CN113491927A - 一种多段膜吸收脱除二氧化碳的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多段膜吸收法深度脱除二氧化碳的装置，包括有至少两段的膜吸收装置；其工艺是：预处理后的空气先经过疏水膜接触器，进行一个先疏水膜脱碳的过程，待二氧化碳(CO2)降到一定浓度后，再进入亲水膜接触器进行一个深度脱碳的过程。其原理是：在浓度梯度的驱动下，利用亲、疏水性陶瓷膜的性质差异和吸收剂的反应特性，先对CO2进行预吸收再对CO2进行深度吸收，呈现出针对同一工况下所需膜面积最小、装置体积最小以及极高的脱碳率，最终实现最优和最高效率的脱碳目的。
Description
技术领域
本发明属于空气污染控制技术和膜分离技术的交叉领域，特别涉及一种利用多段陶瓷膜接触器，以无机碱和有机醇胺溶液为吸收剂实现气体深度脱碳的工业和生活废气处理装置。
背景技术
CO2脱除装置的作用是降低密闭空间内的CO2浓度。当密闭空间内的CO2浓度高于1000ppm就会对人的大脑认知功能造成损害，CO2浓度达到10000ppm时人会感到头昏，思维迟钝；CO2浓度为10000～20000ppm时呼吸频率加快，心跳加速、轻度恶心；CO2浓度为20000～30000ppm时人的中枢神经机能会降低，可能导致严重缺氧；CO2浓度大于30000ppm时人的正常呼吸将难以维持、昏迷、甚至死亡。
在诸如水下潜艇、深潜器以及地下防事等密闭空间内需要通过的空气环境控制系统来控制室内空气中各种组分的浓度,特别是对于军事作战人员长期生活居住的的密闭空间内，保持CO2和O2的浓度在允许范围内是作战人员作战能力一个巨大保障。
目前，各国的研究人员对密闭空间内使用的脱碳技术进行了大量而广泛的研究，至今已研制出了多种型号的CO2脱除装置,这些脱碳装置从分析原理上主要分为为以下3类：物理吸附或过滤法(分子筛、分离膜)、化学吸收法(一乙醇胺、固态胺、KO、碱石灰、LiOH等碱性试剂)、生物系统(如藻类、绿色植物)。其中相比之下，化学吸收法具有吸收效果较好、吸收量较大、技术较成熟等优点，因而在诸如潜艇、地下防事等密闭空间中上得到广泛的应用。但是在控制舱室CO2浓度、设备体积、重量、能耗和二次污染等方面现有的技术、吸收装置均存在局限性。为此，各国研究人员从未停止探索清除密闭舱室CO2新方法的脚步。膜吸收法一种耦合了传统吸收和膜分离技术特点的新型气体分离法，具有操作灵活、结构紧凑和集成化程度高等突出优势，因而受到众多科研人士的关注。
传统的膜吸收脱碳过程多采用疏水性膜，采用单一的操作模式进行CO2的脱除。其操作要求较苛刻，装置体积较大。主要体现单独通过疏水膜对含有CO2的气体进行脱碳操作时，采用NaOH等液体作为吸收液时，当CO2浓度较低时，由于CO2在膜孔道内的浓度梯度减小，传质阻力增加，因此会造成CO2脱除率降低。基于此种现象，要达到设定的出口CO2浓度，则需要增加处理气体的膜面积，相应地也就增加了装置的体积，使得整体工艺的成本上升，同时设备体积的增大也不符合针对密闭空间气体循环系统装置尽可能小的要求。
发明内容
本发明针对密闭空间内要求脱除CO2效率高、设备体积小等要求，提出了一种降低密闭空间内CO2浓度的新方法。本方法具体是一种多段膜吸收法烟气联合脱碳工艺，利用至少两段的陶瓷膜接触器组成多段膜吸收装置，以有机醇胺或者无机强碱溶液为吸收剂，在一个工艺过程中实现气体高效率脱碳。
本发明的第一个方面，提供了：
一种多段膜吸收空气脱除二氧化碳的方法，包括如下步骤：
第1步，对含有CO2的气体采用疏水性多孔膜进行膜吸收方法初步脱除CO2；
第2步，对第1步处理后的气体采用亲水性多孔膜进行膜吸收方法进一步脱除CO2。
在一个实施方式中，上述的第1步或第2步中的膜吸收过程中，吸收液中采用无机碱或者胺类化合物作为吸收剂。
在一个实施方式中，所述的无机碱选自NaOH或者KOH。
在一个实施方式中，无机碱的质量浓度范围是1-30wt％。
在一个实施方式中，胺类化合物选自包括甲基二乙醇胺在内的一级醇胺、二级醇胺、三级醇胺、空间位阻胺和环状有机胺等中的一种或多种。
在一个实施方式中，胺类化合物的质量浓度范围可以是5-40wt％。
在一个实施方式中，含有CO2的气体中CO2总含量为1～30wt％。
在一个实施方式中，亲水性多孔膜的孔径范围0.05～3μm，水滴接触角范围小于50°。
在一个实施方式中，疏水性多孔膜的孔径范围0.05～3μm，水滴接触角范围90-170°。
在一个实施方式中，第2步中经过处理后的如上所述的胺类化合物吸收液可经过升温使CO2从吸收液中解吸使吸收液再生。
本发明的第二个方面，提供了：
一种多段膜吸收空气脱碳装置，包括：
相互串联的疏水性多孔膜和亲水性多孔膜；
吸收液输送管，与亲水性多孔膜的液相一侧连接；
含CO2的气体输入管，与疏水性多孔膜的气相一侧连接。
在一个实施方式中，疏水性多孔膜的气相一侧的气体出口连接于亲水性多孔膜一侧的气体进口。
在一个实施方式中，亲水性多孔膜的液相一侧的液体出口连接于疏水性多孔膜一侧的液体进口。
在一个实施方式中，还包括吸收液输送泵，吸收液输送泵的位置在亲水性多孔膜的吸收液侧的出口与疏水性多孔膜的吸收液侧的进口之间，用于将吸收液以抽的形式输送进亲水性多孔膜接触器，并将吸收液以压的形式压的形式输送进疏水性多孔膜接触器。
在一个实施方式中，还包括气体预处理装置，用于对供入亲水性多孔膜的气体进行预处理。
在一个实施方式中，亲水性多孔膜是管式陶瓷膜，管内为吸收液侧，管外为气体侧；孔径范围0.05～3μm，水滴接触角范围小于50°。
在一个实施方式中，疏水性多孔膜是管式陶瓷膜，管内为吸收液侧，管外为气体侧；孔径范围0.05～3μm，水滴接触角范围90-170°。
本发明的第三个方面，提供了：
亲水性多孔膜联合疏水性多孔膜在用于基于膜吸收过程中用于分离气体中CO2的应用。
在一个实施方式中，所述的应用是指提高对CO2吸收率。
在一个实施方式中，所述的应用是指减小CO2吸收装置的体积。
本发明的第四个方面，提供了：
一种CO2膜吸收过程中的传质系数的计算方法，包括如下步骤：
(1)疏水膜上的CO2总传质系数通过下式计算：
其中，KG为总传质系数(m·s-1)，ks、kt、km分别表示壳程传质系数(m·s-1)、管程传质系数(m·s-1)、膜程传质系数(m·s-1)，do、di、dlm分别为疏水膜膜管的外径(m)、内径(m)和平均对数直径(m)，R为理想气体常数(J·mol-1·K-1)，H为亨利系数(m3Pa mol-1)，T为吸收剂温度(K)，E为化学反应增强因子；
其中，壳程传质系数(ks)通过求解以下方程得到：
Shs＝0.57Res 0.31Scs 0.33
其中，Shs为壳程谢伍德数，Res为壳程雷诺数，Scs为壳程施密特数，uG为气体流速(m·s-1)，vG为氮气运动粘度系数(m2s-1)，DCO2,G为CO2在气相中的扩散系数(m2·s-1)；
其中，管程传质系数(kt)通过求解以下方程得到：
Sht＝1.62Gzt 0.33uL 1.86
其中，Sht为管程谢伍德数，Gzt为管程格雷茨数，uL为液体流速(m·s-1)，L为膜管有效长度(m)，DCO2,L为CO2在液相中的扩散系数(m2·s-1)；
其中，膜程传质系数(km)通过求解以下方程得到：
其中，DCO2,m为CO2在膜孔孔道内的扩散系数(m2·s-1)，ε为膜管管壁的孔隙率，τ为膜管管壁的曲折因子，δ膜管管壁的壁厚(m)；
DCO2,m通过下式计算出：
增强因子(E)通过求解以下方程得到：
其中，Ha为Hatta数，
kE是反应速率(m3·mol-1·s-1)，DCO2,L是CO2在液体中的扩散速率(m2·s-1)，cOH-,L是吸收液中NaOH浓度(mol·m-3)，kL是液相传质系数(m·s-1)；
其中，Ei代表的是瞬时反应增强因子，
cCO2,G是CO2的气相浓度(mol·m-3)，DOH-,L是OH-在液相中的扩散速率(m2·s-1)。
(2)亲水膜上的CO2总传质系数通过下式计算：
其中，KG为总传质系数(m·s-1)，ks、kt、km分别表示壳程传质系数(m·s-1)、管程传质系数(m·s-1)、膜程传质系数(m·s-1)，do、di、dlm分别为疏水膜膜管的外径(m)、内径(m)和平均对数直径(m)，R为理想气体常数(J·mol-1·K-1)，H为亨利系数(m3Pa mol-1)，T为吸收剂温度(K)，E为化学反应增强因子；
其中，壳程传质系数(ks)通过求解以下方程得到：
Shs＝0.57Res 0.31Scs 0.33
其中，Shs为壳程谢伍德数，Res为壳程雷诺数，Scs为壳程施密特数，uG为气体流速(m·s-1)，vG为氮气运动粘度系数(m2s-1)，DCO2,G为CO2在气相中的扩散系数(m2·s-1)；
其中，管程传质系数(kt)通过求解以下方程得到：
Sht＝1.62Gzt 0.33uL 1.86
其中，Sht为管程谢伍德数，Gzt为管程格雷茨数，Sct为管程斯密特数，Ret为管程雷诺数，uL为液体流速(m·s-1)，L为膜管有效长度(m)，DCO2,L为CO2在液相中的扩散系数(m2·s-1)；
其中，膜程传质系数(km)通过求解以下方程得到：
其中，
为CO2在膜孔孔道内的扩散系数(m2·s-1)，ε为膜管管壁的孔隙率，τ为膜管管壁的曲折因子，δ膜管管壁的壁厚(m)；
其中，增强因子(E)通过下式计算得到：
Hatta数Ha通过正式计算得到：
kE是反应速率(m3·mol-1·s-1)，DCO2,L是CO2在液体中的扩散速率(m2·s-1)，cOH-,L是吸收液中NaOH浓度(mol·m-3)，kL是液相传质系数(m·s-1)；
其中，Ei代表的是瞬时反应增强因子，由如下方程计算：
cCO2,G是CO2的气相浓度(mol·m-3)，DOH-,L是OH-在液相中的扩散速率(m2·s-1)。
有益效果
通过构筑先用疏水膜吸收后用亲水膜吸收的联合吸收过程可以更加高效的脱除CO2，从而减小整个装置体积，降低了成本投入，满足了行业对密闭空间CO2脱除工艺装置的要求。
与传统塔柱式气体吸收设备或其它脱碳工艺相比，本发明的有益效果是：
1.本发明中采取多段膜吸收装置，气液两相独立的在膜接触器的壳程和管程内流动，互不干扰可灵活的进行操作，结构紧凑可高度集成化，适用于潜艇和其他密闭空间内空气脱碳工艺的升级改造；
2.本发明中多段膜吸收装置的组件材料为陶瓷膜，陶瓷膜气体渗透通量高，而且天然的具有耐腐蚀、机械强度高等优点对装置整体的寿命得到了提高；
3.本发明中多段膜吸收装置先采用疏水膜可以先脱除一部分CO2，接亲水膜进一步CO2脱除可以使脱碳率更高，装置体积更小。
4.本发明通过建立传质模型计算不同膜接触器最佳配比方式，从理论上证明多段膜吸收法脱碳的可行性，并且可以通过模型进行实验的预测以及工艺的设计。
附图说明
图1为本发明中多段膜吸收法脱碳装置结构示意图。
图2为本发明中亲、疏水性陶瓷膜接触器结构及操作模式示意图。
图3为不同吸收剂浓度下亲水膜和疏水膜中的CO2脱除效率。
图4为不同吸收剂浓度下亲水膜和疏水膜中的CO2吸收通量。
图5为不同进气浓度下亲水膜和疏水膜中的CO2脱除效率。
图6为不同进气浓度亲水膜和疏水膜中的CO2吸收通量。
图7为不同吸收剂浓度下亲水膜和疏水膜中的传质系数。
图8为不同进气浓度下亲水膜和疏水膜中的传质系数。
图9为亲水膜和疏水膜三种不同串联方式下的CO2出气口浓度。
图10为亲水膜和疏水膜三种不同串联方式下的CO2吸收通量。
图11为膜组件的结构示意图。
1-烟气预处理装置；2-烟气流量控制装置；3-第一烟气分析仪；4-第二烟气分析仪；5-第三烟气分析仪；6-疏水性陶瓷膜接触器；7-亲水性陶瓷膜接触器；8-第一阀门；9-第二阀门；10-第三阀门；11-第四阀门；12-第五阀门；13-第六阀门；14-第一液体泵；15-第二液体泵；16-贫液罐；17-第二富液槽；18-第一转子流量计；19第二转子流量计；20-第一富液罐。
具体实施方式
本发明公开了一种多段膜吸收法联合脱碳装置，包括有至少两段的膜吸收装置；其工艺是：预处理后的空气先经过疏水膜接触器，进行一个先疏水膜脱碳的过程，待CO2降到一定浓度后，再进入亲水陶瓷膜接触器进行一个深度脱碳的过程。其原理是：在浓度梯度的驱动下，利用亲、疏水性陶瓷膜的性质差异和吸收剂的反应特性，先对CO2进行预吸收再对CO2进行深度吸收，呈现出针对同一工况下所需膜面积最小、装置体积最小以及极高的脱碳率，最终实现最优和最高效率的脱碳目的。此工艺避免了气液两相直接接触，具有操作灵活、结构紧凑和可高度集成化、模块化的突出优势，适用于处理如地下大型防空系统、水下潜航器和其它半密闭、密闭空间脱碳工艺的升级改造。
本发明的技术方案，主要是同时使用亲水多孔膜和疏水多孔膜对含有CO2的气体进行脱碳处理，可以实现对CO2的高效脱除，以及减小装置的体积，降低装置的成本。
本发明的气体，即可以来自密闭空间内有较高CO2浓度的气体(例如潜艇内部、地下防空洞系统)，也可以是来自于化石燃料燃烧过程中所产生的尾气(例如火力发电厂机组)，其中CO2的含量没有特别的限定，一些实施方式中，CO2总含量为1～30wt％。
本发明的处理方法中，首先可以对气体进行预处理，主要是用于去除掉气体中的一些颗粒物，可以有效地保护后续的多孔膜的正常运行。这里的预处理，可以采用过滤、静电吸附等方式进行除尘处理。
对于疏水多孔膜的初步吸收：本发明的处理方法中，首先需要对气体采用疏水性的多孔膜进行膜吸收。该过程当中主要是采用NaOH、KOH等无机碱溶液或者是单乙醇胺等包括甲基二乙醇胺在内的一级醇胺、二级醇胺、三级醇胺、空间位阻胺和环状有机胺等中的一种或多种有机醇胺组合而成，吸收剂的质量分数为5～40％。该过程使得CO2的浓度大大降低，为下一步CO2的强化脱除做了准备。
本步骤当中，可以采用常规的多孔膜作为膜吸收装置，这里的多孔膜应该具有较好的疏水性，这里所说的疏水性，可以理解为水滴接触角的范围在90-170°，这里的多孔膜可以是采用管式多孔陶瓷膜，使吸收液从管程通过，气体从壳程通过，被吸收气体和吸收剂分别在膜接触器的壳程和管程以两相平行逆流方式流动，在膜的表面发生气体的吸收。陶瓷膜孔径为0.05～3μm。
在首先进行了疏水性多孔膜的吸收处理后，再将含有CO2的气体送入装有亲水性多孔膜的膜吸收器中进行处理，本步骤中吸收剂管路与疏水膜吸收剂路串联，且亲水膜吸收剂管路为上路，吸收剂流向与气体流向为逆向对流。本发明意外地发现，采用亲水性的多孔膜在上述的膜吸收过程中对于较低浓度的CO2具有更高的脱除率，如在实验条件：NaOH浓度为1mol·L-1；吸收剂流量为40mL·min-1；吸收剂温度为293K；CO2进气浓度为1000ppm时，如图5和图6所示疏水膜的脱碳率为54.06％，传质通量为0.053mol·h-1·m-2，而亲水膜的脱碳率为75.7％，传质通量为0.075mol·h-1·m-2。亲水膜的脱碳率高于疏水膜脱碳率21.64个百分点。如果有考虑溶液再生的问题，吸收剂可以是由包括甲基二乙醇胺在内的一级醇胺、二级醇胺、三级醇胺、空间位阻胺和环状有机胺等中的一种或多种有机醇胺组合而成，吸收剂的质量分数为5～40％。吸收过CO2的吸收剂通过后续的升温过程，可以将CO2解吸，使醇胺溶液再生并可以再次利用。
本步骤当中，可以采用常规的多孔膜作为膜吸收装置，这里的多孔膜应该具有较好的亲水性，这里所说的亲水性，可以理解为水滴接触角的范围在小于50°，这里的多孔膜可以是采用管式多孔陶瓷膜，使吸收液从管程通过，气体从壳程通过，烟气和吸收剂分别在膜接触器的壳程和管程以两相平行逆流方式流动，在膜的表面发生气体的吸收。陶瓷膜孔径为0.05～3μm。
本发明所采用的装置结构如图1所示。
包括至少有第一段初步脱碳段疏水性陶瓷膜接触器、第二段深度脱碳段亲水性陶瓷膜接触器共两段膜吸收装置；还包括烟气预处理装置(1)、烟气流量控制装置(2)、烟气成分分析装置(3-5)和贫液罐(16-17)；所述烟气预处理装置(1)位于所述烟气流量控制装置(2)前端管段上，所述烟气流量控制装置(2)后端与所述疏水性陶瓷膜接触器(6)壳程的气相进口相连；所述亲水性陶瓷膜接触器(7)壳程的进气口与所述疏水性陶瓷膜接触器(6)壳程的气相出气口相连；所述亲水性陶瓷膜接触器(7)管程的液相进口与第一富液槽(20)相连，液相出口通过第一液体泵(15)连接至第二富液槽(17)；所述疏水性陶瓷膜接触器(7)管程的液相进口与第二液体泵(14)相连，液相出口与贫液罐(16)相连；位于初步脱碳段和深度脱碳段的前、中、后端管段上分别设有所述烟气成分分析装置(3-5)，各阀门(8-13)和转子流量计(18-19)分布在管段上，根据监测获得的数据对所述烟气流量控制装置(2)、第一液体泵(15)、第二液体泵(14)进行实时调节控制。具体工艺步骤如下：步骤一、烟气经烟气预处理装置先除尘；步骤二、将步骤一所得烟气经烟气流量控制装置调节流量后送入第一段初步脱碳段疏水性陶瓷膜接触器壳程，采取泵压的方式将初步脱碳段吸收剂送入管程，两相以平行逆流的方式在膜接触器内反应，反应后的吸收剂进入第一段疏水性膜初步脱碳段贫液罐，烟气继续进入第二段亲水性膜深度脱碳段；步骤三、将步骤二所得烟气送入第二段深度脱碳段亲水性陶瓷膜接触器壳程，采取泵抽入的方式将富液槽内吸收剂送入第二段亲水性膜深度脱碳段管程，两相仍以平行逆流的方式在膜接触器内反应，反应后的吸收剂进入第一段初步脱碳段疏水性陶瓷膜接触器管程，对深度脱碳段尾气进行成分分析；步骤四、将初步脱碳段的吸收剂贫液进行收集，深度脱碳段尾气检测达标后排入大气。
实施例1
采用如图1所示的亲、疏水两段陶瓷膜接触器联合脱碳装置及其工艺，处理模拟的密闭空间气体，尾气流量为0.03m3·h-1，气体温度为20℃，CO2体积分数为1wt％，其余为空气。经气体预处理装置除尘后，再由气体流量控制装置进入第一段初步脱碳段疏水性陶瓷膜接触器(膜孔径0.05μm，接触角150°，在组件中安装的疏水膜的膜面积为0.0241m2)；第一段疏水膜初步脱碳段的吸收剂来自于第二段亲水膜深度脱碳段的富液吸收剂为4wt％的NaOH，吸收剂流量0.0024m3·h-1，模拟废气经第一段疏水膜初步脱碳段处理后，模拟废气中CO2含量下降至约0.2wt％，并将体积分数约为0.2wt％的CO2作为进气进入第二段深度脱碳段亲水性陶瓷膜接触器，在组件中安装的亲水膜的膜面积为0.0241m2，模拟废气经第二段深度脱碳段亲水性陶瓷膜接触器处理后，模拟废气中CO2含量下降至约0.007wt％，两段脱碳段对CO2的回收率约99.3％；第一段疏水性初步脱碳段反应后的吸收剂收集到贫液罐中，尾气经检测达标后排放。
对照例1
采用如图1所示的疏水陶瓷膜接触器联合脱碳装置及其工艺，处理模拟的密闭空间气体，尾气流量为0.03m3·h-1，气体温度为20℃，CO2体积分数为1wt％，其余为空气。经气体预处理装置除尘后，再由气体流量控制装置进入第一段初步脱碳段疏水性陶瓷膜接触器(膜孔径0.05μm，接触角150°，在组件中安装的疏水膜的膜面积为0.0241m2)；第一段疏水膜初步脱碳段的吸收剂来自于第二段疏水膜深度脱碳段的富液吸收剂为4wt％的NaOH，吸收剂流量0.0024m3·h-1，经第一段初步脱碳段疏水性陶瓷膜接触器处理后，模拟废气中CO2含量下降至约0.2wt％，并将体积分数为0.2wt％的CO2作为进气进入第二段深度脱碳段疏水性陶瓷膜接触器，在组件中安装的疏水膜的膜面积为0.0241m2，模拟废气经第二段深度脱碳段疏水性陶瓷膜接触器处理后，模拟废气中CO2含量下降至约0.08wt％，两段脱碳段对CO2的回收率约为92％；第一段疏水性初步脱碳段反应后的吸收剂收集到贫液罐中，尾气经检测达标后排放。
对照例2
采用如图1所示的亲、疏水陶瓷膜接触器联合脱碳装置及其工艺，处理模拟的密闭空间气体，尾气流量为0.03m3·h-1，气体温度为20℃，CO2体积分数为1wt％，其余为空气。经气体预处理装置除尘后，再由气体流量控制装置进入第一段初步脱碳段亲水性陶瓷膜接触器(膜孔径0.05μm，接触角37°，在组件中安装的亲水膜的膜面积为0.0241m2)；第一段亲水膜初步脱碳段的吸收剂来自于第二段亲水膜深度脱碳段的吸收剂为4wt％的NaOH，吸收剂流量0.0024m3·h-1，模拟废气经第一段亲水膜初步脱碳段处理后，模拟废气中CO2含量下降至约0.5wt％，并将体积分数为0.5wt％的CO2作为进气进入第二段深度脱碳段亲水性陶瓷膜接触器，在组件中安装的疏水膜的膜面积为0.0241m2，模拟废气经第二段深度脱碳段亲水性陶瓷膜接触器处理后，模拟废气中CO2含量下降至约0.1％，两段脱碳段对CO2的回收率约为90％；第一段亲水性初步脱碳段反应后的吸收剂收集到贫液罐中，尾气经检测达标后排放。
以上三个案例的三种串联方式的实验结果如图9和图10所示。通过实施例1和对照例1、对照例2的实验可以看出，亲水性多孔膜在应用于NaOH吸收液的膜吸过程中表现出出了对低浓度CO2更好的吸收效果，以上的实施例和对照例中的膜面积完全相同，但是实施例1中采用了先在高浓度CO2条件下采用疏水膜接触器，而在低浓度CO2条件下采用亲水膜接触器，实现了总体的去除率最高的效果；而两段全部采用疏水膜或者为亲水膜时，其深度脱碳段的脱碳效果相比于亲、疏水膜串联的脱碳效果则有一定的差距。
因此，采用亲、疏水性膜进行联合操作深度脱碳相比于单一模式下的脱碳操作，具有脱碳效率更高，操作更加灵活的优点。
实施例2亲水性膜和疏水性膜的脱碳过程总传质系数的计算
对亲水性膜和疏水性膜在吸收过程中的传质现象进行了分析和总传质系数的计算。为了证明亲水性陶瓷膜在一定条件下的脱碳性能优于疏水性陶瓷膜，在基于如图3-6的实验事实下，进行亲水性膜和疏水性膜的脱碳过程总传质系数的计算。
计算过程中，是基于单管陶瓷膜组件，其基本结构如图3所示，在圆柱形的膜组件中安装有单管式陶瓷膜，陶瓷膜内部的管道通入吸收液，为管程。陶瓷膜管外壁与膜组件的内壁之间构成壳程，通入待处理的气体，为壳程。计算过程基于以下几点假设：(a)壳层的气体为理想气体，管层的液体为牛顿型流体；(b)整个系统处于稳态等温过程；(c)气相和液相均为充分发展的层流流动；(d)整个体系的速度分布和浓度分布都是轴对称的，且界面处符合Henry定律。同时，在吸收过程中存在化学反应，计算过程中以增强因子(E)体现化学反应在传质过程中的增强效果在。基于此，本发明计算了亲水性膜和疏水性膜脱碳过程的总传质系数，并在此基础上进行了在疏水膜和亲水膜上发生的CO2传质过程的通量。其中传质主要分为三个区域—壳程、管程、膜程。
其主要计算过程如下。
1.疏水膜总传质系数的计算
1.1总传质系数方程：
其中，KG为总传质系数(m·s-1)，ks、kt、km分别表示壳程传质系数(m·s-1)、管程传质系数(m·s-1)、膜程传质系数(m·s-1)，do、di、dlm分别为疏水膜膜管的外径(m)、内径(m)和平均对数直径(m)，R为理想气体常数(J·mol-1·K-1)，H为亨利系数(m3Pa mol-1)，T为吸收剂温度(K)，E为化学反应增强因子。
1.2壳程传质系数(ks)的计算：
Shs＝0.57Res 0.31Scs 0.33
其中，Shs为壳程谢伍德数，Res为壳程雷诺数，Scs为壳程施密特数，uG为气体流速(m·s-1)，vG为氮气运动粘度系数(m2s-1)，DCO2,G为CO2在气相中的扩散系数(m2·s-1)。其中，DCO2,G可查阅文献获得。
1.3管程传质系数(kt)的计算：
Sht＝1.62Gzt 0.33uL 1.86
其中，Sht为管程谢伍德数，Gzt为管程格雷茨数，uL为液体流速(m·s-1)，L为膜管有效长度(m)，DCO2,L为CO2在液相中的扩散系数(m2·s-1)。其中，DCO2,L可查阅文献获得。
1.4膜程传质系数(km)的计算：
其中，DCO2,m为CO2在膜孔孔道内的扩散系数(m2·s-1)，ε为膜管管壁的孔隙率，τ为膜管管壁的曲折因子，δ膜管管壁的壁厚(m)。其中孔隙率与曲折因子可以事先对膜管材料进行测试后得到。
在上述的基础上，DCO2,m可以通过下式计算出：
1.5增强因子(E)的计算：
对于CO2和NaOH吸收的反应可以写为：
其吸收反应不可逆，因此其Hatta数可以表示为：
其中，kE是反应速率(m3·mol-1·s-1)，DCO2,L是CO2在液体中的扩散速率(m2·s-1)，cOH-,L是吸收液中NaOH浓度(mol·m-3)，kL是液相传质系数(m·s-1)。增强因子可以用如下方程计算：
其中，Ei代表的是瞬时反应增强因子，可以由如下方程计算：
其中，cCO2,G是CO2的气相浓度(mol·m-3)，DOH-,L是OH-在液相中的扩散速率(m2·s-1)。
1.6亨利系数(H)的计算：
其中，A、B、C、D为CO2和吸收剂反应时与水的二元相互作用参数，可通过查阅文献获得可通过查阅文献获得。
2.亲水膜总传质系数的计算
2.1总传质系数方程：
其中，KG为总传质系数(m·s-1)，ks、kt、km分别表示壳程传质系数(m·s-1)、管程传质系数(m·s-1)、膜程传质系数(m·s-1)，do、di、dlm分别为疏水膜膜管的外径(m)、内径(m)和平均对数直径(m)，R为理想气体常数(J·mol-1·K-1)，H为亨利系数(m3Pa mol-1)，T为吸收剂温度(K)，E为化学反应增强因子。
2.2壳程传质系数(ks)的计算：
Shs＝0.57Res 0.31Scs 0.33
其中，Shs为壳程谢伍德数，Res为壳程雷诺数，Scs为壳程施密特数，uG为气体流速(m·s-1)，vG为氮气运动粘度系数(m2s-1)，DCO2,G为CO2在气相中的扩散系数(m2·s-1)。其中，DCO2,G可查阅文献获得。
2.3管程传质系数(kt)计算：
Sht＝1.62Gzt 0.33uL 1.86
其中，Sht为管程谢伍德数，Gzt为管程格雷茨数，Sct为管程斯密特数，Ret为管程雷诺数，uL为液体流速(m·s-1)，L为膜管有效长度(m)，DCO2,L为CO2在液相中的扩散系数(m2·s-1)。其中，DCO2,L可查阅文献获得。
2.4膜程传质系数(km)计算：
其中，
为CO2在膜孔孔道内的扩散系数(m2·s-1)，ε为膜管管壁的孔隙率，τ为膜管管壁的曲折因子，δ膜管管壁的壁厚(m)。其中孔隙率与曲折因子可以事先对膜管材料进行测试后得到。
在上述的基础上，
可以通过下式计算出：
2.5增强因子(E)计算：
对于CO2和NaOH吸收的反应可以写为：
其吸收反应不可逆，因此其Hatta数可以表示为：
其中，kE是反应速率(m3·mol-1·s-1)，
是CO2在液体中的扩散速率(m2·s-1)，cOH-,L是吸收液中NaOH浓度(mol·m-3)，kL是液相传质系数(m·s-1)。增强因子可以用如下方程计算：
其中，Ei代表的是瞬时反应增强因子，可以由如下方程计算：
其中，
是CO2的气相浓度(mol·m-3)，DOH-,L是OH-在液相中的扩散速率(m2·s-1)。
2.6亨利系数(H)的计算：
其中，A、B、C、D为CO2和吸收剂反应时与水的二元相互作用参数，可通过查阅文献获得。
根据以上的方程计算，吸收过程中亲水性膜和疏水性膜在固定进气CO2浓度或氢氧化钠(NaOH)浓度下，其实验值和理论值对比分别如图3-8所示。
图3-4分别表示了在固定的进气CO2浓度下亲水膜和疏水膜的CO2脱除率和传质通量；图5-6分别表示了在固定的NaOH浓度下亲水膜和疏水膜的CO2脱除率和传质通量；图7-8分别表示了在固定进气CO2浓度或NaOH浓度和改变NaOH浓度或进气CO2浓度下的亲水膜和疏水膜的总传质系数的理论值和实验值的对比；通过图3和图7比较发现亲水性膜和疏水性膜脱碳优势NaOH浓度区间的实验值和理论值基本吻合；通过图5和图8比较发现亲水性膜和疏水性膜脱碳优势进气CO2浓度区间的实验值和理论值基本吻合，特别是在CO2低浓度区间(500-2500ppm范围内)本发明提供的计算模型与实验值较好的吻合。基于此理论计算结果，可以很好的预测和优化亲水膜和疏水膜联合脱碳的操作条件和结构参数，方便设计各种实际条件下的吸收膜单元和吸收模块。
图3-10所涉及的CO2脱除率(η)和CO2传质通量(J)计算方法如下：
其中，其中η为CO2的去除效率(％)，J为CO2传质通量(mol·m-2·h-1)，Qin和Qout分别表示进气流量(m3·h-1)和出气流量(m3·h-1)，cin和cout分别为气体进口和出口的CO2体积分数，Tg是气体温度(K)，A为接触面积(m2)。
图7-8，所涉及的总传质系数(KG-E)实验值计算方法如下：
KG-E可以用下列公式计算，其中液相出口处CO2的摩尔分数(xl,out)可以由质量守恒得到。
Qg(yg,in-yg,out)＝Ql(xl,out-xl,in)
其中，KG-E为总传质系数(m·s-1)，Qg为气体流量(m3·s-1)，Ql为液体流量(m3·s-1)，xl,in、xl,out分别为液相进口处和出口处的CO2摩尔分数，y* g,in和y* g,out分别是与xl,in和xl,out平衡的溶质CO2的摩尔分数，A为有效传质面积(m2).
在上述基础上，其中与液相平衡的气相浓度可由下式计算：
由于存在化学吸收，相平衡常数计算如下：
其中m为相平衡常数，E为化学反应增强因子，Jchem为化学吸收的CO2传质通量(mol·m-2·h-1)，Jphy是物理吸收的CO2传质通量(mol·m-2·h-1)。
Claims (10)
1.一种多段膜吸收空气脱除二氧化碳的方法，其特征在于，包括如下步骤：
第1步，对含有CO2的气体采用疏水性多孔膜进行膜吸收方法初步脱除CO2；
第2步，对第1步处理后的气体采用亲水性多孔膜进行膜吸收方法进一步脱除CO2。
2.根据权利要求1所述的多段膜吸收空气脱除二氧化碳的方法，其特征在于，在一个实施方式中，上述的第1步或第2步中的膜吸收过程中，吸收液采用无机碱或者胺类化合物作为吸收剂；
在一个实施方式中，所述的无机碱选自NaOH或者KOH；
在一个实施方式中，无机碱的质量浓度范围是1-30wt％。
3.根据权利要求1所述的多段膜吸收空气脱除二氧化碳的方法，其特征在于，在一个实施方式中，胺类化合物选自包括甲基二乙醇胺在内的一级醇胺、二级醇胺、三级醇胺、空间位阻胺和环状有机胺等中的一种或多种；
在一个实施方式中，胺类化合物的质量浓度范围可以是5-40wt％。在一个实施方式中，含有CO2的气体中CO2总含量为1～30wt％。
4.根据权利要求1所述的多段膜吸收空气脱除二氧化碳的方法，其特征在于，在一个实施方式中，亲水性多孔膜的孔径范围0.05～3μm，水滴接触角范围小于50°；在一个实施方式中，疏水性多孔膜的孔径范围0.05～3μm，水滴接触角范围90-170°；
在一个实施方式中，第2步中经过处理后的如上所述的胺类化合物吸收液可经过升温使CO2从吸收液中解吸使吸收液再生。
5.一种多段膜吸收空气脱除二氧化碳装置，其特征在于，包括：
相互串联的疏水性多孔膜和亲水性多孔膜；
吸收液输送管，与亲水性多孔膜的液相一侧连接；
含CO2的气体输入管，与疏水性多孔膜的气相一侧连接。
6.根据权利要求5所述的多段膜吸收空气脱除二氧化碳装置，其特征在于，在一个实施方式中，疏水性多孔膜的气相一侧的气体出口连接于亲水性多孔膜一侧的气体进口；
在一个实施方式中，亲水性多孔膜的液相一侧的液体出口连接于疏水性多孔膜一侧的液体进口。
7.根据权利要求5所述的多段膜吸收空气脱除二氧化碳装置，其特征在于，在一个实施方式中，还包括气体预处理装置，用于对供入亲水性多孔膜的气体进行预处理；在一个实施方式中，所述的气体预处理装置是过滤装置，用于去除气体中的颗粒物；
在一个实施方式中，亲水性多孔膜是管式陶瓷膜，管内为吸收液侧，管外为气体侧；孔径范围0.05～3μm，水滴接触角范围小于50°
8.根据权利要求5所述的多段膜吸收空气脱除二氧化碳装置，其特征在于，在一个实施方式中，疏水性多孔膜是管式陶瓷膜，管内为吸收液侧，管外为气体侧；孔径范围0.05～3μm，水滴接触角范围90-170°。
9.亲水性多孔膜联合疏水性多孔膜在用于基于膜吸收过程中用于分离气体中CO2的应用。
10.一种CO2膜吸收过程中的传质系数的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)疏水膜上的CO2总传质系数通过下式计算：
其中，KG为总传质系数(m·s-1)，ks、kt、km分别表示壳程传质系数(m·s-1)、管程传质系数(m·s-1)、膜程传质系数(m·s-1)，do、di、dlm分别为疏水膜膜管的外径(m)、内径(m)和平均对数直径(m)，R为理想气体常数(J·mol-1·K-1)，H为亨利系数(m3Pa mol-1)，T为吸收剂温度(K)，E为化学反应增强因子；
其中，壳程传质系数(ks)通过求解以下方程得到：
Shs＝0.57Res 0.31Scs 0.33
其中，Shs为壳程谢伍德数，Res为壳程雷诺数，Scs为壳程施密特数，uG为气体流速(m·s-1)，vG为氮气运动粘度系数(m2s-1)，
为CO2在气相中的扩散系数(m2·s-1)；
其中，管程传质系数(kt)通过求解以下方程得到：
Sht＝1.62Gzt 0.33uL 1.86
其中，Sht为管程谢伍德数，Gzt为管程格雷茨数，uL为液体流速(m·s-1)，L为膜管有效长度(m)，
为CO2在液相中的扩散系数(m2·s-1)；
其中，膜程传质系数(km)通过求解以下方程得到：
其中，
为CO2在膜孔孔道内的扩散系数(m2·s-1)，ε为膜管管壁的孔隙率，τ为膜管管壁的曲折因子，δ膜管管壁的壁厚(m)；
增强因子(E)通过求解以下方程得到：
其中，Ha为Hatta数，
kE是反应速率(m3·mol-1·s-1)，
是CO2在液体中的扩散速率(m2·s-1)，cOH-,L是吸收液中NaOH浓度(mol·m-3)，kL是液相传质系数(m·s-1)；
其中，Ei代表的是瞬时反应增强因子，
(2)亲水膜上的CO2总传质系数通过下式计算：
其中，KG为总传质系数(m·s-1)，ks、kt、km分别表示壳程传质系数(m·s-1)、管程传质系数(m·s-1)、膜程传质系数(m·s-1)，do、di、dlm分别为疏水膜膜管的外径(m)、内径(m)和平均对数直径(m)，R为理想气体常数(J·mol-1·K-1)，H为亨利系数(m3Pa mol-1)，T为吸收剂温度(K)，E为化学反应增强因子；
其中，壳程传质系数(ks)通过求解以下方程得到：
Shs＝0.57Res 0.31Scs 0.33
其中，Shs为壳程谢伍德数，Res为壳程雷诺数，Scs为壳程施密特数，uG为气体流速(m·s-1)，vG为氮气运动粘度系数(m2s-1)，
为CO2在气相中的扩散系数(m2·s-1)；
其中，管程传质系数(kt)通过求解以下方程得到：
Sht＝1.62Gzt 0.33uL 1.86
其中，Sht为管程谢伍德数，Gzt为管程格雷茨数，Sct为管程斯密特数，Ret为管程雷诺数，uL为液体流速(m·s-1)，L为膜管有效长度(m)，
为CO2在液相中的扩散系数(m2·s-1)；
其中，膜程传质系数(km)通过求解以下方程得到：
其中，
为CO2在膜孔孔道内的扩散系数(m2·s-1)，ε为膜管管壁的孔隙率，τ为膜管管壁的曲折因子，δ膜管管壁的壁厚(m)；
其中，增强因子(E)通过下式计算得到：
Hatta数Ha通过正式计算得到：
kE是反应速率(m3·mol-1·s-1)，
是CO2在液体中的扩散速率(m2·s-1)，cOH-,L是吸收液中NaOH浓度(mol·m-3)，kL是液相传质系数(m·s-1)；
其中，Ei代表的是瞬时反应增强因子，由如下方程计算：
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114354843A (zh) * | 2021-11-24 | 2022-04-15 | 华东理工大学 | 基于化学体系便捷测量微反应器气液总传质系数的方法 |
| CN115212710A (zh) * | 2022-07-22 | 2022-10-21 | 碳索(杭州)能源环境科技有限公司 | 一种适用于超低浓度co2烟气的碳捕集系统 |
| CN116223556A (zh) * | 2023-02-16 | 2023-06-06 | 北京中科富海低温科技有限公司 | 一种二元气液相平衡测试系统及方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0699018A (ja) * | 1991-02-08 | 1994-04-12 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 膜式極性ガス分離装置 |
| US6165253A (en) * | 1994-05-23 | 2000-12-26 | New Jersey Institute Of Technology | Apparatus for removal of volatile organic compounds from gaseous mixtures |
| US20080245723A1 (en) * | 2005-08-10 | 2008-10-09 | Asahi Kasei Kuraray Medical Co.,Ltd | Hollow Fiber Membrane Type Blood Purification Device |
| CN103120886A (zh) * | 2013-01-25 | 2013-05-29 | 重庆大学 | 一种中空纤维疏水膜高效脱除烟气中co2的方法 |
| EP2606953A1 (en) * | 2011-12-23 | 2013-06-26 | Aquaver B.V. | Membrane distillation system, method of starting such a system and use thereof |
| US20140260968A1 (en) * | 2013-03-15 | 2014-09-18 | Shiguang Li | Method and apparatus for desorption using a microporous membrane operated in wetted mode |
| GB201500989D0 (en) * | 2015-01-21 | 2015-03-04 | Deng Liyuan | Process |
| CN110170235A (zh) * | 2019-06-14 | 2019-08-27 | 华中农业大学 | 亲疏水双膜换热器强化余热回收的co2化学吸收系统与方法 |
-
2020
- 2020-05-20 CN CN202010430131.9A patent/CN113491927A/zh active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0699018A (ja) * | 1991-02-08 | 1994-04-12 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 膜式極性ガス分離装置 |
| US6165253A (en) * | 1994-05-23 | 2000-12-26 | New Jersey Institute Of Technology | Apparatus for removal of volatile organic compounds from gaseous mixtures |
| US20080245723A1 (en) * | 2005-08-10 | 2008-10-09 | Asahi Kasei Kuraray Medical Co.,Ltd | Hollow Fiber Membrane Type Blood Purification Device |
| EP2606953A1 (en) * | 2011-12-23 | 2013-06-26 | Aquaver B.V. | Membrane distillation system, method of starting such a system and use thereof |
| CN103120886A (zh) * | 2013-01-25 | 2013-05-29 | 重庆大学 | 一种中空纤维疏水膜高效脱除烟气中co2的方法 |
| US20140260968A1 (en) * | 2013-03-15 | 2014-09-18 | Shiguang Li | Method and apparatus for desorption using a microporous membrane operated in wetted mode |
| GB201500989D0 (en) * | 2015-01-21 | 2015-03-04 | Deng Liyuan | Process |
| CN110170235A (zh) * | 2019-06-14 | 2019-08-27 | 华中农业大学 | 亲疏水双膜换热器强化余热回收的co2化学吸收系统与方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| NAYEF GHASEM 等: ""Effect of PVDF concentration on the morphology and performance of hollow fiber membrane employed as gas–liquid membrane contactor for CO2 absorption"", 《SEPARATION AND PURIFICATION TECHNOLOGY》 * |
| XINGYIN GAO 等: ""Feasibility analysis of SO2 absorption using a hydrophilic ceramic membrane contactor"", 《CHINESE JOURNAL OF CHEMICAL ENGINEERING》 * |
| 中国环境科学学会编: "《中国环境科学学会学术年会优秀论文集 2006 下》", 31 July 2006, 中国环境科学出版社 * |
| 黄勇等: "陶瓷膜接触器在润湿模式下吸收SO_2的传质强化", 《环境科学学报》 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114354843A (zh) * | 2021-11-24 | 2022-04-15 | 华东理工大学 | 基于化学体系便捷测量微反应器气液总传质系数的方法 |
| CN114354843B (zh) * | 2021-11-24 | 2023-11-17 | 华东理工大学 | 基于化学体系便捷测量微反应器气液总传质系数的方法 |
| CN115212710A (zh) * | 2022-07-22 | 2022-10-21 | 碳索(杭州)能源环境科技有限公司 | 一种适用于超低浓度co2烟气的碳捕集系统 |
| CN116223556A (zh) * | 2023-02-16 | 2023-06-06 | 北京中科富海低温科技有限公司 | 一种二元气液相平衡测试系统及方法 |
| CN116223556B (zh) * | 2023-02-16 | 2023-07-28 | 北京中科富海低温科技有限公司 | 一种二元气液相平衡测试系统及方法 |
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