CN217646156U - 一种二氧化碳强化反应系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种二氧化碳强化反应系统，包括：反应吸收塔，所述反应吸收塔一侧设置有循环管路，所述循环管路的进口和出口均与所述反应吸收塔的侧壁相连通；所述循环管路壁面上设置有液体进口以及气体进口，所述循环管路内设置有微界面机组，含有吸收CO₂和/或与CO₂发生反应的液相通过所述液体进口进入到所述循环管路内，含有CO₂的气体从所述气体进口进入到所述微界面机组内，分散破碎成微米级别的微气泡。本实用新型的二氧化碳强化反应系统结构简单，能够显著提高二氧化碳的吸收率。

Description

一种二氧化碳强化反应系统

技术领域

本实用新型涉及二氧化碳的处理技术领域，具体而言，涉及一种二氧化碳强化反应系统。

背景技术

二氧化碳作为主要的温室气体，其主要来自燃煤电厂和工业的过量排放，造成了日益严重的全球温室效应，这一问题在全球受到广泛关注。同时，二氧化碳是一种安全，易得的碳资源，在生活中有着广泛的应用。因此，实施二氧化碳的捕集，利用和储存至关重要。有文献报道过很多其他吸收二氧化碳的方法，例如，物理吸附法，是基于二氧化碳气体与吸附剂面上活性点之间的分子间引力来实现的。该法工艺流程简单、能耗低、可靠性高、环境效益好等优点，但吸附剂对二氧化碳的选择性差、二氧化碳的回收效率低、吸附容量有限等缺点限制了该技术的大规模实用化；化学吸收法，通过化学溶剂与二氧化碳发生化学反应生成弱稳定性的化合物，再在加热或减压的条件下解吸，从而实现烟气中二氧化碳的分离回收的方法。根据吸收剂的不同，化学吸收法主要包括有：热钾碱法、有机胺溶液吸收法等。热钾碱法操作温度高，能耗高，有机胺溶液吸收法则可以低温操作，能耗低。

现有技术中，有机胺溶液吸收法的操作方法为：将含有二氧化碳的气体通吸收塔的底部，吸收液从顶部添加，并在吸收塔内的填料表面形成液膜，气体与填料上的液膜接触，其中含有的二氧化碳溶解到液膜中，从而脱除二氧化碳。但由于填料表面液膜与气体接触面积小，严重影响了二氧化碳的脱除效率。

有鉴于此，特提出本实用新型。

实用新型内容

本实用新型的第一目的在于提供一种二氧化碳强化反应系统，该系统通过设置微界面机组，提高了气相与液相的相界接触面积，从而提高了反应效率；通过设置循环管路，延长了气相与液相的反应时间，进而提高了原料的转化率。

本实用新型的第二目的在于提供一种采用上述系统的反应方法，该方法操作简便，通过应用上述系统，提高了原料转化率和反应效率。

为了实现本实用新型的上述目的，特采用以下技术方案：

本实用新型提供了一种二氧化碳强化反应系统，包括：反应吸收塔，所述反应吸收塔一侧设置有循环管路，所述循环管路的进口和出口均与所述反应吸收塔的侧壁相连通；所述循环管路壁面上设置有液体进口以及气体进口，所述循环管路内设置有微界面机组，含有吸收CO₂和/或与CO₂发生反应的液相通过所述液体进口进入到所述循环管路内，含有CO₂的气体从所述气体进口进入到所述微界面机组内，分散破碎成微米级别的微气泡；

所述反应吸收塔内竖直设置有隔板，所述隔板顶部位于所述反应吸收塔内液面的下方；所述隔板将所述反应吸收塔分为反应腔和循环腔，所述反应腔内的物料从所述隔板顶部溢流进入所述循环腔中；所述循环管路的进口与所述循环腔相连通；所述反应腔内的物料经所述循环腔进入所述循环管路中。

现有技术中，二氧化碳的吸收一般采用有机胺溶液吸收法。但该方法由于填料表面液膜与气体接触面积小，严重影响了二氧化碳的脱除效率。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种二氧化碳强化反应系统，该系统通过设置循环管路将反应吸收塔内的原料不断循环，延长了反应时间，提高了二氧化碳的脱除率；通过设置微界面机组，将气体分散破碎成微米级别的微气泡，提高了气体与液相间的气液接触面积，从而提高了反应效率；通过设置隔板将反应吸收塔内部分成反应腔和循环腔，反应时反应腔内的物料溢流进入循环腔，进一步延长了反应时间，提高了反应效率和原料转化率。

优选的，所述微界面机组包括第一微界面发生器和第二微界面发生器，所述第一微界面发生器与所述第二微界面发生器均与所述气体进口相连；所述第一微界面发生器和所述第二微界面发生器出口相对设置。通过将两个微界面发生器的出口相对设置，利用两股微气泡流间的对冲，能够使微气泡分布更加均匀。

优选的，所述第一微界面发生器和所述第二微界面发生器沿水平方向依次设置且所述第二微界面发生器的出口方向与所述循环管路的液体流动方向相反。

优选的，所述第一微界面发生器与所述第二微界面发生器沿竖直方向依次设置；所述第一微界面发生器与所述第二微界面发生器之间沿所述循环管路内液体流动方向的前侧设置有挡板。之所以设置挡板，是为了阻挡管路中的液流，防止液流直接冲击微界面发生器产生的微气泡，从而防止微气泡的聚并，保证分散效果，提高气液接触面积。

优选的，所述反应吸收塔内设置有多层折流板，多层所述折流板沿竖直方向交错设置。通过设置折流板，能够改变气体流动路径，延长气体停留时间，从而提高反应效率，提高二氧化碳的脱除效率。

优选的，所述循环管路内设置有分布器，所述分布器沿所述循环管路内液体流动方向设置在所述微界面机组的后方。通过设置分布器，有利于微气泡的均匀分布。

本实用新型将反应吸收塔通过隔板分成反应腔和循环腔，并通过设置循环管路将循环腔内的物料循环回反应腔中，从而延长了反应路径，保证了气体内二氧化碳的充分反应，提高了二氧化碳的脱除率；通过设置微界面机组，将气体分散破碎成为微米级别的微气泡，增大了气液传质面积，从而提高了反应效率；其中反应腔内交错设置有多层折流板，之所以设置折流板，是为了将气体流动路径变为曲线，从而延长气体在反应腔内的停留时间，进而提高气体中二氧化碳的转化率。

本实用新型的微界面机组包括第一微界面发生器和第二微界面发生器，这两个微界面发生器的位置设置存在多种形式。如可以将两个微界面发生器沿水平方向依次设置，且出口相对。也可以将两个微界面发生器沿竖直方向依次设置。当两个微界面发生器沿水平方向依次设置时。由于两个微界面发生器的出口相对，第二微界面发生器气泡出口方向与循环管路内液体流动方向是相反的。此时通过液流的冲击以及第一微界面发生器所排出微气泡的冲击能够使气泡在管路中均匀分布，防止气泡的聚变。当两个微界面发生器沿竖直方向依次设置时，为保证对冲效果，需要在两个微界面发生器之间设置一个挡板，通过挡板能够阻挡液流，防止管路中液流直接对两个微界面发生器排出的微气泡进行冲击，从而避免液流冲击造成的气泡聚并，保证微气泡的均匀分散效果。另外，循环管路中还设置有分布器，分布器设置在微界面机组的后方，通过设置分布器能够对微气泡进行再分布，保证微气泡在管路中均匀分布，从而增大气体与液相原料之间的气液传质面积，提高反应效率，提高二氧化碳的转化率。本实用新型通过对多个微界面发生器位置的限定以及设置挡板分布器等结构，提高了微界面发生器的应用效果。

实际上，在现有的二氧化碳反应/吸收体系中，为保证二氧化碳的充分反应，通常反应器高度较高以延长二氧化碳的停留时间，而本实用新型则通过设置多层交错的折流板将二氧化碳在反应腔内的上升路径由直线改为曲线，并通过设置循环腔以及循环管路进行不断的循环，在塔高较低的前提下实现了延长二氧化碳停留时间的效果，并通过设置微界面机组提高了二氧化碳与液相的相界接触面积，提高了反应效率和二氧化碳的吸收转化率，采用本实用新型的这一方案有利于减小反应吸收塔的体积，降低工业成本。可见，本实用新型通过将特有的反应吸收塔结构、循环管路以及微界面机组有机结合，提高了对二氧化碳的去除效果，具有良好的实用性。

本领域所属技术人员可以理解的是，本实用新型所采用的微界面发生器在本实用新型人在先专利中已有体现，如申请号CN201610641119.6、CN201610641251.7、CN201710766435.0、CN106187660、CN105903425A、CN109437390A、CN205833127U及CN207581700U的专利。在先专利CN201610641119.6中详细介绍了微米气泡发生器(即微界面发生器)的具体产品结构和工作原理，该申请文件中记载了“微米气泡发生器包括本体和二次破碎件、本体内具有空腔，本体上设有与空腔连通的进口，空腔的相对的第一端和第二端均敞开，其中空腔的横截面积从空腔的中部向空腔的第一端和第二端减小；二次破碎件设在空腔的第一端和第二端中的至少一个处，二次破碎件的一部分设在空腔内，二次破碎件与空腔两端敞开的通孔之间形成一个环形通道。微米气泡发生器还包括进气管和进液管。”从该申请文件中公开的具体结构可以知晓其具体工作原理为：液体通过进液管切向进入微米气泡发生器内，超高速旋转并切割气体，使气体气泡破碎成微米级别的微气泡，从而提高液相与气相之间的传质面积，而且该专利中的微米气泡发生器属于气动式微界面发生器。

另外，在先专利201610641251.7中有记载一次气泡破碎器具有循环液进口、循环气进口和气液混合物出口，二次气泡破碎器则是将进料口与气液混合物出口连通，说明气泡破碎器都是需要气液混合进入，另外从后面的附图中可知，一次气泡破碎器主要是利用循环液作为动力，所以其实一次气泡破碎器属于液动式微界面发生器，二次气泡破碎器是将气液混合物同时通入到椭圆形的旋转球中进行旋转，从而在旋转的过程中实现气泡破碎，所以二次气泡破碎器实际上是属于气液联动式微界面发生器。其实，无论是液动式微界面发生器，还是气液联动式微界面发生器，都属于微界面发生器的一种具体形式，然而本实用新型所采用的微界面发生器并不局限于上述几种形式，在先专利中所记载的气泡破碎器的具体结构只是本实用新型微界面发生器可采用的其中一种形式而已。

此外，在先专利201710766435.0中记载到“气泡破碎器的原理就是高速射流以达到气体相互碰撞”，并且也阐述了其可以用于微界面强化反应器，验证本身气泡破碎器与微界面发生器之间的关联性；而且在先专利CN106187660中对于气泡破碎器的具体结构也有相关的记载，具体见说明书中第[0031]-[0041]段，以及附图部分，其对气泡破碎器S-2的具体工作原理有详细的阐述，气泡破碎器顶部是液相进口，侧面是气相进口，通过从顶部进来的液相提供卷吸动力，从而达到粉碎成超细气泡的效果，附图中也可见气泡破碎器呈锥形的结构，上部的直径比下部的直径要大，也是为了液相能够更好的提供卷吸动力。

由于在先专利申请的初期，微界面发生器才刚研发出来，所以早期命名为微米气泡发生器(CN201610641119.6)、气泡破碎器(201710766435.0)等，随着不断技术改进，后期更名为微界面发生器，现在本实用新型中的微界面发生器相当于之前的微米气泡发生器、气泡破碎器等，只是名称不一样。综上所述，本实用新型的微界面发生器属于现有技术。

优选的，所述循环管路上设置有换热器。通过设置换热器，能够及时脱除气液反应过程中产生的热量。

优选的，所述循环管路包括依次连通的输入段、水平段和输出段，所述微界面机组位于所述水平段内。

优选的，所述循环管路上设置有循环泵。进一步的，所述循环泵位于所述输入段底部。

优选的，所述水平段低于所述反应吸收塔的液面且所述水平段与所述反应吸收塔液面的高度差为100-500mm。这样设置有助于克服阻力，降低能耗。

优选的，所述输入段竖直设置且入口与所述循环腔底部相通，所述输出段竖直设置在所述反应腔内且出口位于所述反应腔底部。

优选的，所述输入段和所述输出段分别位于所述反应吸收塔两侧，所述输入段的入口与所述循环腔底部相通，所述输出段出口与所述反应腔底部相连通。

优选的，所述气体进口连接有气体管路；所述气体管路内设置有过滤器，所述气体管路内的气体经所述过滤器过滤后流入所述微界面机组中。设置过滤器能够防止气体中的杂质进入微界面发生器中造成堵塞。

优选的，所述反应吸收塔顶部设置有尾气出口，侧壁设置有液体出口，底部设置有排空口。

优选的，所述液体管路内的液体为碱性溶液。

本实用新型还提供了一种二氧化碳强化反应方法，应用上述的二氧化碳强化反应系统，包括以下步骤：

所述液相与所述气体混合，经微界面分散破碎成微气泡后，发生反应以将所述气体内的CO₂吸收。

该方法操作简单，反应效率高，原料转化率高。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型的二氧化碳强化反应系统通过设置循环管路将反应吸收塔内的原料不断循环，延长了反应时间，提高了二氧化碳的脱除率；

(2)通过设置微界面机组，将气体分散破碎成微米级别的微气泡，提高了气体与液相间的气液接触面积，从而提高了反应效率；

(3)通过设置隔板将反应吸收塔内部分成反应腔和循环腔，反应时反应腔内的物料溢流进入循环腔，进一步延长了反应时间，提高了反应效率和原料转化率。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本实用新型实施例1提供的二氧化碳强化反应系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1提供的微界面机组的结构示意图；

图3为本实用新型实施例2提供的微界面机组的结构示意图。

其中：

10-反应吸收塔； 101-反应腔；

102-循环腔； 103-液体出口；

104-尾气出口； 105-排空口；

20-折流板； 30-隔板；

40-循环泵； 50-挡板；

60-换热器； 70-循环管路；

701-输入段； 702-水平段；

703-输出段； 704-液体进口；

705-气体进口； 80-分布器；

90-微界面机组； 901-第一微界面发生器；

902-第二微界面发生器； 100-过滤器。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本实用新型，而不应视为限制本实用新型的范围。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

为了更加清晰的对本实用新型中的技术方案进行阐述，下面以具体实施例的形式进行说明。

实施例1

本实施例提供了一种二氧化碳强化反应系统，包括：反应吸收塔10，反应吸收塔10一侧设置有循环管路70，循环管路70的进口和出口均与反应吸收塔10的侧壁相连通；循环管路70壁面上设置有液体进口704以及气体进口705，气体进口705连接有气体管路；循环管路70内设置有微界面机组90，含有吸收CO2和/或与CO2发生反应的液相通过液体进口704进入到循环管路70内，含有CO2的气体从气体进口705进入到微界面机组90内，分散破碎成微米级别的微气泡；本实施例中，液体管路内的液体为碱性溶液。

其中，反应吸收塔10内竖直设置有隔板30，隔板30顶部位于反应吸收塔10内液面的下方；隔板30将反应吸收塔10分为反应腔101和循环腔102，反应腔101内的物料从隔板30顶部溢流进入循环腔102中；循环管路70的进口与循环腔102相连通；反应腔101内的物料经循环腔102进入循环管路70中。实际上，反应吸收塔10的结构还可以是在一个反应器外外置一个循环腔，这是本领域的常规技术手段，本实用新型不再过多赘述。

具体的，微界面机组90包括第一微界面发生器901和第二微界面发生器902，第一微界面发生器901与第二微界面发生器902均与气体进口相连；第一微界面发生器901和第二微界面发生器902出口相对设置。

如图2所示，第一微界面发生器901和第二微界面发生器902沿水平方向依次设置且第二微界面发生器902的出口方向与循环管路70的液体流动方向相反。

为延长气体停留时间，反应吸收塔10内设置有多层折流板20，多层折流板20沿竖直方向交错设置。

本实施例中，循环管路70内设置有分布器80，分布器80沿循环管路70内液体流动方向设置在微界面机组90的后方。分布器80形状呈锥形，其上分布有多个分布孔。

循环管路70包括依次连通的输入段701、水平段702和输出段703，微界面机组90位于水平段702内。水平段702低于反应吸收塔10的液面且水平段702与反应吸收塔10液面的高度差为100-500mm。

循环管路70的位置在设置时有多种形式，如可将输入段701和输出段703分别位于反应吸收塔10两侧，输入段701的入口与循环腔102底部相通，输出段703出口与反应腔101底部相连通。还可将输入段701设置在反应吸收塔10外侧，输出段703设置在反应腔101内。本实施例中，输入段701竖直设置且入口与循环腔102底部相通，输出段703竖直设置在反应腔101内且出口位于反应腔101底部。

本实施例中，循环管路70上设置有循环泵40。循环泵40位于输入段701底部。循环管路70上设置有换热器60。

为防止微界面机组90堵塞，在气体管路内设置有过滤器100，气体管路内的气体经过滤器100过滤后流入微界面机组90中。

本实施例中，反应吸收塔10顶部设置有尾气出口104，侧壁设置有液体出口103，底部设置有排空口105。

实施例2

本实施例与实施例1的区别仅在于微界面发生器的排布方式不同。如图3所示，本实施例中，第一微界面发生器901与第二微界面发生器902沿竖直方向依次设置；第一微界面发生器901与第二微界面发生器902之间沿循环管路70内液体流动方向的前侧设置有挡板50。

对比例1

本例与实施例1的区别仅在于本例中第一微界面发生器901和第二微界面发生器902的出口方向相同，均与循环管路70的液体流动方向相同。

对比例2

本例与实施例1的区别仅在于本例中不设置分布器80。

对比例3

本例与实施例2的区别仅在于本例中不设置挡板50。

实验例1

分别使用实施例1-2、对比例1-3的反应系统对烟气中的二氧化碳进行吸收。其中，液相为乙醇胺，烟气中CO₂含量为15.2％。测量尾气出口中排出气体的CO₂含量，结果如下表所示。

表1

从上表可以看出，本实用新型的反应系统能够有效降低烟气中二氧化碳的含量，其中，采用实施例1的微界面发生器排布方式时对二氧化碳的去除效果最好。

将实施例1与对比例1相比，可以看出对比例1对二氧化碳的吸收效果远远不如实施例1，这是因为实施例1的反应系统将两个微界面发生器出口相对，两股微气泡流能够起到对冲作用，分布更加均匀，气液相界接触面积更大，反应效率更高。

将实施例1与对比例2相比，可以看出实施例1的二氧化碳吸收率明显优于对比例2，这是因为实施例1通过设置分布器对微气泡起到了再分布作用，微气泡在液相中分布更加均匀，从而提高了二氧化碳的转化率。

将实施例2与对比例3相比，可以看出实施例2的二氧化碳吸收率优于对比例3，这是因为对比例3中两个微界面发生器流出的微气泡直接随液相流动，气泡间发生了聚并，而实施例2则通过设置挡板防止了液流直接对微界面发生器出口处的微气泡进行冲击，从而保证了微气泡的分散破碎效果。

总之，与现有技术的反应系统相比，本实用新型的二氧化碳强化反应系统结构简单，能够显著提高二氧化碳的吸收率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种二氧化碳强化反应系统，其特征在于，包括：反应吸收塔，所述反应吸收塔一侧设置有循环管路，所述循环管路的进口和出口均与所述反应吸收塔的侧壁相连通；所述循环管路壁面上设置有液体进口以及气体进口，所述循环管路内设置有微界面机组，含有吸收CO₂和/或与CO₂发生反应的液相通过所述液体进口进入到所述循环管路内，含有CO₂的气体从所述气体进口进入到所述微界面机组内，分散破碎成微米级别的微气泡；

所述反应吸收塔内竖直设置有隔板，所述隔板顶部位于所述反应吸收塔内液面的下方；所述隔板将所述反应吸收塔分为反应腔和循环腔，所述反应腔内的物料从所述隔板顶部溢流进入所述循环腔中；所述循环管路的进口与所述循环腔相连通；所述反应腔内的物料经所述循环腔进入所述循环管路中。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳强化反应系统，其特征在于，所述微界面机组包括第一微界面发生器和第二微界面发生器，所述第一微界面发生器与所述第二微界面发生器均与所述气体进口相连；所述第一微界面发生器和所述第二微界面发生器出口相对设置。

3.根据权利要求2所述的二氧化碳强化反应系统，其特征在于，所述第一微界面发生器和所述第二微界面发生器沿水平方向依次设置且所述第二微界面发生器的出口方向与所述循环管路的液体流动方向相反。

4.根据权利要求2所述的二氧化碳强化反应系统，其特征在于，所述第一微界面发生器与所述第二微界面发生器沿竖直方向依次设置；所述第一微界面发生器与所述第二微界面发生器之间沿所述循环管路内液体流动方向的前侧设置有挡板。

5.根据权利要求1所述的二氧化碳强化反应系统，其特征在于，所述反应吸收塔内设置有多层折流板，多层所述折流板沿竖直方向交错设置。

6.根据权利要求1所述的二氧化碳强化反应系统，其特征在于，所述循环管路内设置有分布器，所述分布器沿所述循环管路内液体流动方向设置在所述微界面机组的后方。

7.根据权利要求1所述的二氧化碳强化反应系统，其特征在于，所述循环管路上设置有换热器。

8.根据权利要求1所述的二氧化碳强化反应系统，其特征在于，所述循环管路包括依次连通的输入段、水平段和输出段，所述微界面机组位于所述水平段内。

9.根据权利要求1所述的二氧化碳强化反应系统，其特征在于，所述气体进口连接有气体管路；所述气体管路内设置有过滤器，所述气体管路内的气体经所述过滤器过滤后流入所述微界面机组中。

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