雙驅(qū)動(dòng)攪拌器內(nèi)N-甲基二乙醇胺吸收劑吸收二氧化碳的傳質(zhì)研究

胡 豹,蔡 正,陳詩(shī)瑤,晉 梅

(江漢大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430056)

CO2作為引起全球氣候變暖的主要溫室氣體之一，其排放問題已成為各個(gè)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展所面臨的重要挑戰(zhàn)之一，而CO2又是具有較高工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的碳資源，因此，CO2的捕集回收就顯得非常重要[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)外CO2捕集技術(shù)有物理吸收法、膜吸收法、化學(xué)吸收法和O2/CO2燃燒法?；瘜W(xué)吸收法被認(rèn)為是目前最為成熟的CO2捕集方法，用于吸收CO2的吸收劑主要有氨水、熱鉀堿溶液和醇胺溶液等，其中，N-甲基二乙醇胺(MDEA)具有處理能力高、穩(wěn)定性好且無(wú)腐蝕性等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用[3-4]。

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，可用于吸收的單元操作設(shè)備很多，對(duì)單元操作的吸收傳質(zhì)過程進(jìn)行研究具有工業(yè)實(shí)際應(yīng)用意義。本文在雙驅(qū)動(dòng)攪拌器內(nèi)，采用MDEA作為吸收劑，通過改變吸收溫度、雙驅(qū)動(dòng)攪拌器中上、下攪拌速率和進(jìn)氣流量等工藝條件，考察對(duì)CO2吸收的傳質(zhì)效果影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)在江漢大學(xué)雙驅(qū)動(dòng)攪拌吸收器中進(jìn)行，其中攪拌漿直徑為6 cm，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)所用CO2鋼瓶(純度99.99%)來(lái)自武漢鋼鐵集團(tuán)公司，MDEA(分析純)來(lái)自薩恩化學(xué)技術(shù)上海有限公司。實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)，CO2和空氣以一定比例進(jìn)入穩(wěn)壓管1，觀察穩(wěn)壓管內(nèi)鼓泡情況；開氣體調(diào)節(jié)閥并通過皂膜流量計(jì)3調(diào)節(jié)到適當(dāng)流量(V0mL/min)，調(diào)節(jié)氣相及液相攪拌轉(zhuǎn)速到所需值；待恒溫槽到達(dá)所需溫度，CO2置換完裝置內(nèi)空氣后，向吸收器7內(nèi)加0.03 mol/L的MDEA吸收液，使吸收劑液面與液相攪拌器上漿葉下緣相切，作為吸收過程開始的“零點(diǎn)”；每隔一分鐘用皂膜流量計(jì)14測(cè)定出口氣體流量(V1mL/min)直至不變，吸收結(jié)束。

1-氣體穩(wěn)壓管；2,12-氣體溫度計(jì)；3,14-皂膜流量計(jì)；4-氣體調(diào)節(jié)閥；5,15-壓差計(jì)；6-氣體增濕器；7-雙驅(qū)動(dòng)攪拌吸收器；8-吸收液取樣閥；9,10-直流電機(jī)；11-彈簧夾；13-吸收劑瓶

圖1 雙驅(qū)動(dòng)攪拌器中吸收CO2實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 吸收原理

MDEA吸收CO2具有物理吸收和化學(xué)反應(yīng)雙特性，吸收過程為：首先，CO2溶解于MDEA溶液中，而后，CO2與MDEA溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如式(1)和式(2)所示，其中式(1)是CO2水化反應(yīng)，液膜控制，反應(yīng)極慢，為整個(gè)吸收反應(yīng)的控制步驟；式(2)為瞬間可逆反應(yīng)[5]。式(3)為整個(gè)吸收過程的總反應(yīng)式。

(1)

(2)

(3)

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算

從吸收原理可得：MDEA吸收CO2過程是從氣相主體擴(kuò)散到氣液界面，在界面與溶液中OH-進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)并向液相主體擴(kuò)散，其中氣膜阻力可忽略，吸收速率表達(dá)式如式(4)所示：

(4)

式中，NCO2：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位面積傳遞的CO2量；β：增強(qiáng)因子；KL：液相傳質(zhì)系數(shù)；CCO2：氣相中CO2平衡濃度；CCO2L*：液相中的CO2濃度。

CCO2=H·PCO2

(5)

(6)

(7)

PCO2+P空氣=P-PH2O

(8)

(9)

3.2 平均吸收速率和平均傳質(zhì)系數(shù)[6]

在整個(gè)吸收過程中，吸收速率和傳質(zhì)系數(shù)是不斷變化的，因此采用平均傳質(zhì)系數(shù)來(lái)確定該吸收過程中的傳質(zhì)現(xiàn)象。平均吸收速率是以從吸收開始直至吸收結(jié)束間整個(gè)時(shí)間段內(nèi)總吸收量和總吸收時(shí)間為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，如式(10)所示，平均傳質(zhì)系數(shù)可表示為式(11)：

(10)

(11)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在MDEA吸收液體積不變和濃度不變的情況下，通過改變操作條件，如吸收溫度(31～37 ℃)、上攪拌速率(150～300 r/min)、下攪拌速率(125～200 r/min)和氣體流量(60～120 ml/min)，對(duì)雙驅(qū)動(dòng)攪拌器內(nèi)MDEA吸收液對(duì)CO2的瞬時(shí)吸收傳質(zhì)速率和平均傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行研究。

4.1 吸收溫度對(duì)傳質(zhì)的影響

在上攪拌速率300 r/min、下攪拌速率200 r/min和氣體流量90 mL/min時(shí)，不同吸收溫度下雙驅(qū)動(dòng)攪拌器內(nèi)MDEA對(duì)CO2的吸收傳質(zhì)速率隨吸收時(shí)間變化如圖2所示，平均傳質(zhì)系數(shù)隨吸收溫度變化關(guān)系如圖3所示。

從圖2可以看出：不同吸收溫度下，MDEA溶液對(duì)CO2瞬時(shí)吸收速率均隨時(shí)間增加呈下降趨勢(shì)，且逐漸趨于平緩。然而，在同一吸收時(shí)間下，隨著溫度的升高，CO2吸收速率先增大而后降低。從吸收動(dòng)力學(xué)可知，CO2的溶解度系數(shù)和CO2在吸收液中擴(kuò)散系數(shù)均為溫度的函數(shù)，因此升高溫度，溶液粘度降低，CO2溶解度系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)均增大，有利于吸收液對(duì)CO2吸收[7-8]；另一方面，隨著溫度的升高，PCO2減小。鑒于此，兩者綜合呈現(xiàn)出來(lái)的結(jié)果是在同一吸收時(shí)間下，隨著溫度的升高，CO2吸收速率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。從圖3可得：提高吸收溫度并不能提高平均傳質(zhì)系數(shù)，這主要是由于吸收過程受多方面因素影響，溫度雖然可以提高反應(yīng)過程的速率，但是氣體在液相中溶解度的降低則起著主要作用，從而導(dǎo)致平均傳質(zhì)系數(shù)隨溫度升高而呈現(xiàn)先上升后下降的綜合趨勢(shì)。

圖2 不同吸收溫度下瞬時(shí)吸收速率與時(shí)間關(guān)系

圖3 平均傳質(zhì)系數(shù)與溫度關(guān)系

4.2 攪拌速率對(duì)傳質(zhì)的影響

在雙驅(qū)動(dòng)攪拌器中，存在上攪拌漿和下攪拌漿。在吸收溫度33 ℃和氣體流量90 mL/min時(shí)，不同上、下攪拌速率下雙驅(qū)動(dòng)攪拌器內(nèi)MDEA對(duì)CO2的吸收傳質(zhì)速率隨吸收時(shí)間變化如圖4(下攪拌速率200 r/min)和圖5(上攪拌速率300 r/min)所示，平均傳質(zhì)系數(shù)與上、下攪拌速率之間關(guān)系如圖6和圖7所示。

圖4 不同上攪拌速率下瞬時(shí)吸收速率與時(shí)間關(guān)系

圖5 不同下攪拌速率下瞬時(shí)吸收速率與時(shí)間關(guān)系

圖6 平均傳質(zhì)系數(shù)與上攪拌速率關(guān)系

圖7 平均傳質(zhì)系數(shù)與下攪拌速率關(guān)系

從圖4和圖5可看出：在不同攪拌速率下，MDEA溶液對(duì)CO2瞬時(shí)吸收速率均隨時(shí)間增加而呈下降趨勢(shì)，逐漸趨于平緩。另外，瞬時(shí)吸收速率隨著上、下攪拌速率增加而增大，這主要是由于隨著攪拌速率增大，液體湍流程度加劇，增大了氣液相接觸面積，有利于傳質(zhì)。從圖6和圖7中：提高上、下攪拌漿攪拌速率均會(huì)提高平均傳質(zhì)系數(shù)，這主要是由于攪拌速率的提高，增大了氣液相的接觸面積和氣體在液相中的溶解度，從而有利于平均傳質(zhì)系數(shù)的提高。

4.3 進(jìn)氣流量對(duì)傳質(zhì)的影響

在吸收溫度33 ℃、上攪拌速率300 r/min和下攪拌速率200 r/min時(shí)，不同進(jìn)氣流量下雙驅(qū)動(dòng)攪拌器內(nèi)MDEA對(duì)CO2的瞬時(shí)吸收傳質(zhì)速率隨吸收時(shí)間變化如圖8所示，平均傳質(zhì)系數(shù)與進(jìn)氣流量間關(guān)系如圖9所示。

圖8 不同進(jìn)氣流量下瞬時(shí)吸收速率與時(shí)間關(guān)系

圖9 平均傳質(zhì)系數(shù)與進(jìn)氣流量關(guān)系

從圖8可得：隨著吸收時(shí)間增加，不同進(jìn)氣流量下吸收速率均呈下降趨勢(shì)，并逐漸趨于平緩；在同一吸收時(shí)間下，CO2瞬時(shí)吸收速率隨著流量升高先增大后降低。這主要是由于：進(jìn)氣流量增大，一方面會(huì)引起氣液相傳質(zhì)阻力減小，有利于CO2吸收；另一方面隨著進(jìn)氣量增加會(huì)縮短氣相的停留時(shí)間。從傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)看，溶質(zhì)在液膜中的擴(kuò)散、氣體在氣膜中的擴(kuò)散、反應(yīng)物/生成物在相際間的傳質(zhì)及吸收反應(yīng)，都需要一定的時(shí)間才能完成[9]，因此，縮短停留時(shí)間會(huì)使氣液接觸時(shí)間縮短，導(dǎo)致吸收效果變差。

5 結(jié)論

(1)在雙驅(qū)動(dòng)攪拌器中，以0.03 mol/L濃度的MDEA溶液為吸收劑，通過對(duì)吸收溫度、攪拌速率和進(jìn)氣量的變化，對(duì)其在吸收CO2過程中的傳質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行研究；

(2)通過對(duì)傳質(zhì)影響因素的研究，可以得出在本實(shí)驗(yàn)工況下對(duì)瞬時(shí)傳質(zhì)速率和平均傳質(zhì)系數(shù)具有顯著影響因素為吸收溫度和攪拌速率；

(3)在不同吸收溫度、不同上/下攪拌速率、不同進(jìn)氣量工況下，瞬時(shí)傳質(zhì)速率均隨時(shí)間的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并逐步趨于平緩；隨著吸收溫度的升高，CO2的瞬時(shí)吸收速率和平均傳質(zhì)系數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；隨著上、下攪拌速率的增加，CO2的瞬時(shí)吸收速率和平均傳質(zhì)系數(shù)均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；隨著進(jìn)氣量的增加，CO2瞬時(shí)吸收速率和平均傳質(zhì)系數(shù)先增大后降低。

[1] Zhang Z G,Xu T X,Li W X,et al.Mass transfer enhancement of gas absorption by adding the dispersed organic phases[J].Chin J Chem Eng,2011,19(6):1066-1068.

[2] Dong F,Xu C,Zhang Z Q,et al.Design of parallel electrical resistance tomography system for measuring multiphase flow[J].Chin J Chem Eng,2012,20(2):368-379.

[3] 王泉清.有機(jī)胺溶液吸收CO2的研究評(píng)述[J].山東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,23(1):81-83.

[4] 周莉驊,劉有智,李光明,等.MDEA吸收CO2的活化劑及吸收設(shè)備研究進(jìn)展[J].化工中間體,2010(6):7-11.

[5] 項(xiàng) 菲.烯胺DETA/TETA溶液富集煙道氣中CO2的研究[D].杭州:浙江大學(xué),2003.

[6] 李忠銘.化學(xué)工程與工藝專業(yè)實(shí)驗(yàn)[M].華中科技大學(xué)出版社,湖北武漢,2013.

[7] 李桂明,楊紅健,侯凱湖,等.MDEA水溶液脫碳平衡溶解度和動(dòng)力學(xué)研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(4):129-133.

[8] 李清方,陸詩(shī)建,張 建,等.攪拌法對(duì)TEA溶液吸收和解吸CO2的實(shí)驗(yàn)研究[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,27(4):48-51.

[9] 牛振祺,郭印誠(chéng),林文漪,等.MEA、NaOH與氨水噴霧捕集CO2性能[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,50(7):1130-1135.