CN115105928A - 一种促进co2吸收传质速率的脱碳装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种促进CO2吸收传质速率的脱碳装置及方法，促进CO2吸收传质速率的脱碳装置包括进液腔、进气腔、气泡平流吸收管束和气液分离室，气泡平流吸收管束包括气泡平流吸收管，气液分离室上设有排液口和排气口，进液腔上连接有进液管束，进液管束包括进液管，进气腔上连接有进气管束，进气管束包括进气管，每个进液管的出口端和每个进气管的出口端并联在同一个气泡平流吸收管的进口端上，各气泡平流吸收管的出口端均与气液分离室连接。吸收液与含二氧化碳气体在气泡平流吸收管形成气泡与液体稳定间隔的两相流，避免气体和液体返混，从而最大化低利用吸收液对气体的吸收能力，有效提高吸收传质能力，增加吸收过程的抗杂质颗粒堵塞性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种促进CO2吸收传质速率的脱碳装置及方法，属于CO2处理技术领域。
背景技术
以水、有机胺、氨基酸盐、无机碱等液体作为吸收液的吸收式二氧化碳脱除方法，具有处理流量大、工作连续稳定、自动化程度高、易于进行工况调节等优点，因此在烟气、合成气、生物质气、沼气、天然气等脱碳处理领域中被广泛应用。
吸收式脱碳方法在实际应用中通常是通过采用填料吸收塔来予以实现，即吸收液在规整填料或散堆填料表面形成流动液膜，与气体进行逆流式接触吸收，从而将气相中的二氧化碳传质吸收到液相中。在填料式吸收过程中，由于气流存在沿流动方向的返混情况，导致被净化的低浓度气体结果由于高浓度气体返混而使得浓度升高，造成净化分离效果变差，从而对降低了对整体传质区内的有效传质能力，导致传质单元数的增加，这样就降低了对吸收填料高度的有效利用，在此情况下为了满足净化效果就必须增加更多的填料层，因此额外增加填料层的高度，使得吸收塔高度增加，既增加了设备结构制造成本，也增加由于产生更大压降所带来的能耗成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种促进CO2吸收传质速率的脱碳装置，用以解决现有技术在二氧化碳吸收过程中气流存在沿流动方向的返混技术问题，同时还能避免吸收液中细小杂质颗粒堵塞的问题。同时，本发明还提供一种促进CO2吸收传质速率的脱碳方法。
本发明的促进CO2吸收传质速率的脱碳装置采用如下技术方案：一种促进CO2吸收传质速率的脱碳装置，其包括进液腔、进气腔、气泡平流吸收管束和气液分离室，气泡平流吸收管束包括气泡平流吸收管，气液分离室上设有排液口和排气口，进液腔上连接有进液管束，进液管束包括进液管，进气腔上连接有进气管束，进气管束包括进气管，每个进液管的出口端和每个进气管的出口端并联在同一个气泡平流吸收管的进口端上，各气泡平流吸收管的出口端均与气液分离室连接。
所述进液腔和进气腔内分别设有电磁激振器；所述电磁激振器的激振频率为10～100Hz，形成对液相和气相的最大为50KPa振幅的压力，相位差为0～90°。
所述气泡平流吸收管为直径1～10mm的管道，气泡平流吸收管长度为0.5～2m，气泡平流吸收管垂直布置或水平布置，气泡平流吸收管为金属管或高分子聚合物材料管。
所述气泡平流吸收管为内壁光滑的直管；或者气泡平流吸收管的内壁在长度方向上间隔设有环形凸起，环形凸起的间距为20～50mm，环形凸起的高度为气泡平流吸收管内径的1/10～1/5。
连接在同一根气泡平流吸收管上的进液管与进气管的夹角为15～60°；所述进液管采用金属管或高分子材料管，所述进气管采用金属管或高分子材料管。
所述进液腔的端部设有带孔封头，进液管束连接在进液腔的带孔封头上；所述进液腔为管式结构，进液腔的直径与长度比范围为1/4～1/2，进液腔的一端设有吸收液进口、另一端与进液管束连接，吸收液进口处的截面面积与进液腔的截面面积之比为1/20～1/5，进液管束的管道截面总面积与进液腔的截面面积之比为1/3～3/4。
所述进气腔的端部设有带孔封头，进气管束连接在进气腔的带孔封头上；所述进气腔为管式结构，进气腔的直径与长度比范围为1/10～1/3，进气腔的一端设有气体进口、另一端与进气管束连接，气体进口处的截面面积与进气腔的截面面积之比为1/10～1/4，进气管束的管道截面总面积与进气腔的截面面积之比为1/5～1/2。
所述气泡平流吸收管外设有外壳，外壳为T形三通式结构，T形三通式结构有一个竖向端和两个横向端，气液分离室连接在T形三通式结构的竖向端外，气泡平流吸收管束位于T形三通式结构的竖向端内部，进液腔和进气腔分别连接在T形三通式结构的两个横向端外，进液管束和进气管束分别位于三通式结构的两个横向端内部。
本发明的促进CO2吸收传质速率的脱碳方法采用如下技术方案：一种促进CO2吸收传质速率的脱碳方法，包括以下步骤：将吸收液通入进液管，将含CO2气体通入进气管，进液管中的吸收液和进气管中含CO2气体同步进入气泡平流吸收管，吸收液与含二氧化碳气体在气泡平流吸收管内形成气泡与液体稳定间隔的两相流，同步地在气泡平流吸收管内由进口流向出口，含CO2气体中的CO2与吸收液接触被吸收液吸收，气泡平流吸收管中反应后的吸收液和脱除CO2的气体进入气液分离室中进行气液分离，吸收液和脱除CO2的气体分别从气液分离室的排液口和排气口排出。
所述吸收液中添加有0.1%～2%质量含量亲水性纳米颗粒，亲水性纳米颗粒采用纳米SiO2、Al2O3、CeO2、PTFE中的一种或两种以上。
本发明的有益效果是：本发明是在气泡平流吸收管内，吸收液与含二氧化碳气体形成气泡与液体稳定间隔的两相流，同步地在管路内由进口流向出口，在流出之前气泡与其接触的液体均为相对稳定结构，这样就不会产生气体和液体返混现象，从而可以最大化低利用吸收液对气体的吸收能力，能够有效提高吸收传质能力。本发明有效的解决了二氧化碳吸收过程中的气流存在沿流动方向的返混的技术问题，降低吸收装置的传质高度。
优选的，在进气腔和进液腔内分别设置电磁激振器，有利于气体和液体的同步流动，并使得气体和液体分别顺利进入气体管道和液体管道，可以有效控制气体与液体的气泡两相流状态的形成。
优选的，气泡平流吸收管内壁上的环形凸起能使管内流体产生扰动，促进流体中的传质过程，从而提高吸收速率。
优选的，亲水性纳米颗粒可以均匀分散中CO2吸收液中，由于纳米颗粒非常微小，在流动的吸收液中会产生随机扰动情况，从而促进吸收液中所吸收的CO2进行扩散传质，提高吸收液对CO2的吸收速度。
附图说明
图1是本发明一种实施例的促进CO2吸收传质速率的脱碳装置的示意图。
图2是气泡平流吸收管内气液两相流形态的示意图。
图中：1-进液腔、2-进气腔、3-气液分离室、31-排液口、32-排气口、4-气泡平流吸收管、41-环形凸起，5-进液管、6-进气管、7-电磁激振器、8-外壳、81-竖向端、82-横向端。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明一种实施例的促进CO2吸收传质速率的脱碳装置如图1所示，本实施例的促进CO2吸收传质速率的脱碳装置包括进液腔1、进气腔2、气泡平流吸收管束和气液分离室3，气泡平流吸收管束包括气泡平流吸收管4，气液分离室3上设有排液口31和排气口32，进液腔1上连接有进液管束，进液管束包括进液管5，进气腔2上连接有进气管束，进气管束包括进气管6，每个进液管5的出口端和每个进气管6的出口端并联在同一个气泡平流吸收管4的进口端上，各气泡平流吸收管4的出口端均与气液分离室3连接。连接在同一根气泡平流吸收管4上的进液管5与进气管6的夹角为15～60°；所述进液管5采用金属管或高分子材料管，所述进气管6采用金属管或高分子材料管。
图1中仅示意出了含两根气泡平流吸收管的结构，实际应用中气泡平流吸收管、进液管及进气管的数量为多根，具体可以根据实际需要灵活设置。
所述气泡平流吸收管4外设有外壳8，外壳8为T形三通式结构，T形三通式结构有一个竖向端81和两个横向端82，气液分离室3连接在T形三通式结构的竖向端81外，气泡平流吸收管束位于T形三通式结构的竖向端81内部，进液腔1和进气腔2分别连接在T形三通式结构的两个横向端82外，进液管束和进气管束分别位于三通式结构的两个横向端82内部。
所述进液腔1的端部设有带孔封头，进液管束连接在进液腔的带孔封头上；所述进液腔1为管式结构，进液腔1的直径与长度比范围为1/4～1/2，进液腔1的一端设有吸收液进口、另一端与进液管束连接，吸收液进口处的截面面积与进液腔的截面面积之比为1/20～1/5，进液管束的管道截面总面积与进液腔1的截面面积之比为1/3～3/4。
所述进气腔2的端部设有带孔封头，进气管束连接在进气腔的带孔封头上；所述进气腔2为管式结构，进气腔2的直径与长度比范围为1/10～1/3，进气腔2的一端设有气体进口、另一端与进气管束连接，气体进口处的截面面积与进气腔2的截面面积之比为1/10～1/4，进气管束的管道截面总面积与进气腔2的截面面积之比为1/5～1/2。
所述进液腔1和进气腔2内分别设有电磁激振器7；所述电磁激振器7的激振频率为10～100Hz，形成对液相和气相的最大为50KPa振幅的压力，相位差为0～90°。
所述气泡平流吸收管4为直径1～10mm的管道，气泡平流吸收管4长度为0.5～2m，气泡平流吸收管4垂直布置或水平布置，气泡平流吸收管4为金属管或高分子聚合物材料管。
本实施例中，如图2所示，气泡平流吸收管4的内壁在长度方向上间隔设有环形凸起41，环形凸起41的间距为20～50mm，环形凸起的高度为气泡平流吸收管内径的1/10～1/5。在本发明的其它实施例中，气泡平流吸收管还可以采用内壁光滑的直管。
本实施例的促进CO2吸收传质速率的脱碳装置运行过程如下：将吸收液和含CO2气体分别同步通入进液管和进气管，吸收液和含CO2气体同步进入气泡平流吸收管，如图2所示，吸收液与含二氧化碳气体在气泡平流吸收管内形成气泡与液体稳定间隔的两相流，同步地在管路内由进口流向出口，在流出之前气泡与其接触的液体均为相对稳定结构，这样就不会产生气体和液体返混现象，从而可以最大化低利用吸收液对气体的吸收能力，能够有效提高吸收传质能力。
本发明一种实施例的促进CO2吸收传质速率的脱碳方法按以下步骤进行：将吸收液通入进液管，将含CO2气体通入进气管，进液管中的吸收液和进气管中含CO2气体同步进入气泡平流吸收管，吸收液与含二氧化碳气体在气泡平流吸收管内形成气泡与液体稳定间隔的两相流，同步地在气泡平流吸收管内由进口流向出口，含CO2气体中的CO2与吸收液接触被吸收液吸收，气泡平流吸收管中反应后的吸收液和脱除CO2的气体进入气液分离室中进行气液分离，吸收液和脱除CO2的气体分别从气液分离室的排液口和排气口排出。
所述吸收液中添加有0.1%～2%质量含量亲水性纳米颗粒，亲水性纳米颗粒采用纳米SiO2、Al2O3、CeO2、PTFE中的一种或两种以上。亲水性纳米颗粒均匀分散在吸收液中，在流动的吸收液中会产生随机扰动情况，从而促进吸收液中所吸收的CO2进行扩散传质，提高吸收液对CO2的吸收速度。
本实施例采用20%DEA溶液作为吸收液，经实验验证，在0.5m内就能达到吸收平衡（吸收平衡是指吸收液达到了与气相中CO2浓度所对应的最大吸收量，此时吸收液不再具备吸收能力）的快速传质，液相传质系数KLa达到0.1～0.5s-1，压力降小于1kPa，可有效降低传质区高度，大大减少CO2吸收装置的体积，并且具有很好的抗杂质堵塞性能。
上述实施例为本发明优选的实施例，在本发明其它的实施例中，本发明还会有其它改进或变形，都包含在本发明权利要求书保护的范围内。
Claims (10)
1.一种促进CO2吸收传质速率的脱碳装置，其特征在于：其包括进液腔、进气腔、气泡平流吸收管束和气液分离室，气泡平流吸收管束包括气泡平流吸收管，气液分离室上设有排液口和排气口，进液腔上连接有进液管束，进液管束包括进液管，进气腔上连接有进气管束，进气管束包括进气管，每个进液管的出口端和每个进气管的出口端并联在同一个气泡平流吸收管的进口端上，各气泡平流吸收管的出口端均与气液分离室连接。
2.根据权利要求1所述的促进CO2吸收传质速率的脱碳装置，其特征在于：所述进液腔和进气腔内分别设有电磁激振器；所述电磁激振器的激振频率为10～100Hz，形成对液相和气相的最大为50KPa振幅的压力，相位差为0～90°。
3.根据权利要求1所述的促进CO2吸收传质速率的脱碳装置，其特征在于：所述气泡平流吸收管为直径1～10mm的管道，气泡平流吸收管长度为0.5～2m，气泡平流吸收管垂直布置或水平布置，气泡平流吸收管为金属管或高分子聚合物材料管。
4.根据权利要求1所述的促进CO2吸收传质速率的脱碳装置，其特征在于：所述气泡平流吸收管为内壁光滑的直管；或者气泡平流吸收管的内壁在长度方向上间隔设有环形凸起，环形凸起的间距为20～50mm，环形凸起的高度为气泡平流吸收管内径的1/10～1/5。
5.根据权利要求1所述的促进CO2吸收传质速率的脱碳装置，其特征在于：连接在同一根气泡平流吸收管上的进液管与进气管的夹角为15～60°；所述进液管采用金属管或高分子材料管，所述进气管采用金属管或高分子材料管。
6.根据权利要求1所述的促进CO2吸收传质速率的脱碳装置，其特征在于：所述进液腔的端部设有带孔封头，进液管束连接在进液腔的带孔封头上；所述进液腔为管式结构，进液腔的直径与长度比为1/4～1/2，进液腔的一端设有吸收液进口、另一端与进液管束连接，吸收液进口处的截面面积与进液腔的截面面积之比为1/20～1/5，进液管束的管道截面总面积与进液腔的截面面积之比为1/3～3/4。
7.根据权利要求1所述的促进CO2吸收传质速率的脱碳装置，其特征在于：所述进气腔的端部设有带孔封头，进气管束连接在进气腔的带孔封头上；所述进气腔为管式结构，进气腔的直径与长度比范围为1/10～1/3，进气腔的一端设有气体进口、另一端与进气管束连接，气体进口处的截面面积与进气腔的截面面积之比为1/10～1/4，进气管束的管道截面总面积与进气腔的截面面积之比为1/5～1/2。
8.根据权利要求1所述的促进CO2吸收传质速率的脱碳装置，其特征在于：所述气泡平流吸收管外设有外壳，外壳为T形三通式结构，T形三通式结构有一个竖向端和两个横向端，气液分离室连接在T形三通式结构的竖向端外，气泡平流吸收管束位于T形三通式结构的竖向端内部，进液腔和进气腔分别连接在T形三通式结构的两个横向端外，进液管束和进气管束分别位于三通式结构的两个横向端内部。
9.一种促进CO2吸收传质速率的脱碳方法，其特征在于，其包括以下步骤：将吸收液通入进液管，将含CO2气体通入进气管，进液管中的吸收液和进气管中含CO2气体同步进入气泡平流吸收管，吸收液与含二氧化碳气体在气泡平流吸收管内形成气泡与液体稳定间隔的两相流，同步地在气泡平流吸收管内由进口流向出口，含CO2气体中的CO2与吸收液接触被吸收液吸收，气泡平流吸收管中反应后的吸收液和脱除CO2的气体进入气液分离室中进行气液分离，吸收液和脱除CO2的气体分别从气液分离室的排液口和排气口排出。
10.根据权利要求1所述的促进CO2吸收传质速率的脱碳方法，其特征在于：所述吸收液中添加有0.1%～2%质量含量亲水性纳米颗粒，亲水性纳米颗粒采用纳米SiO2、Al2O3、CeO2、PTFE中的一种或两种以上。
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