CN201648002U

CN201648002U - 空气中二氧化碳吸收装置

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Publication number: CN201648002U
Application number: CN2009203077616U
Authority: CN
Inventors: 杨显铭; 陈咏文
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-08-11
Filing date: 2009-08-11
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2019-08-11

Abstract

一种空气中二氧化碳吸收装置，主要由旋转填充床、空气泵、吸收剂储槽及抽水泵构成。此旋转填充床具有一密封外壳，该外壳上设有一空气入口及一吸收剂出口，且顶面中心设有一空气出口及一吸收剂入口，而内部设有一以马达带动高速旋转的填充物，该填充物中心设有与该吸收剂入口连通的液体分布器。空气泵将空气自该空气入口打入外壳内。吸收剂自吸收剂入口经管线末端的液体分布器送入填充物的中心；空气自空气入口经填充物而进入中心；吸收剂经高速旋转于100G以上的超重场受离心力喷射而出与空气中的二氧化碳于填充物的中心交汇，以进行化学吸收程序，将空气中的二氧化碳吸收，并使剩余气体自空气出口排出，而吸收二氧化碳的吸收剂回收至吸收剂储槽中。

Description

空气中二氧化碳吸收装置

技术领域

本实用新型涉及一种空气中二氧化碳吸收装置，尤指一种利用一全新设计旋转填充床取代传统填充塔，以进行化学吸收法回收二氧化碳的装置。

背景技术

温室气体造成全球暖化的问题日益严重，温室气体之中以二氧化碳(CO₂)的含量最多，占有最大比例，约为55％，对于温室气体的减量控制与处理技术的研发，俨然已成为世界趋势。因此，如何有效率的吸收空气中的二氧化碳，为本实用新型主要讨论的主题。

目前已有化学吸收法来回收二氧化碳。而化学吸收法是以吸收剂与二氧化碳发生化学反应来达到回收二氧化碳的目的，并且利用其逆反应进行吸收剂再生。

化学吸收法为目前最有效率的回收二氧化碳方法，其能获得较高的二氧化碳去除率，且适合于处理二氧化碳分压低的混合气体。此法可得到纯度较高的二氧化碳，并且吸收速度快、可处理较大量的气体。

但是化学吸收法缺点有以下三点：1.溶剂与其它气体(如O₂、SOx或COS)发生不可逆的化学反应，使吸收剂的再生次数减少，因而增加操作成本；2.由于吸收剂多为碱性溶液，会对吸收塔、再生塔及周边管线造成腐蚀作用；3.操作变量较多，因此操作较为繁琐。

在现有成熟的技术中，一般使用传统填充塔进行二氧化碳的吸收。在此传统填充塔中，若欲增加吸收效率，通常都需要庞大的设备或增加吸收剂量才能达到需求，这将使得成本大为提高，不符合经济效益，不利市场的竞争。

在现有技术中，于公元1981年，自从英国ICI公司的Ramshaw与Mallinson成功地开发高效率气液质传技术(即气体与液体之间的质量传递)以来，引起工业界的密切关注。他们所开发的设备常被称为旋转填充床(RotatingPacked Bed)，其主要利用离心的方式将填充床高速旋转以产生超重力场，在此力场中液体产生高度分散现象，以增加气体与液体的接触面积与碰撞机率，进而提升气体与液体之间的质量传递效率，并达到快速混合、分离及反应等目的。

此新颖技术具有低液泛、高处理量、较小空间需求、高质传效率、低能源耗用及低投资与操作成本等优点。此技术可广泛地应用于蒸馏、吸收、气提及具有扩散控制的气液反应等程序，所以不仅能适用于化学工业，更能应用于其它产业相关程序，如环保产业等。

此旋转填充床分为两种类型，即逆流式旋转填充床和错流式旋转填充床。

逆流式旋转填充床，如图1所示，系在一封闭的外壳91侧面设有一气体入口92、顶面中心设有一气体出口93及一液体入口94、且底面设有一液体出口95；外壳91内设有一以转轴96趋动旋转的转筒97，而转筒97以填充物98填充。

液体自液体入口94经管线末端的液体分布器99而送入转筒97的中心；气体自气体入口92经填充物98而进入转筒97的中心。使液体与气体在转筒97的中心交汇以进行化学吸收程序。

此种逆流式旋转填充床的内外环流体通道，由于截面积差异大，以致气体速度变化过大，如此将使气体所受阻力提升，不适合用于气体流量高的气液质传交换程序如吸收等。

为了在气体流量高的气液质传交换程序中引入离心力场强化质传，一些研究者开始研发不同于逆流式的错流式旋转填充床，其结构如图2所示，其系在一密封的外壳81底面设有多个气体入口82及一液体出口83，而顶面中心设有一气体出口84及一液体入口85；而外壳81内设有一以转轴86驱动旋转的填充物87，而填充物87上方设有一气体封轴88。

液体自液体入口85经管线末端的液体分布器89而送入填充物87的中心；气体自气体入口82经填充物87而进入中心。使液体与气体在填充物87的中心交汇以进行化学吸收程序。

错流式旋转填充床中由于气体流道截面积固定，因此气体速度恒定，且气体沿旋转床轴向流动，无需克服离心阻力，故气体阻力远比逆流式小，适合气体流量高的气液接触程序，且可改善目前常使用洗涤塔压损过高的缺点，如此可大幅地减少操作过程中所使用的能源耗用量。

若能妥善利用此二种旋转填充床设备的优点，将其应用于空气中二氧化碳的吸收，可大幅增加吸收效率。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种能大幅增加吸收效率的空气中二氧化碳吸收装置。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种空气中二氧化碳吸收装置，其包括：

一旋转填充床，具有一密封外壳，该外壳上设有一空气入口及一吸收剂出口，且顶面中心设有一空气出口及一吸收剂入口，而内部设有一以一马达带高速旋转的填充物，而该填充物中心设有一与该吸收剂入口连通的液体分布器；

空气泵，将空气自该空气入口打入该外壳内；

一吸收剂储槽，用以储存自该吸收剂出口流出的吸收剂；及

一抽水泵，将该吸收剂储槽中的吸收剂自该吸收剂入口打入该外壳内。

本实用新型使用时，空气泵将空气自空气入口打入外壳内，吸收剂储槽用以储存自吸收剂出口流出的吸收剂，抽水泵将吸收剂储槽中的吸收剂自吸收剂入口打入外壳内，吸收剂自吸收剂入口经管线末端的液体分布器而送入填充物的中心；而空气自空气入口经填充物而进入中心；吸收剂经高速旋转于100G以上的超重场受离心力喷射而出与空气中的二氧化碳于填充物的中心交汇，以进行化学吸收程序，将空气中的二氧化碳吸收，并使剩余气体自空气出口排出，而吸收二氧化碳的吸收剂回收至吸收剂储槽中。

本实用新型利用旋转填充床进行化学吸收程序，将可以缩减设备大小，降低传统填充塔内吸收剂输送至塔顶所需能源；而利用旋转填充床的耗能减量，使其在应用上更具竞争力，进而大幅降低成本，故以经济观点来看，此旋转填充床将会是高效率的二氧化碳去除设备。

以下将依据图式所示，详细说明本实用新型结构特点及使用功效。

附图说明

图1为一种逆流式旋转填充床简图，

图2为一种错流式旋转填充床简图，

图3为本实用新型结构示意图。

标号说明

旋转填充床1

密封外壳11

空气入口12

吸收剂出口13

空气出口14

吸收剂入口15

马达16

填充物17

液体分布器18

空气泵2

吸收剂储槽3

抽水泵4

外壳81

气体入口82

液体出口83

气体出口84

液体入口85

转轴86

填充物87

气体封轴88

液体分布器89

外壳91

气体入口92

气体出口93

液体入口94

液体出口95

转轴96

转筒97

填充物98

液体分布器99

具体实施方式

请参照图3所示，本实用新型提供一种空气中二氧化碳吸收的装置，主要由一旋转填充床1、空气泵2、一吸收剂储槽3及一抽水泵4所构成。

本实用新型的旋转填充床1具有一密封外壳11，该外壳11上设有一空气入口12及一吸收剂出口13，且顶面中心设有一空气出口14及一吸收剂入口15，而内部设有一以一马达16带动高速旋转的填充物17，而该填充物17中心设有一与该吸收剂入口连通的液体分布器18。

空气泵2将空气自该空气入口12打入外壳11内。吸收剂储槽3则用以储存自该吸收剂出口13流出的吸收剂。抽水泵4将吸收剂储槽3中的吸收剂自吸收剂入口15打入外壳11内。

实际操作过程中，吸收剂自吸收剂入口15经管线末端的液体分布器18而送入填充物 17的中心；而空气自空气入口12经填充物17而进入中心；吸收剂与空气在填充物17的中心交汇以进行化学吸收程序，将空气中的二氧化碳吸收，并使剩余气体自该空气出口14排出，而吸收二氧化碳的吸收剂回流至该吸收剂储槽3中。

本发明中的旋转填充床1可以是逆流式旋转填充床，也可以是错流式旋转填充床。

表1为本发明中以逆流式旋转填充床实际操作的规格及操作范围：

表1逆流式旋转填充床的规格及操作

本发明中，旋转填充床1中的填充物17于高速旋转下，在其中心产生强大的离心力，而增加重力场强度，大幅提升空气及吸收剂的流速及接触面积，在液体界面急速更新的情况下与气体以极高的相对速度在填充物中接触，达到强化质传的效果，促使吸收效率提升。

由于二氧化碳为酸性气体，故一般选用具有碱性的吸收剂，常使用吸收剂的比较如表2所示，常用方法如下简述：

(1)碳酸钾吸收法：

此法最初是在美国开发利用煤合成液体燃料方案中的一部分发展而起的，主要是利用碳酸钾溶液吸收二氧化碳反应产生碳酸氢钾。再生方面，将已吸收二氧化碳的碳酸钾溶液加热到碳酸氢钾的分解即可发生逆反应，产生二氧化碳并将反应生成的碳酸钾再使用。此法发展为活化热碳酸钾法，即将吸收二氧化碳的温度提升至105~120

及压力提高至2.3MPa，且在同温度下采用降压的方法来再生吸收剂，其结果是增加反应速率及吸收容量，但吸收速率仍慢，而且由于温度的提升会造成严重的腐蚀，故加入活性剂来提高吸收与再生速率并减轻腐蚀，因而称为活化热碳酸钾法。常用的活性剂有无机活性剂(砷酸盐、硼酸盐和磷酸盐)和有机活性剂(有机胺和醛、酮类有机物)。

(2)醇胺吸收法：

一般常用的醇胺类有一级醇胺(如MEA)、二级醇胺(如DEA、DIPA)及三级醇胺(如MDEA、TEA)。一级醇胺和二级醇胺具有强的碱性，故其与二氧化碳反应具有较快的速率，但由于反应形成的产物为氨基甲酸根(carbamate)，使得其吸收容量限制于0.5mol-CO₂/mol-醇胺。三级醇胺因碱性较弱而降低与二氧化碳反应的速率，然而其吸收容量却能达到1.0mol-CO₂/mol-醇胺。近来，立体障碍醇胺(如AMP)被使用来代替传统醇胺作为吸收剂，因其具有较快的吸收速率且能如三级醇胺具有1.0mol-CO₂/mol-醇胺的高吸收容量。另外，混合醇胺也是目前研究方向之一，因混合醇胺是溶液中混有两种以上的醇胺溶液，综合各级醇胺的优点，故具有快吸收速率与高吸收容量的特性，常使用的混合醇胺有MEA-MDEA、MEA-TEA、DEA-MDEA、DEA-TEA、DEA-AMP、MEA-AMP及DEA-TEA-AMP等。

(3)氢氧化钠吸收法：

利用强碱溶液作为吸收剂，氢氧化钠是常使用的化学溶剂，已有相当多的研究探讨氢氧化钠浓度对CO₂吸收效率的影响，并也常以此系统比较不同气液接触吸收器的效能。除了氢氧化钠，LiOH及KOH也能被使用于吸收二氧化碳。

表2各种吸收剂优缺点比较

化学吸收法可利用所使用的吸收剂种类不同或者搭配一些增加吸收二氧化碳速率的活化剂，增加二氧化碳吸收效率。常用的活性剂有无机活性剂(砷酸盐、硼酸盐和磷酸盐)和有机活性剂(有机胺和醛、酮类有机物)。

本实用新型也采用上述常用的吸收剂、活性剂及吸收方法。

以下是本实用新型中，以醇胺水溶液为吸收剂来吸收二氧化碳的实验说明。

首先，将配制适当的醇胺溶液(0.210mol/L)浓度，在正常操作下，空气经由空气泵2推入逆流式旋转填充床1内，从填充物17外缘流动进入填充物17内，最后由填充物17上方空气出口14排出，以二氧化碳分析仪测得出口浓度。

之后，打开马达16转动旋转填充床1内的填充物17，接着将醇胺溶液经由抽水泵4打入填充物17上方吸收剂入口15，液体再经由液体分布器18开孔喷入填充物17的中心，液体藉由旋转产生的离心力作用向外壳11甩出流动(于100G以上的超重力场)，最后由下方开口流出至吸收剂储槽3，醇胺溶液持续以循环模式吸收空气中的二氧化碳气体。

醇胺溶液与二氧化碳气体在填充物17中以逆流的方式接触进行质传，在超重力场内旋转甩出过程中，液体经过填充物被切割成细小液滴与液膜，同时，气体从填充物17下方向上流入与液体接触，以达到吸收二氧化碳的目的，最后量测空气入口13与出口15浓度，经由计算后可求得二氧化碳去除率。

本实验以不同浓度的醇胺水溶液吸收空气中的二氧化碳气体(浓度约400~1000ppm)，在不同的操作变因之下(吸收剂浓度、RPB转速、液体流量、气体流量)，在不同操作范围测量进出口处CO2浓度的变化情形。

在如表1参数操作下，量测CO2进出口浓度，经过计算求得CO2去除率，探讨不同的操作参数以寻求最佳的CO2吸收效率。表3为本实用新型之一实验结果：

表3实验相关数据

由上实验数据结果，可得知本实用新型所提供的空气中二氧化碳吸收装置，确实可达到高效率吸收空气中二氧化碳的功能。故本实用新型完全符合实用新型专利要件，爰依法提出申请。

Claims

1.一种空气中二氧化碳吸收装置，其特征在于包括：

空气泵，将空气自该空气入口打入该外壳内；

一吸收剂储槽，用以储存自该吸收剂出口流出的吸收剂；及

2.根据权利要求１所述的空气中二氧化碳吸收装置，其特征在于，所述吸收剂是醇胺溶液、强碱溶液及弱碱溶液中的一种。

3.根据权利要求2所述的空气中二氧化碳吸收装置，其特征在于，所述醇胺溶液是一级醇胺、二级醇胺、三级醇胺、立体障碍醇胺中的一种。

4. 根据权利要求2所述的空气中二氧化碳吸收装置，其特征在于，所述强碱溶液是氢氧化钠、氢氧化钾及氢氧化锂中的一种。

5.根据权利要求2所述的空气中二氧化碳吸收装置，其特征在于，所述弱碱溶液为氨水。

6.根据权利要求2所述的空气中二氧化碳吸收装置，其特征在于，所述吸收剂中含有增加吸收二氧化碳速率的活化剂。

7. 根据权利要求6所述的空气中二氧化碳吸收装置，其特征在于，所述活化剂是无机活性剂及有机活性剂中的一种。

8.根据权利要求7所述的空气中二氧化碳吸收装置，其特征在于，所述无机活性剂是砷酸盐、硼酸盐和磷酸盐中的一种。

9.根据权利要求7所述的空气中二氧化碳吸收装置，其特征在于，所述有机活性剂是有机胺和醛、酮类有机物中的一种。

10.根据权利要求１所述的空气中二氧化碳吸收装置，其特征在于，所述旋转填充床为逆流式旋转填充床。

11.根据权利要求10所述的空气中二氧化碳吸收装置，其特征在于，所述旋转填充床的填充物内半径为2.0cm，外半径为8.0cm，轴向高度为2.9cm，液体分布器孔洞数为8孔，吸收剂流量为0.1～10 L/min，马达转速为500～3000 rpm，及空气流量为10～100 L/min。

12.根据权利要求１所述的空气中二氧化碳吸收装置，其特征在于，所述旋转填充床为错流式旋转填充床。