CN114259844A - 一种复合塔式co2吸收吸附系统 - Google Patents

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臧小亚
梁德青
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Abstract

本发明公开了一种复合塔式CO2吸收吸附系统，包括相互独立的水合物反应腔体、离子液体吸收腔体、物理吸附腔体和预备腔体，各腔体通过配套的温度压力控制系统实现温度压力的独立控制；水合物反应腔体、离子液体吸收腔体、物理吸附腔体和预备腔体均设置有气体入口和气体出口，同时，水合物反应腔体、离子液体吸收腔体、物理吸附腔体和预备腔体还通过气体通道相互连通，从而使得上述系统能够根据原料气的组成采用相应的腔体或腔体组合进行吸收吸附反应；预备腔体采用水合物反应腔体、离子液体吸收腔体、物理吸附腔体的任意一种。本发明采用各段反应腔体互相独立的塔式结构，可以满足不同的气体吸收吸附反应过程，有效提高CO2分离和捕集效果。

Description

一种复合塔式CO2吸收吸附系统
技术领域
本发明涉及二氧化碳(CO2)分离与捕集领域，具体涉及一种基于复合塔式的可用于二氧化碳分离、吸收和吸附的系统。
背景技术
近年来，伴随着全球经济的发展，对化石燃料的消耗使得排入大气中的二氧化碳(CO2)量逐渐增加，温室效应愈发严重。伴随着国家双碳目标的落地，二氧化碳捕集和封存技术也得到了越来越多的重视。目前常见的CO2分离及捕集方法主要有物理吸附法、化学吸附法、高压液化法、膜分离法、电化学分离法、低温精馏法几种。但是，这些传统的分离方法存在一定的弊端，比如重污染，高能耗，吸附效率低以及膜容易堵塞等诸多问题，同时CO2的吸附率和分离效果也并未达到理想效果。因此，需要提出一种新的方法，克服传统方法的弊端，同时能有效提高CO2的分离和捕集效果。
水合物是一种在低温和高压条件下形成的类冰状笼形结晶化合物，常温常压下，1cm3的水合物理论上可以储存约160cm3的气体，而且水合物由多种不同的笼形结构组成，根据实验条件的变化可以有效储存不同的客体分子。因此，近年来利用水合物法进行CO2分离、捕集的研究逐渐吸引了人们的注意。但是，单一的水合物法虽然有诸多优势，但是也难以达到工业应用的要求，因此，需要结合传统和新兴方法，设计一种新的CO2捕集和分离装置，达到CO2分离和捕集的最佳效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合塔式CO2吸收吸附系统，提高CO2分离和捕集效果。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种复合塔式CO2吸收吸附系统，包括相互独立的水合物反应腔体、离子液体吸收腔体、物理吸附腔体和预备腔体，各腔体通过配套的温度压力控制系统实现温度压力的独立控制；
水合物反应腔体、离子液体吸收腔体、物理吸附腔体和预备腔体均设置有气体入口和气体出口，同时，水合物反应腔体、离子液体吸收腔体、物理吸附腔体和预备腔体还通过气体通道相互连通，从而使得上述系统能够根据原料气的组成采用相应的腔体或腔体组合进行吸收吸附反应；
预备腔体采用水合物反应腔体、离子液体吸收腔体、物理吸附腔体的任意一种。
进一步地，所述水合物反应腔体的外部连接有水合物生成溶液缓冲罐，可以根据需要选择不同的添加剂水溶液。
进一步地，所述水合物反应腔体的内壁面设置有用于增加气体运移路线的扰流板，促进水合物反应。
进一步地，所述水合物反应腔体的顶部设置有用于扩大液体与气体接触面积的液体喷淋装置，进一步促进水合物生成。
进一步地，所述离子液体吸收腔体的外部连接有离子液体缓冲罐，可以根据需要选择不同的离子液体吸收剂，有针对性的吸收CO2。
进一步地，所述离子液体吸收腔体中的离子液体的充填体积不超过腔体总体积的3/4，避免离子液体吸收后体积膨胀。
进一步地，所述物理吸附腔体的壁面设置有可打开的活动加料门，可以对腔体内的物理吸附剂进行手动补充。
进一步地，所述气体出口并联有在线气相色谱检测仪，可以测定经过反应后气体的组分比例，确定是否需要继续进入下一腔体进行吸收吸附反应。
进一步地，所述水合物反应腔体和离子液体吸收腔体还设置有液体出口，液体出口连接有加热器，可以加热生成的水合物浆和吸收后的离子液体，获得不同的气体产物。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.采用塔式结构，各段反应腔体互相独立，每个腔体都设有独立的温度压力控制系统，可以设定不同的温度压力条件，以满足不同的气体吸收吸附反应过程。
2.每段反应腔体之间留有仅供气体循环的通道，腔体之间的溶剂不会互相接触，既可根据需要单独采用任意一段反应腔体进行吸收吸附反应，又可根据需要采用反应腔体的任意组合进行吸收吸附反应。
3.每段反应腔体均设有气体出口，气源进入后，经过任一反应腔体的处理后均可以根据实际需要选择相应的气体出口导出气体至用气终端。
4.每段反应腔体的气体出口均通过阀门与在线气相色谱检测仪连接，可以测定经过反应后气体的组分比例。
5.塔式结构第一段为水合物反应腔体，配套水合物生成溶液缓冲罐，该段反应腔体壁面设有扰流板，顶部设有液体喷淋装置，可有效促进水合物反应。
6.塔式结构第二段为离子液体吸收腔体，配套离子液体缓冲罐，与第一段类似，该段反应腔体的温度压力单独可控，可以有针对性的吸收CO2。
7.水合物反应腔体和离子液体吸收腔体的液体出口均通过阀门与加热器连接，可以加热生成后的水合物浆和离子液体，获得不同的气体产物。同时，反应过程中损失的液体可以利用进液口补充。
8.塔式结构第三段为物理吸附腔体，可以根据气体需要选择内部充填物质，如分子筛、活性炭以及纳米硅胶等等，该段主要负责CO2等气体的物理吸附。
9.塔式结构最后一段为预备腔体，可以根据实际情况灵活选择腔体内充填物质，对气体进行针对性的有效处理。填充的是水合物生成溶液，则为水合物反应腔体，填充的是离子液体，则为离子液体吸收腔体，填充的是物理吸附剂，则为物理吸附腔体。
附图说明
图1是本发明的复合塔式CO2吸收吸附系统的结构示意图。
附图标记说明：1-水合物生成溶液缓冲罐；2-水合物生成溶液；3-溶液喷淋装置；4-离子液体缓冲罐；5-离子液体；6-活动加料门；7-物理吸附剂；8-可变溶液；9-可变溶液缓冲罐；10-溶液喷淋装置；11～13-加热器；14～17-气相色谱检测仪；V1～V14-阀门；P-压力传感器；T-温度传感器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本申请的复合塔式CO2吸收吸附系统，主体为塔式反应器，由相互独立的水合物反应腔体、离子液体吸收腔体、物理吸附腔体和预备腔体构成，各腔体通过配套的温度压力控制系统实现温度压力的独立控制。
水合物反应腔体、离子液体吸收腔体、物理吸附腔体和预备腔体均设置有气体入口和气体出口，同时，水合物反应腔体、离子液体吸收腔体、物理吸附腔体和预备腔体还通过气体通道相互连通，从而使得塔式反应器能够根据原料气的组成采用相应的腔体或腔体组合进行吸收吸附反应。
其中，预备腔体采用水合物反应腔体、离子液体吸收腔体、物理吸附腔体的任意一种。
下面以具体的实施例对本申请的复合塔式CO2吸收吸附系统进行详细说明。
如图1所示，作为系统主体的塔式反应器采用4层分段式独立可控反应腔体组成，每段反应腔体内充填不同的吸附剂物质，当气体从底部通入塔式反应器后，首先经过第一段水合物反应腔体，水合物反应腔体内充填的水合物生成溶液2可以根据需要选择不同的添加剂水溶液(如SDS水溶液，TBAB水溶液等)，水溶液可通过外置的水合物生成溶液缓冲罐1进行补充，水合物反应腔体的温度及压力可以独立控制，选择合适的温度压力条件，促使水合物反应大量快速的生成。优选的，腔体壁面设有扰流板，可以有效增加气体的运移路线，促进水合物反应，同时，在水合物反应腔体顶部设有液体喷淋装置3，可以扩大液体与气体接触的面积，进一步促进水合物生成。水合物反应腔体侧壁上部设有气体出口，并配套气相色谱检测仪17，测定经过反应后气体的组分比例，水合物反应腔体侧壁下部设有液体出口，并配套加热器13，将生成的水合物分解，水溶液可以重复利用，气体通入使用终端，根据需要分别得到不同的产物。
如果第一段水合物反应腔体并不能满足CO2的吸收吸附需要，则气体可以继续向上，进入塔式反应器的第二段离子液体吸收腔体，离子液体吸收腔体内充填的是离子液体5，可通过外置的离子液体缓冲罐4进行补充，通过选择不同的离子液体吸收剂，可以有针对性的吸收CO2。为避免离子液体吸收后体积膨胀，离子液体的充填体积约为腔体总体积的3/4为佳。与第一段水合物反应腔体一样，离子液体吸收腔体的温度和压力均可单独控制，侧壁上部设有气体出口，并配套气相色谱检测仪16，侧壁下部设有液体出口，并配套加热器12，可以根据需要分别打开相应阀门对离子液体进行加热，释放出吸收的气体，离子液体可以循环重复利用。
如果第二段离子液体吸收腔体还不能满足CO2的吸收吸附需要，则气体可以继续向上，进入塔式反应器的第三段物理吸附腔体，物理吸附腔体内充填的是物理吸附剂7，如分子筛，活性炭等，进行气体的物理吸附。与第二段离子液体吸收腔体一样，物理吸附腔体的温度和压力均可单独控制，可以根据需要选择最佳的吸附条件。同时，物理吸附腔体一侧侧壁设有可打开的活动加料门6，可以对腔体内的吸附剂进行手动补充，另一侧侧壁设有气体出口，并配套气相色谱检测仪15，可以根据需要选择是否输出气体。
如果第三段物理吸附腔体仍不能满足CO2的吸收吸附需要，则气体还可以继续向上，进入塔式反应器的最上段预备腔体，预备腔体内可以放置化学吸收剂(离子溶液)，可以充填水合物反应溶液，还可以充填物理吸附剂。当充填的是离子溶液或水合物反应溶液时，本实施例将其定义为可变溶液8，可通过外置的可变液体缓冲罐9进行补充。气体出口则配套气相色谱检测仪14，液体出口则配套加热器11。当可变溶液8为水合物反应溶液时，预备腔体的结构与第一段水合物反应腔体相同，壁面设有扰流板，顶面设有液体喷淋装置10。当可变溶液8为离子溶液时，预备腔体的结构与第二段离子液体吸收腔体相同。
下面结合附图对本发明的具体工作过程进行说明：
原料气进行加压后通过气体入口通入塔式反应器内，根据原料气的组成部分决定采用哪段或哪些段反应腔体进行吸收反应，本文以气体经过塔式反应器全程作为代表进行阐述。
首先，原料气经过加压到预定压力后首先通入第一段水合物反应腔体，设定反应所需温度条件，打开溶液喷淋装置3，通入配置好的水合物生成溶液2，进行水合物反应，反应过程中观察压力P和温度T的数值变化，利用气相色谱检测仪17决定反应是否完全，气体组分是否达到需求。如果反应完全，可以打开阀门V5将气体输出至应用端。水合物反应完全后可以打开阀门V4，利用加热器13对水合物浆进行加热，促使水合物分解，分解后的水溶液循环重复使用，气体可以根据需要通入使用终端。
当反应后气体达不到应用所需的标准时，打开第一段水合物反应腔体与第二段离子液体吸收腔体之间的气体通路，将气体通入第二段离子液体吸收腔体中，进行离子液体5的吸收，反应过程中观察压力P和温度T的数值变化，利用气相色谱检测仪16判断气体是否达到应用所需标准，决定是否打开阀门V9将气体排出。离子液体吸收完全后可以打开下方阀门V7，利用加热器12对离子液体进行加热，释放出吸附的气体，根据需要通入使用终端，离子液体可以循环重复利用。
如果气体仍未达到应用所需标准，打开第二段离子液体吸收腔体与第三段物理吸附腔体之间的气体通道，将气体通入第三段物理吸附腔体中进行物理吸附及过滤，利用气相色谱检测仪15进行检测，然后根据需要灵活选择是否打开阀门V11将气体排出。
第四段预备腔体作为预备层，可以灵活决定是否进行下一步的反应过程。
综上，本申请的CO2吸收吸附系统，采用每段互相独立的塔式结构，各段反应腔体互相独立，每个腔体都设有独立的温度压力控制系统，可以设定不同的温度压力条件，以满足不同的气体吸收吸附反应过程。每段反应腔体之间留有仅供气体循环的通道，腔体之间的溶剂不会互相接触，既可根据需要单独采用任意一段反应腔体进行吸收吸附反应，又可根据需要采用反应腔体的任意组合进行吸收吸附反应，有效提高了CO2分离和捕集效果。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种复合塔式CO2吸收吸附系统，其特征在于：包括相互独立的水合物反应腔体、离子液体吸收腔体、物理吸附腔体和预备腔体，各腔体通过配套的温度压力控制系统实现温度压力的独立控制；
水合物反应腔体、离子液体吸收腔体、物理吸附腔体和预备腔体均设置有气体入口和气体出口，同时，水合物反应腔体、离子液体吸收腔体、物理吸附腔体和预备腔体还通过气体通道相互连通，从而使得上述系统能够根据原料气的组成采用相应的腔体或腔体组合进行吸收吸附反应；
预备腔体采用水合物反应腔体、离子液体吸收腔体、物理吸附腔体的任意一种。
2.根据权利要求1所述的一种复合塔式CO2吸收吸附系统，其特征在于：所述水合物反应腔体的外部连接有水合物生成溶液缓冲罐。
3.根据权利要求2所述的一种复合塔式CO2吸收吸附系统，其特征在于：所述水合物反应腔体的内壁面设置有用于增加气体运移路线的扰流板。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种复合塔式CO2吸收吸附系统，其特征在于：所述水合物反应腔体的顶部设置有用于扩大液体与气体接触面积的液体喷淋装置。
5.根据权利要求1所述的一种复合塔式CO2吸收吸附系统，其特征在于：所述离子液体吸收腔体的外部连接有离子液体缓冲罐。
6.根据权利要求5所述的一种复合塔式CO2吸收吸附系统，其特征在于：所述离子液体吸收腔体中的离子液体的充填体积不超过腔体总体积的3/4。
7.根据权利要求1所述的一种复合塔式CO2吸收吸附系统，其特征在于：所述物理吸附腔体的壁面设置有可打开的活动加料门。
8.根据权利要求1所述的一种复合塔式CO2吸收吸附系统，其特征在于：所述气体出口并联有在线气相色谱检测仪。
9.根据权利要求1所述的一种复合塔式CO2吸收吸附系统，其特征在于：所述水合物反应腔体和离子液体吸收腔体还设置有液体出口，液体出口连接有加热器。
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