CN117618988A - 含二氧化碳相变溶液的分离方法和分离装置 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种含二氧化碳相变溶液的分离方法和分离装置，使用气泡扰动含二氧化碳相变溶液，分离得到至少两层液相，使用气泡扰动含二氧化碳相变溶液，气泡和含二氧化碳相变溶液共同组成的不均匀多相体系，气泡上浮过程中会与密度更小的溶液体系结合共同向上运动，加速不同密度溶液分离；同时，气泡发生器产生的推流作用能够促进相分离器体内形成涡流，进一步加速不同溶液的分离效果，提高相变溶液的分离效率。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种含二氧化碳相变溶液的分离方法和分离装置。
背景技术
二氧化碳捕集技术是解决目前国内碳排放量巨大的问题最有效、快速的方法。目前，正在大力开发的二氧化碳捕集技术主要有3种，即燃烧后脱碳、燃烧前脱碳和富氧燃烧技术。无论是采用哪种捕集系统，其关键技术都是CO2的分离，即将CO2同其他物质进行分离，以便后续工艺处理。根据分离的原理、动力和载体等进行分类，CO2分离技术主要包括：吸收法分离、吸附法分离、膜分离、深冷法分离等。
从目前的技术进展来看，吸收法是最成熟、应用最广的CO2分离技术。以乙醇胺(MEA)为代表的化学吸收法工艺已经非常成熟，在醇胺法二氧化碳捕集技术中，再生过程所需要的热量是整个工艺过程能耗最重要的部分。目前，降低能耗的措施主要有以下两种途径：一是开发新型溶剂，利用溶剂的空间位阻效应或活化效应降低再生反应所需的活化能，或利用溶剂的相变效应减少所需再生的溶液量；二是通过热量耦合以优化工艺的热交换网络，提高整个工艺过程的能量利用效率。
由于相变吸收剂在吸收CO2后成为上下两个CO2负载量相差较大的液相，几乎所有的CO2集中在下层，在经过分离后将下层送入解吸塔，上层直接返回吸收塔。与传统的化学吸收法相比，相同的CO2脱除量下，该工艺可以减少进入解吸塔的液量，从而降低解吸能耗。
CN102500195A公布的是烟气净化处理技术领域的一种两相二氧化碳捕集装置。具体公开：本发明的装置比传统捕集装置多了一个分离器，分离器内装有的溶剂溶液将分为两个二氧化碳含量有显著差异的液相，通过静置，旋转离心分离或者过滤实现上下层液体的分离，将上层液体直接循环利用，下层液体送往解析塔再生。本发明的装置大幅度降低了化学吸收法捕集二氧化碳的能耗，进而降低了该技术大规模应用的成本。该技术着重介绍了两相二氧化碳捕集装置。
CN107519732A公布了一种用于强化相变吸收剂脱硫脱碳后有机相的再生方法，本发明提出一种来自分离器中的有机相先经过煮沸器中的驻波声场处理器，将超声的位移效应、空化效应和共振效应作用于有机相，易于有机相中氨基甲酸盐键断链，生成有机胺和二氧化碳，二氧化碳从再生塔底端送至再生气分离器，再生后的有机胺则经贫液泵返回至吸收塔进行吸收。其中，超声波的位移效应能使有机相再生物质不断向波腹或波节移动、碰撞、凝聚；空化效应产生的强大的冲击力及高速微射流可以减小有机相待再生物质在碰撞凝聚和沉降过程中的摩擦阻力，同时产生的热效应可以起到降粘的效果。
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发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术，相变吸收剂捕集二氧化碳传统工艺中的存在静置分离时间长，相同循环量和气体处理量，连续性不够的问题，提供一种含二氧化碳相变溶液的分离方法和分离装置，该方法通过气泡扰动提高相变溶剂分离效率，在固定原料气与溶剂循环量的情况下，提高捕集率。
针对目前国内外公开的文献和专利技术看来，主要是围绕相变吸收剂的配方方面开展的大量研究，如上介绍，现有技术主要是针对相变溶剂配方，而对于相变分层的处理往往就是提到使用分离器，而这样的分离器主要就是靠静置分离两层。对于存在的静置分离时间长问题常常被忽略。为了稳定的气体处理量、试验的连续性和溶剂的高吸附能力，不得不通过增加溶液循环量以解决。本发明除了涉及配方，更加侧重工艺技术开发等改进，拟开展多相高效分离二氧化碳捕集技术。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种含二氧化碳相变溶液的分离方法，该方法包括：使用气泡扰动含二氧化碳相变溶液，分离得到至少两层液相。
本发明第二方面提供一种含二氧化碳相变溶液的分离装置，该装置包括：
上端设置有排气口的相分离器，用于分离含二氧化碳相变溶液得到下层富二氧化碳液相和上层贫二氧化碳液相，且相分离器上端设置有排气口；
气泡发生器，用于产生气泡扰动相分离器中的含二氧化碳相变溶液。
通过上述技术方案，使用气泡扰动含二氧化碳相变溶液，气泡和含二氧化碳相变溶液共同组成的不均匀多相体系，气泡上浮过程中会与密度更小的溶液体系结合共同向上运动，加速不同密度溶液分离；同时，气泡发生器产生的推流作用能够促进相分离器体内形成涡流，进一步加速不同溶液的分离效果，提高相变溶液的分离效率。相比传统的旋流分离等方法，采用本发明所述的分离方法，提高相变溶剂分离效率，在固定原料气与溶剂循环量的情况下，提高捕集率，减小该处理单元的占地面积。且可根据实际的分离效果灵活调整气泡发生器参数，保证系统运行稳定并避免能源浪费，同时气泡气体可以回收，作为微孔发生器的气源循环利用。
附图说明
图1是本发明一种优选实施方式提供的含二氧化碳相变溶液的分离装置示意图。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明第一方面提供一种含二氧化碳相变溶液的分离方法，该方法包括：使用气泡扰动含二氧化碳相变溶液，分离得到至少两层液相。气泡和含二氧化碳相变溶液共同组成的不均匀多相体系，气泡上浮过程中会与密度更小的溶液体系结合共同向上运动，加速不同密度溶液分离；同时，气泡发生器产生的推流作用能够促进含二氧化碳相变溶液形成涡流，进一步加速不同溶液的分离效果，提高相变溶液的分离效率，提高相变溶剂分离效率，在固定原料气与溶剂循环量的情况下，提高捕集率。
本发明中，采用气泡扰动含二氧化碳相变溶液即可提升相变溶液的分离效率，所述气泡的大小可选范围较宽，根据本发明的一种优选所述气泡的气泡直径不大于50μm。
本发明中，对所述气泡和含二氧化碳相变溶液的体积比没有特别的限定，根据本发明的一种优选实施方式，用于产生气泡的气体与含二氧化碳相变溶液的气液体积比为10～90，优选20～50。
本发明中，对所述用于产生气泡的气体来源没有特别的限定，只要不与所述相变溶液反应即可，根据本发明的一种优选实施方式，用于产生气泡的气体选自惰性气体，优选为氮气和/或氦气。
本发明中，对相变溶液的分离条件没有特别的限定，本领域常规的分离条件均适用于本发明，优选地，相变条件包括：分离温度为35-60℃。
本发明中，对所述二氧化碳气体的来源没有特别的限定，根据本发明的一种优选实施方式，含二氧化碳相变溶液中的二氧化碳来源于燃煤和/或炼钢产生的烟气，优选烟气中CO2含量为10-20体积％。
根据本发明的一种优选实施方式，含二氧化碳相变溶液中，含2.0-4.8molCO2/kg溶剂。
本发明中，对所述相变溶液中的溶剂种类没有特别的限定，本领域常规的溶剂均能够用于本发明，根据本发明的一种优选实施方式，相变溶液中，溶剂包括第一溶剂和可选地第二溶剂，其中，第一溶剂选自一乙醇胺、N-甲基二乙醇胺、三乙烯四胺、羟乙基乙二胺、2,2-二甲基环丙甲酰胺、N,N-二乙基乙醇胺和N,N-二甲基环己胺中的至少一种。本发明中，可选地第二溶液指的是相变溶液的溶剂中，可以含有第二溶剂，也可以不含第二溶剂。
根据本发明的一种优选实施方式，以溶剂总质量为基准，第一溶剂的质量含量为15-80wt％，优选为15-30wt％。
根据本发明的一种优选实施方式，第二溶剂选自1-丙醇、叔丁醇、水、环丁砜、聚醚、2-氨基-2-甲基-1-丙醇、3-甘醇和癸醇的至少一种。
根据本发明的一种优选实施方式，本发明所述的分离方法在含二氧化碳相变溶液的分离装置中进行，该装置包括：
相分离器，用于分离含二氧化碳相变溶液，得到下层富二氧化碳液相和上层贫二氧化碳液相，且相分离器上端设置有排气口；
气泡发生器，用于产生气泡扰动相分离器中的含二氧化碳相变溶液；
所述分离方法包括：
气泡发生器产生气泡，扰动相分离器中的含二氧化碳相变溶液，气泡发生器产生的气体经排气口排出。
本发明第二方面提供一种含二氧化碳相变溶液的分离装置，该装置包括：
上端设置有排气口的相分离器，用于分离含二氧化碳相变溶液得到下层富二氧化碳液相和上层贫二氧化碳液相，且相分离器上端设置有排气口；
气泡发生器，用于产生气泡扰动相分离器中的含二氧化碳相变溶液。
本发明中，所述气泡发生器可以设置在相分离器内，也可以设置在相分离器外，产生的微气泡只要能够扰动含二氧化碳相变溶液即可。
根据本发明的一种优选实施方式，所述相分离器设置为内部粗糙度Ra＞0.4μm。
根据本发明的一种优选实施方式，相分离器高度与直径的比值不小于4，优选10-15。
根据本发明的一种优选实施方式，所述相分离器顶部有放空阀。
本发明中，相分离器内可填充填料，也可以不填充填料，根据本发明的一种优选实施方式，相分离器内无填料。
本发明中，对所述气泡发生器的位置没有特别的要求，只要能够扰动含二氧化碳相变溶液即可，根据本发明的一种优选实施方式，所述气泡发生器设置在相分离器底。
根据本发明的一种优选实施方式，从排气口排出的气体经处理后返回气泡发生器。
根据本发明的一种优选实施方式，所述分离装置还包括：
与相分离器下部出口相连的再生塔，用于将收集相分离器的下层富二氧化碳液相再生，并进行再生；
与相分离器侧部出口相连的贫液混合罐，用于收集相分离器的上层贫二氧化碳液相；
吸收塔，用于提供含二氧化碳相变溶液。
下面结合具体实施例对本发明进一步说明。
以下实施例中，溶剂A为一乙醇胺(MEA)和环丁砜的混合物，其中一乙醇胺的质量含量为20％。
以下实施例中，溶剂B为三乙烯四胺、N,N-二乙基乙醇胺和丙醇的混合物，其中三乙烯四胺的质量含量为30％、N,N-二乙基乙醇胺的质量含量为50％、丙醇质量含量为20％。
以下实施例中，溶剂C为N-甲基二乙醇胺、正丁醇和水的混合物，其中，正丁醇质量含量为30％，水质量含量为50％，N-甲基二乙醇胺的质量含量为20％。
以下实施例在如图1所示的分离装置示意图的分离装置中进行，该分离装置包括：
上端设置有排气口的相分离器，用于分离含二氧化碳相变溶液；
设置在相分离器内的气泡发生器，用于产生气泡扰动含二氧化碳相变溶液；
设置在相分离器底部的气泡发生器，用于产生气泡通入相分离器中，扰动含二氧化碳相变溶液，往气泡发生器中通入氮气产生气泡；
与相分离器下部出口相连的再生塔，用于将收集相分离器的下层富二氧化碳液相再生，并进行再生；
与相分离器侧部出口相连的贫液混合罐，用于收集相分离器的上层贫二氧化碳液相；
吸收塔，用于提供含二氧化碳相变溶液。
本发明中，往吸收塔中通入含12体积％CO2的烟气得到含二氧化碳的相变溶液。含二氧化碳的相变溶液从吸收塔输入到相分离器中，通过往设置在相分离器内的气泡发生器中通入氮气，产生气泡扰动相分离器内的含二氧化碳相变溶液得到下层富二氧化碳液相和上层贫二氧化碳液相；
下层富二氧化碳液相通过相分离器下部出口进入再生塔，并进行再生；
上层贫二氧化碳液相通过相分离器侧部出口进入贫液混合罐。
以下实施例中，相分离器内部粗糙度Ra值为10μm。
实施例1
相变溶液的溶剂为溶剂A，相变溶液的流量25L/h，相分离器高径比值为5；氮气流量为250L/h，产生的气泡直径为50um，氮气与相变溶液的体积比为10，分离温度为40℃；
含二氧化碳相变溶液中，含3.4molCO2/kg溶剂；CO2捕集率为90％。
实施例2
与实施例1相比，不同之处在于，相变溶液的流量为20L/h，氮气与相变溶液的体积比为12.5，其余条件同实施例1。
含二氧化碳相变溶液中，含3.35molCO2/kg溶剂；CO2捕集率为88％。
实施例3
与实施例1相比，不同之处在于，相变溶液的流量为20L/h，氮气流量为500L/h，氮气与相变溶液的体积比为25，其余条件同实施例1。
含二氧化碳相变溶液中，含3.41molCO2/kg溶剂；CO2捕集率为90.2％。与实施例1相比，减少溶剂A的流量，增大氮气流量，CO2捕集率与实施例1相当。
实施例4
与实施例2相比，不同之处在于，气泡直径为30um，其余条件同实施例2。
含二氧化碳相变溶液中，含3.38molCO2/kg溶剂，CO2捕集率为89.1％。
实施例5
与实施例3相比，不同之处在于，气泡直径为30um，其余条件同实施例3。
含二氧化碳相变溶液中，含3.43molCO2/kg溶剂，CO2捕集率为91％。
实施例6
与实施例1相比，不同之处在于，相分离器高径比值为10，其余条件同实施例1。
含二氧化碳相变溶液中，含3.45molCO2/kg溶剂，CO2捕集率为92％。
实施例7
相变溶液的溶剂为溶剂B，相变溶液的流量30L/h，相分离器高径比值为10，气泡直径为30um，氮气流量为500L/h；氮气与相变溶液的体积比为16.67，分离温度为40℃；
含二氧化碳相变溶液中，含3.5molCO2/kg溶剂，CO2捕集率为91％。
实施例8
相变溶液的溶剂为溶液C，相变溶液的流量20L/h，相分离器高径比值为10，气泡直径为30um，氮气流量为500L/h；氮气与相变溶液的体积比为25，分离温度为40℃；
含二氧化碳相变溶液中，吸收量为4.0molCO2/kg溶剂，CO2捕集率为95％。
对比例1
相变溶液的溶剂为溶剂A，相变溶液的流量25L/h，相分离器高径比值为5，关闭气泡发生器，分离温度为40℃；含二氧化碳相变溶液中，含3.4molCO2/kg溶剂，CO2捕集率为80％。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种含二氧化碳相变溶液的分离方法，其特征在于，该方法包括：
使用气泡扰动含二氧化碳相变溶液，分离得到至少两层液相。
2.根据权利要求1所述的分离方法，其中，
所述气泡的气泡直径不大于50μm，优选为15-30μm；和/或
用于产生气泡的气体与含二氧化碳相变溶液的气液体积比为10～90，优选为20～50，更优选用于产生气泡的气体选自惰性气体，优选为氮气和/或氦气。
3.根据权利要求1或2所述的分离方法，其中，
分离条件包括：分离温度为35-60℃。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的分离方法，其中，
含二氧化碳相变溶液中，二氧化碳来源于燃煤和/或炼钢产生的烟气，优选烟气中CO2含量为10-20体积％；和/或
含二氧化碳相变溶液中，含2.0-4.8molCO2/kg溶剂。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的分离方法，其中，相变溶液中，溶剂包括第一溶剂和可选地第二溶剂，其中，第一溶剂选自一乙醇胺、N-甲基二乙醇胺、三乙烯四胺、羟乙基乙二胺、2,2-二甲基环丙甲酰胺、N,N-二乙基乙醇胺和N,N-二甲基环己胺中的至少一种；
优选地，以溶剂总质量为基准，第一溶剂的质量含量为15-80wt％，优选为15-30wt％；和/或
第二溶剂选自1-丙醇、叔丁醇、水、环丁砜、聚醚、2-氨基-2-甲基-1-丙醇、3-甘醇和癸醇的至少一种。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的分离方法，其中，该方法在含二氧化碳相变溶液的分离装置中进行，该装置包括：
相分离器，用于分离含二氧化碳相变溶液，得到下层富二氧化碳液相和上层贫二氧化碳液相，且相分离器上端设置有排气口；
气泡发生器，用于产生气泡扰动相分离器中的含二氧化碳相变溶液；
所述分离方法包括：
气泡发生器产生气泡，扰动相分离器中的含二氧化碳相变溶液，气泡发生器产生的气体经排气口排出。
7.一种含二氧化碳相变溶液的分离装置，其特征在于，该装置包括：
上端设置有排气口的相分离器，用于分离含二氧化碳相变溶液得到下层富二氧化碳液相和上层贫二氧化碳液相，且相分离器上端设置有排气口；
气泡发生器，用于产生气泡扰动相分离器中的含二氧化碳相变溶液。
8.根据权利要求7所述的分离装置，其中，
所述相分离器设置为内部粗糙度Ra＞0.4μm；和/或
相分离器高度与直径的比值不小于4，优选为10-15。
9.根据权利要求7或8所述的分离装置，其中，该装置还包括：
与相分离器下部出口相连的再生塔，用于将收集相分离器的下层富二氧化碳液相，并进行再生；
与相分离器侧部出口相连的贫液混合罐，用于收集相分离器的上层贫二氧化碳液相；
吸收塔，用于提供含二氧化碳相变溶液。
10.根据权利要求7-9中任意一项所述的分离装置，其中，
所述气泡发生器设置在相分离器底部。
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