的膜丝材料为聚丙烯或者聚醚砜或者聚偏氟乙烯或者氧化铝陶瓷，膜丝尺寸为内径0.2-1微米，外径0.4-2微米，膜丝以聚丙烯酸进行表面改性。
优选的，所述解吸部分采用解吸膜接触器，解吸膜接触器为双极膜电渗析器，所述双极膜电渗析器采用含有阳离子交换膜的两隔室双极膜，或者含有阴离子交换膜的两隔室双极膜，或者同时含有阳离子交换膜和阴离子交换膜的三隔室双极膜。
优选的，所述双极膜电渗析器的膜器包括电极板、端板、双极膜、阴和或阳离子交换膜、隔板和隔网，其中电极板为钛凃钌铱涂料电极板，端板为有机玻璃材料，双极膜和阴和或阳离子交换膜基膜材料采用聚乙烯、聚四氟乙烯或者聚乙烯醇，隔板和隔网材料为聚丙烯。
优选的，所述耦合膜分离装置分离的酸性气体为二氧化碳、二氧化硫、硫化氢或者四氧化二氮。
优选的，所述耦合膜分离装置还包括吸收剂循环泵，以及一体化的物料罐与吸收剂罐，在所述吸收剂循环泵的作用下，所述耦合膜分离装置中物料循环量为40L/h。
下面结合附图，列举本发明的优选实施例，对本发明作进一步的详细说明。
优选实施例1
吸收部分采用聚丙烯酸改性的聚乙烯中空纤维膜，有效膜面积为1.4m2；吸收溶剂为10％wt 氢氧化钾溶液1.5L，循环量为2L/min；混合气中二氧化碳体积分数为1％，其余为空气，进气量为7.5L/min。解吸部分，采用装有阴离子交换膜的两隔室双极膜，有效膜面积为0.084m2；物料罐与吸收剂循环泵罐为同一容器，物料循环量为40L/h；先打开吸收剂循环和混合器进气，混合气二氧化碳吸收率为100％；吸收3h后吸收率降低到90％，打开解吸物料循环、极液循环和淡水循环，调节输入电流为2A；打开解吸0.5h后，吸收率升至100％，酸室有大量气体生成并随管道排出，经检测为二氧化碳气体；打开解吸1h、2h、3h后，混合气二氧化碳吸收率均为100％。平均解吸通量154.7g/(m2·h)。
优选实施例2
吸收部分采用聚丙烯酸改性的聚乙烯中空纤维膜，有效膜面积为1.4m2；吸收溶剂为15％wt 碳酸钾溶液1.5L，循环量为2L/min；混合气中二氧化碳体积分数为1％，其余为空气，进气量为10L/min。解吸部分，采用装有阴离子交换膜的两隔室双极膜，有效膜面积为0.084m2；物料罐与吸收剂罐为同一容器，物料循环量为40L/h；先打开吸收剂循环和混合器进气，混合气二氧化碳吸收率为55％；打开解吸物料循环、极液循环和淡水循环，调节输入电流为2A；打开解吸1h后，吸收率升至75％，酸室有大量气体生成并随管道排出，经检测为二氧化碳气体；打开解吸2h后，吸收率升至100％；打开解吸3h、4h、5h后，混合气二氧化碳吸收率均为100％。平均解吸通量134g/(m2·h)。
优选实施例3
吸收部分采用聚丙烯酸改性的聚乙烯中空纤维膜，有效膜面积为1.4m2；吸收溶剂为10％wt 碳酸钾、10％wt氢氧化钾和5％wt[Bmim][BF4](1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐)离子液体复合溶液1.5L，循环量为2L/min；混合气中二氧化碳体积分数为0.04％，其余为空气，进气量为 10L/min。解吸部分，采用装有阴离子交换膜的两隔室双极膜，有效膜面积为0.084m2；物料罐与吸收剂罐为同一容器，物料循环量为40L/h；先打开吸收剂循环和混合器进气，混合气二氧化碳吸收率为100％；吸收20h后吸收率降低到90％；打开解吸物料循环、极液循环和淡水循环，调节输入电流为2A；打开解吸1h后，吸收率升至100％，酸室有大量气体生成并随管道排出，经检测为二氧化碳气体；打开解吸2h、3h、4h后，混合气二氧化碳吸收率均为100％。平均解吸通量5.3g/(m2·h)。
优选实施例4
吸收部分采用聚丙烯酸改性的聚乙烯中空纤维膜，有效膜面积为1.4m2；吸收溶剂为10％wt 氢氧化钾和5％wt[Bmim][BF4](1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐)离子液体复合溶液1.5L，循环量为2L/min；混合气中二氧化硫体积分数为1％，其余为空气，进气量为10L/min。解吸部分，采用装有阴离子交换膜的两隔室双极膜，有效膜面积为0.084m2；物料罐与吸收剂罐为同一容器，物料循环量为40L/h；先打开吸收剂循环和混合器进气，混合气二氧化硫吸收率为 100％；吸收1h后吸收率降低到90％；打开解吸物料循环、极液循环和淡水循环，调节输入电流为2A；打开解吸2h后，吸收率升至100％，酸室有大量气体生成并随管道排出，经检测为二氧化硫气体；打开解吸3h、4h、5h后，混合气二氧化硫吸收率均为100％。平均解吸通量 183g/(m2·h)。
优选实施例5
吸收部分采用聚丙烯酸改性的聚乙烯中空纤维膜，有效膜面积为1.4m2；吸收溶剂为10％wt 氢氧化钾和5％wt[Bmim][BF4](1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐)离子液体复合溶液1.5L，循环量为2L/min；混合气中硫化氢体积分数为1％，其余为空气，进气量为10L/min。解吸部分，采用装有阴离子交换膜的两隔室双极膜，有效膜面积为0.084m2；物料罐与吸收剂罐为同一容器，物料循环量为40L/h；先打开吸收剂循环和混合器进气，混合气硫化氢吸收率为100％；吸收1h后吸收率降低到90％；打开解吸物料循环、极液循环和淡水循环，调节输入电流为2A；打开解吸2h后，吸收率升至100％；打开解吸3h、4h、5h后，混合气硫化氢吸收率均为100％。平均解吸通量52g/(m2·h)。
优选实施例6
吸收部分采用聚丙烯酸改性的聚乙烯中空纤维膜，有效膜面积为1.4m2；吸收溶剂为20％wt 氢氧化铯溶液1.5L，循环量为2L/min；混合气中二氧化碳体积分数为1％，其余为空气，进气量为7.5L/min。解吸部分，采用装有阴离子交换膜的两隔室双极膜膜，有效膜面积为0.084m2；物料罐与吸收剂罐为同一容器，物料循环量为40L/h；先打开吸收剂循环和混合器进气，混合气二氧化碳吸收率为100％；吸收2h后吸收率降低到90％，打开解吸物料循环、极液循环和淡水循环，调节输入电流为2A；打开解吸0.5h后，吸收率升至100％，酸室有大量气体生成并随管道排出，经检测为二氧化碳气体；打开解吸1h、2h、3h后，混合气二氧化碳吸收率均为100％。平均解吸通量131g/(m2·h)。
优选实施例7
吸收部分采用聚丙烯酸改性的聚乙烯中空纤维膜，有效膜面积为1.4m2；吸收溶剂为20％wt 氢氧化钾溶液1.5L，循环量为2L/min；混合气中二氧化碳体积分数为1％，其余为空气，进气量为7.5L/min。解吸部分，采用装有阳离子交换膜的两隔室双极膜膜，有效膜面积为0.084m2；物料罐与吸收剂罐为同一容器，物料循环量为40L/h；先打开吸收剂循环和混合器进气，混合气二氧化碳吸收率为100％；吸收2h后吸收率降低到90％，打开解吸物料循环、极液循环和淡水循环，调节输入电流为2A；打开解吸0.35h后，吸收率升至100％，酸室有大量气体生成并随管道排出，经检测为二氧化碳气体；打开解吸1h、2h、3h后，混合气二氧化碳吸收率均为 100％。平均解吸通量165.2g/(m2·h)。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种用于从混合气中吸收分离酸性气体的耦合膜分离装置，其特征在，所述耦合膜分离装置将气体的吸收和解吸整合于一套系统中，包括吸收部分和解吸部分，作业时，包含酸性气体的混合气进入吸收部分并与不断循环的吸收剂的水溶液接触，混合气体的酸性气体溶解于吸收剂中形成富液，其它惰性气体通过吸收部分后排出；吸收酸性气体后的富液进入解吸部分，再生得到能够重复使用的吸收剂贫液和酸性气体，其中吸收剂贫液返回吸收部分中循环使用，酸性气体收集后进行后续利用。
2.根据权利要求1所述的耦合膜分离装置，其特征在，所述吸收剂为复配离子液体的无机吸收剂的水溶液，其中，无机吸收剂的浓度范围为0-20％wt，离子液体的浓度范围为0-10％wt。
3.根据权利要求2所述的耦合膜分离装置，其特征在，无机吸收剂为钠的碱或碳酸盐溶液、钠的碱和碳酸盐的复合溶液、钾的碱或碳酸盐溶液、钾的碱和碳酸盐的复合溶液、铯的碱或碳酸盐溶液或者铯的碱和碳酸盐的复合溶液；离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐或者四甲基铵甘氨酸。
4.根据权利要求1所述的耦合膜分离装置，其特征在，所述吸收部分采用吸收膜接触器，所述吸收膜接触器采用板式膜、卷式膜或者中空纤维膜，其中，
板式膜有效层厚度为10-200微米，材料为无机材料或者有机材料；
卷式膜为板式膜的结构优化，有效层厚度为10-200微米；
中空纤维膜的膜丝材料为聚丙烯或者聚醚砜或者聚偏氟乙烯或者氧化铝陶瓷，膜丝尺寸为内径0.2-1微米，外径0.4-2微米，膜丝以聚丙烯酸进行表面改性。
5.根据权利要求1所述的耦合膜分离装置，其特征在，所述解吸部分采用解吸膜接触器，解吸膜接触器为双极膜电渗析器，所述双极膜电渗析器采用含有阳离子交换膜的两隔室双极膜，或者含有阴离子交换膜的两隔室双极膜，或者同时含有阳离子交换膜和阴离子交换膜的三隔室双极膜。
6.根据权利要求5所述的耦合膜分离装置，其特征在，所述双极膜电渗析器的膜器包括电极板、端板、双极膜、阴和或阳离子交换膜、隔板和隔网，其中电极板为钛凃钌铱涂料电极板，端板为有机玻璃材料，双极膜和阴和或阳离子交换膜基膜材料采用聚乙烯、聚四氟乙烯或者聚乙烯醇，隔板和隔网材料为聚丙烯。
7.根据权利要求1所述的耦合膜分离装置，其特征在，所述耦合膜分离装置分离的酸性气体为二氧化碳、二氧化硫、硫化氢或者四氧化二氮。
8.根据权利要求1所述的耦合膜分离装置，其特征在，所述耦合膜分离装置还包括吸收剂循环泵，以及一体化的物料罐与吸收剂罐，在所述吸收剂循环泵的作用下，所述耦合膜分离装置中物料循环量为40L/h。
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| CN115069069A (zh) * | 2022-07-15 | 2022-09-20 | 重庆远达烟气治理特许经营有限公司科技分公司 | 耦合碳捕集系统和燃气发电系统 |
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