氨法吸收CO2實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

劉慶旺，姚杰

（1.淮南師范學(xué)院 化學(xué)與化工系，安徽 淮南 232038；2.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001）

溫室氣體過量排放是造成全球范圍內(nèi)氣溫升高的因素之一。根據(jù)氣候模型的預(yù)測，至2100年，全球平均溫度將會(huì)因?yàn)闇厥覛怏w排放上升1.4～5.8℃，在全部的溫室氣體中，CO2的排放量很大，而且對(duì)溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)一般會(huì)超過60%①張阿玲，方棟：《溫室氣體二氧化碳的控制和回收利用》，北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1996年。。以化石燃料為主要能源的CO2排放量占總CO2排放量的30%左右②Chris Hendricks, Carbon Dioxide Removal from Coal-Fired Power Plants. Department of Science,Technology and Society,University of Utrecht,The Netherlands.。再過幾十年，化石燃料利用量的繼續(xù)上升，將會(huì)使CO2排放量不斷增加，假如不進(jìn)行控制，CO2的排放超標(biāo)會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響。

CO2回收再利用技術(shù)的研究已經(jīng)是目前的一項(xiàng)非常重大的任務(wù)。工業(yè)生產(chǎn)碳酸氫銨工藝系統(tǒng)復(fù)雜，操作過程中危險(xiǎn)系數(shù)高，不利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研，所以，設(shè)計(jì)一套既簡單又容易操作的實(shí)驗(yàn)裝置。

適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用的氨法吸收CO2生產(chǎn)碳酸氫銨裝置的設(shè)計(jì)文獻(xiàn)未見報(bào)道。在沒有實(shí)驗(yàn)裝置參考的情況下，該實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照工廠生產(chǎn)碳酸氫銨工藝的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)碳酸氫銨工藝流程、操作的安全性及環(huán)境友好等因素，對(duì)碳酸氫銨工藝的主要部分進(jìn)行簡化，又考慮到實(shí)驗(yàn)裝置的規(guī)模、尺寸，結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體情況，通過物料及能量衡算，初步確定了氨法吸收CO2實(shí)驗(yàn)裝置主要設(shè)備的尺寸參數(shù)及工藝流程。

1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)基本要求

1.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

該實(shí)驗(yàn)裝置嚴(yán)格按照生產(chǎn)過程安全衛(wèi)生要求總則（GB 12801）、大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 16297）、污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 8978）、工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定（HG20570）、化工裝置設(shè)備布置設(shè)計(jì)規(guī)定（HG 20546）、化工裝置管道布置設(shè)計(jì)規(guī)定（HG/T 20549）、化工裝置管道材料設(shè)計(jì)規(guī)定（HG/T 20646）、壓力容器中化學(xué)介質(zhì)毒性危害和爆炸危險(xiǎn)程度分類（HG 20660）、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵安裝工程施工及驗(yàn)收規(guī)范（GB 50275）和通風(fēng)與空調(diào)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范（GB 50243）等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2 計(jì)算基準(zhǔn)及主要參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)裝置的主要設(shè)計(jì)依據(jù)為：利用氨水來吸收燃煤電廠尾氣中的二氧化碳生產(chǎn)碳酸氫銨。設(shè)計(jì)以煙道氣進(jìn)量1Nm3/h 為計(jì)算基準(zhǔn)；模擬煙道氣由CO2與空氣混合而成，CO2由氣瓶經(jīng)過減壓閥和流量計(jì)輸出的流量約為2.3L/min，煙道氣CO2的體積分?jǐn)?shù)約為13%；吸收氨水的質(zhì)量濃度為10%～15%之間。

設(shè)計(jì)CO2進(jìn)氣量為：2.3L/min；空氣進(jìn)氣量為：14.4L/min；設(shè)計(jì)溫度：25℃；設(shè)計(jì)壓力：常壓；吸收氨水質(zhì)量濃度為10%～15%。

2 物料衡算和能量衡算

2.1 物料衡算

由圖1，以整個(gè)系統(tǒng)做物料衡算，系統(tǒng)進(jìn)料主要有煙道氣、通過液氨補(bǔ)充的NH3以及水，出料主要是被吸收過后的尾氣以及產(chǎn)品NH4HCO3。

進(jìn)氣空氣的流量為14.4L/min，加入進(jìn)入空氣中的CO2氣體的流量為2.3L/min，則混合氣中CO2含量為：

假定CO2的回收率為90%，則每小時(shí)參加反應(yīng)的CO2的量為：0.15×90%=0.1242Nm3

圖1 物料衡算示意圖

吸收CO2的主要反應(yīng)如下：

NH3+CO2+H2O→NH4HCO3

取氣體CO2的平均密度為1.96Kg/Nm3，則可以得到：

（1）補(bǔ)充NH3量：0.1242×1.96×≈94g/h

（3）預(yù)計(jì)NH4HCO3產(chǎn)量：437g/h

假設(shè)系統(tǒng)補(bǔ)充水全部以濃度為15%的稀氨水方式加入，NH3全部溶入稀氨水后，則有：

解得：x=17.65g/h。

則補(bǔ)充15%的氨水為100+x=117.65

解得：W（NH3·H2O）≈117.65g/h，W（NH3，g）≈17.65g/h。

計(jì)算結(jié)果如表1：

表1 進(jìn)出物料一覽表

圖2 能量衡算示意圖

2.2 能量衡算

系統(tǒng)的總的熱量衡算示意圖如圖2，在整個(gè)CO2捕集裝置的系統(tǒng)中，主要放熱有NH3(g)溶解放熱、反應(yīng)放熱以及NH4HCO3結(jié)晶熱，這些熱量主要通過液NH3氣化和裝置中的冷凝循環(huán)水帶走。由于NH4HCO3放熱相對(duì)于整個(gè)體系放熱微乎其微，所以可以近似忽略。其熱量衡算如下：

（1）NH3溶解放熱的計(jì)算

查表得30℃時(shí)，NH3溶解放熱為：149.6 kcal /kg。假設(shè)氣NH3全部溶于水中，則：氣NH3溶解放熱Q1λ=149.6×20×10-3=2.992 kcal / h

（2）反應(yīng)放熱計(jì)算

所以，生成NH4HCO3（aq）反應(yīng)放熱為：

由1kcal/h=1.162W，Q總=3.642W

（3）換熱面積計(jì)算

因?yàn)镹H4HCO3在30℃以上時(shí)容易分解，所以要控制塔體反應(yīng)體系的溫度要在30℃以下，這就需要冷凝系統(tǒng)。我們?cè)谒w的三段填料下面設(shè)置了不銹鋼冷凝盤管。在夏天，用冰水作為冷凝水。假設(shè)體系運(yùn)行的溫度由35℃冷卻至25℃，冷凝水溫度由5℃上升至20℃。

熱流體溫度T ：35℃→25℃；冷流體溫度t ：5℃→10℃；兩段溫度差Δt：20℃→25℃

查表可知，在20℃時(shí)，不銹鋼的傳熱系數(shù)約為17W/(m2·℃)

我們實(shí)際選擇的冷凝盤管材料為Φ10×1 不銹鋼管，盤管的長度約為600mm，總共有三段，所以換熱面積為：S =3 ×L ×IIR2=3 ×600 ×3.14 ×42=30432mm2。我們選用的冷凝盤管有足夠的換熱面積來滿足體系的換熱要求。

3 塔徑的計(jì)算

填料塔直徑仍采用①張洪流：《化工原理》（下冊(cè)），上海：華東理工大學(xué)出版社，2006年，第104 -119 頁。：

式中氣體體積流量VS由設(shè)計(jì)任務(wù)1Nm3/h 為準(zhǔn)，計(jì)算塔徑的核心問題就是確定塔體氣速μ。

3.1 空塔氣速的確定

泛點(diǎn)氣速法：泛點(diǎn)氣速是填料塔操作氣速的上線，填料塔的操作空塔氣速必須小于泛點(diǎn)氣速，操作空塔氣速與泛點(diǎn)氣速之比稱為泛點(diǎn)率。

我們使用的填料為塑料規(guī)整填料，其泛點(diǎn)率經(jīng)驗(yàn)值為：μ/μF=0.6～0.95

泛點(diǎn)率的選擇主要考慮填料塔的操作壓力和物系的發(fā)泡程度兩方面的因素。設(shè)計(jì)中，對(duì)于加壓的操作塔，應(yīng)取較高的泛點(diǎn)率；對(duì)于減壓操作的塔，應(yīng)取較低的泛點(diǎn)率；對(duì)易起泡沫的物系，泛點(diǎn)率應(yīng)取低限值；而無泡沫的物系，可取較高的泛點(diǎn)率。

泛點(diǎn)氣速可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，即貝恩（Bain）——霍根(Hogan)關(guān)聯(lián)式：

常數(shù)A 和K 與填料的形狀及材質(zhì)有關(guān)，在此，我們A 和K 以塑料孔板波紋填料，A 取0.291，K取1.563。用上式計(jì)算的泛點(diǎn)氣速，誤差在15%以內(nèi)。

3.2 塔徑的計(jì)算與圓整

4 液體噴淋密度的驗(yàn)算

填料塔的液體噴淋密度是指單位時(shí)間、單位塔截面上液體的噴淋量，其計(jì)算式為：

為了使填料獲得良好的濕潤，塔內(nèi)液體流量應(yīng)不低于某一極限值，此極限值稱為最小噴淋密度，以Umin表示。

對(duì)于我們的設(shè)計(jì)，采用的是規(guī)整填料，其最小噴淋密度可以從填料手冊(cè)中查，設(shè)計(jì)中，通常Umin=0.2。實(shí)際操作時(shí)，采用的液體噴淋密度應(yīng)大于最小噴淋密度。

5 填料層高度計(jì)算及分段

5.1 填料層高度計(jì)算

采用傳質(zhì)單元數(shù)法計(jì)算填料層高度，傳質(zhì)單元數(shù)法計(jì)算填料層高度的基本公式為：Z=HOG·NOG。

（1）傳質(zhì)單元數(shù)的確定

對(duì)逆流操作過程，由物料衡算關(guān)系有：V(Y-Y2)=L(X-X2)

所以，當(dāng)吸收平衡線為直線（也即滿足Y*=mX）時(shí)，則有：

積分并簡化得到：

（2）傳質(zhì)單元高度計(jì)算

因?yàn)閭髻|(zhì)過程中影響因素十分復(fù)雜，對(duì)于不同的物系、不同的填料以及不同的流動(dòng)狀況與操作條件，傳質(zhì)單元高度各不相同，所以迄今為止，還沒有通用的計(jì)算方法和計(jì)算公式。目前，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)多選用一些準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式或經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，其中應(yīng)用較為普遍的是修正的恩田公式①譚天恩，麥本熙，丁惠華：《化工原理》（下冊(cè)），北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998年，第31-49 頁。。

修正的恩田公式為：

其中，

計(jì)算出NOG、HOG后，即可得到填料層的高度Z，但實(shí)際設(shè)計(jì)中，還應(yīng)留出一定的安全系數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，填料層的設(shè)計(jì)高度一般為：

Z’=(1.2～1.5)Z

式中：Z’——設(shè)計(jì)時(shí)的填料高度，m；

Z ——工藝計(jì)算得到的填料層高度，m。

5.2 填料層的分段

液體沿填料層下流時(shí)，有逐漸向塔壁方向集中的趨勢(shì)，形成壁流效應(yīng)。壁流效應(yīng)造成填料氣液分布不均勻，使傳質(zhì)效率降低。因此我們根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)出來的填料，把填料分為三段，在每段填料間安裝液體再分布器。

6 液體分布器的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的液體分布器為重力型液體分布器，采用的是多空型式，其布液工作的動(dòng)力為開孔上方的液位高度。多空型分布器布液能力的計(jì)算公式為：

式中：Ls——液體流量，m3/s；

n——開孔數(shù)目

Φ——孔流系數(shù)，通常取Φ=0.55～0.60；

d0——孔徑，m；

ΔH——開孔上方的液位高度，m。

通過計(jì)算得到計(jì)算結(jié)果如表2：

表2 設(shè)備參數(shù)一覽表

我們所用的填料可看成規(guī)整填料，臨界表面張力σc=73dyn/cm，φ=0.75。

由修正的恩田公式計(jì)算出kGa 和kLa 后，可按下式計(jì)算氣相總傳質(zhì)單元高度HOG：

7 實(shí)驗(yàn)裝置工藝流程簡述

氨法吸收二氧化碳實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖如圖3。

本實(shí)驗(yàn)裝置的模擬煙道氣由CO2與空氣混合而成，CO2由氣瓶經(jīng)過減壓閥和流量計(jì)輸出的流量約為2.3L/min，空氣由空氣壓縮機(jī)經(jīng)過減壓閥和壓力表，流量計(jì)輸出，流量約為14.4L/min，配好的模擬煙道氣進(jìn)入吸收塔底部，在塔內(nèi)煙道氣由下而上，CO2被噴淋下來的氨水逆流吸收，出吸收塔后的氣體再經(jīng)過尾氣吸收槽后放空。

氨水由高位槽泵輸送到氨水高位槽，再從抽濾槽下側(cè)部進(jìn)入抽濾槽，通過母液循環(huán)泵輸送到吸收塔頂部噴頭噴淋而下，裝置共三段分9 層，填料上與上升的模擬煙道氣中的CO2充分傳質(zhì)傳熱，下流到鼓泡段中。鼓泡段設(shè)有冷卻盤管，反應(yīng)達(dá)到一定濃度后在鼓泡段冷卻，形成結(jié)晶，氣液混合物下流至抽濾槽中，在抽濾槽內(nèi)的濾布上形成結(jié)晶碳酸氫銨，通過氨水高位槽不斷補(bǔ)充體系反應(yīng)的氨水量。

液氨氣瓶出來的氨氣通過減壓閥，進(jìn)入氨氣緩沖罐，因?yàn)榘睔鈿饣枰鼰?，所以在進(jìn)入緩沖罐之前，通過在吸收塔鼓泡段的冷凝盤管，來吸收反應(yīng)體系的熱量。通過緩沖罐的氨氣為氣態(tài)的氨，通入吸收塔，以達(dá)到補(bǔ)充體系的氨量。

在冷凝水槽內(nèi)注入約70%的水量，通過冷凝水泵提供動(dòng)力，以及在塔體內(nèi)的冷凝盤管最后又回到冷凝水槽。若是在夏天，需要在冷凝水槽加入冰塊，確保達(dá)到較好的冷凝效果。

圖3 氨法吸收二氧化碳實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖

8 結(jié)語

該實(shí)驗(yàn)裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、容易操作、以及安全可靠等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)符合要求，適合在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行操作。

該實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)任務(wù)已經(jīng)基本完成，下一步的主要工作是實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安裝和調(diào)試，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備工藝流程比較復(fù)雜，操作具有一定的危險(xiǎn)性，設(shè)備安裝和調(diào)試必須在具有專業(yè)知識(shí)的安裝人員的指導(dǎo)下，嚴(yán)格按照工藝流程、工藝設(shè)備參數(shù)及安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安裝調(diào)試。實(shí)驗(yàn)裝置投入運(yùn)行后，實(shí)驗(yàn)老師必須制定實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和設(shè)備操作的注意事項(xiàng)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中，指導(dǎo)老師不得離開，確保實(shí)驗(yàn)及人員的安全。