【正文】 密 級 學 號 050533 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文） 醇胺法吸收二氧化碳 的吸收塔設(shè)計 院 （ 系、部 ） ： 機械工程學院 姓 名： 李金 瑋 年 級： 06 級 專 業(yè)： 環(huán)境工程 指導 教師： 王建宏 教師 職稱： 工程師 2021 年 6 月 25 日 北京 醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔設(shè)計 北京石油化工學院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 題目名稱 ：醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔設(shè)計題目類型：設(shè)計型 學生姓名：李金瑋 專 業(yè)：環(huán) 境 工 程 學 院：機械工程學院 年 級：環(huán) 06 級 指導教師：王建宏 2021 年 3 月 15 日 一、 選題背景、研究意義及文獻綜述 選題背景 二氧化碳氣體具有吸熱和隔熱的功能。它在大氣中增多的結(jié)果是形成一種無形的玻璃罩，使太陽輻射到地球上的熱量無法向外層空間發(fā)散，其結(jié)果是地球表面變熱起來。因此，二氧化碳也被稱為溫室氣體。 溫室效應主要是由于現(xiàn)代化工業(yè)社會過多燃燒煤炭、石油和天然氣，這些燃料燃燒后放出大量的二氧 化碳氣體進入大氣造成的。 由環(huán)境污染引起的溫室效應是指地球表面變熱的現(xiàn)象。 它會帶來以下列幾種嚴重惡果： 1) 地球上的病蟲害和傳染疾病增加； 2) 海平面上升； 3) 氣候反常，海洋風暴增多； 4) 土地干旱，沙漠化面積增大。 5)經(jīng)濟的影響 全球有超過一半人口居住在沿海 100 公里的范圍以內(nèi)，其中大部份住在海港附近的城市區(qū)域。所以，海平面的顯著上升對沿岸低洼地區(qū)及海島會造成嚴重的經(jīng)濟損害，例如：加速沿岸沙灘被海水的沖蝕、地下淡水被上升的海水推向更遠的內(nèi)陸地方。 6)農(nóng)業(yè)的影響 醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔設(shè)計 實驗證明在 CO2高濃度的環(huán)境下，植物會生長得更快速和高大。但是， 39。全球變暖 39。的結(jié)果可會影響大氣環(huán)流，繼而改變?nèi)虻挠炅糠植寂c及各大洲表面土壤的含水量。由于未能清楚了解 39。全球變暖 39。對各地區(qū)性氣候的影響，以致對植物生態(tài)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)變亦未能確定。 7)海洋生態(tài)的影響 沿岸沼澤地區(qū)消失肯定會令魚類，尤其是貝殼類的數(shù)量減少。河口水質(zhì)變咸可會減少淡水魚的品種數(shù)目，相反該地區(qū)海洋魚類的 品種也可能相對增多。至于整體海洋生態(tài)所受的影響仍未能清楚知道。 8)水循環(huán)的影響 全球降雨量可能會增加。但是，地區(qū)性降雨量的改變則仍未知 道。某些地區(qū)可有更多雨量，但有些地區(qū)的雨量可能會減少。此外 ，溫度的提高會增加水份的蒸發(fā)，這對地面上水源的運用帶來壓力。 科學家預測：如果地球表面溫度的升高按現(xiàn)在的速度繼續(xù)發(fā)展，到 2050 年全球溫度將上升 2－ 4 攝氏度，南北極地冰山將大幅度融化，導致海平面大大上升，一些島嶼國家和沿海城市將淹于水中，其中包括幾個著名的國際大城市：紐約，上海，東京和悉尼。 2 研究意義 二氧化碳造成的溫室效應引起了全球的廣泛關(guān)注。已成為國際能源領(lǐng)域研發(fā)的熱點。全球應對氣候變化的核心是減少溫室氣體排放 ,其中主要是減少能源消費的 CO2排放。根據(jù) EIA (Energy Information Administration)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計 , 2021 年我國 CO2 排放總量為 47 億 ,t 約占世界總量的 17%,居世界第二 ,僅次于美國。2021— 2021 年 ,我國 CO2排放的增長量占世界同期 CO2 排放增長量的 50%以上 ,預計 2021年前我國 CO2排放量就有可能超過美國成為世界第一排放大國 (部分外媒宣稱 2021 年我國 CO2 排放量已經(jīng)躍居世界第一 )。我國 CO2排放量較快增長的態(tài)勢 ,將越來越受到國際社會的關(guān)注和壓力。燃煤電廠 CO2 排放是我國溫室氣體的最主要 排放源 ,約占我國 CO2排放總量的 50%。近年來 ,隨著火電裝機容量的迅速增多 ,燃煤電廠 CO2排放的絕對數(shù)量和相對比例還將進一步增加。因此 , CO2的減排將是我國燃煤發(fā)電未來可持續(xù)發(fā)展的瓶頸之一。由于我國能源結(jié)構(gòu)以燃煤發(fā)電為主 ,以及今后對燃煤發(fā)電的長期投入 ,從燃煤煙氣中有效的脫除 CO2將刻不容緩。 盡管發(fā)展新型煤電技術(shù)、可再生能源、核電與節(jié)能降耗等是可行的 CO2 減排手段 ,但是我國能源結(jié)構(gòu)長期以燃煤發(fā)電為主的現(xiàn)狀 ,決定了只有進行 CO2的捕集與永久封存才是減少溫室氣體排放的根本手段 ,也是進一步大量減少 CO2 排放醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔設(shè)計 的唯 一手段。目前 ,國際上 CO2捕集與封存技術(shù)正處于研究開發(fā)和示范階段 ,尚未達到商業(yè)化 ,我國在此領(lǐng)域的研發(fā)也剛剛起步 [1]。 現(xiàn)階段 CO2 回收方法主要有吸收法和分離法兩種方法，而化學吸收法在工業(yè)上的應用尤為廣泛。在傳統(tǒng)的化學脫碳過程中，應用一乙醇胺 (MEA)法脫除CO2 已進行了廣泛的研究，并成功地用于化工廠的 CO2 回收，但其成本高達 34美元 /噸 [2] 二氧化碳的吸收主要是在吸收塔內(nèi)進行，吸收塔的性能直接影響著二氧化碳的吸收效果。 3 文獻綜述 一 醇胺溶液的選擇 1 多種醇胺溶液吸收二氧化碳的研究 醇胺 溶液種類及濃度對吸收速率的影響 醇胺溶液種類對吸收速率的影響 分別取 5mL 的 、 TEA、 MDEA 溶液 ,采用鼓泡吸收裝置 ,常溫常下測定它們對 CO2 的吸收速率。不同醇胺溶液吸收速率隨時間的變化關(guān)系如圖 1 所示。從圖 1 中可以看出 ,濃度皆為 ,DEA、 TEA 對CO2的吸收速率明顯高于 MDEA,DEA 與 TEA 相差較小 ,且 DEA 和 TEA 的吸收速率隨時間推移迅速下降 ,MDEA溶液的吸收速率變化較為緩和 ,能在較長的時間保持一定的吸收速率。 圖 1 不同醇胺溶液吸收 速率與時間的關(guān)系 通過吸收速率隨吸收時間的變化關(guān)系可以看出溶液中 CO2 負荷對吸收速率的影響。對于 DEA 和 TEA,在溶液還遠未接近飽和狀態(tài)時 ,醇胺溶液吸收速率基本按吸收量線性地變化 ,這是因為此時液相主體中 CO2含量較小 ,而液膜處 CO2濃度足夠大 (p=105Pa),傳質(zhì)阻力對吸收速度 N 的影響相對就比較小 ,吸收速度主要取決于反應速度 r(N≈r)。 DEA、 TEA 吸收 CO2 的反應速率方程可表示為r=k2uAuCO2(A 表示 DEA、 TEA),在液膜處 CO2濃度 uCO2不變的條件下 ,反應速率 r僅與反應速率常數(shù) k有機胺濃度 uA 有關(guān) [1]。在溫度不變時 ,反應速率常數(shù) k2也保持恒定 ,所以 N僅隨溶液中有效胺的濃度發(fā)生線性變化 (有效胺的濃度又與溶液中吸收的 CO2 量成線性關(guān)系 ),圖中的曲線較好符合這一點。但是 ,對于 MDEA,因其與 CO2的反應為液膜反應 ,其過程要受 CO2與 H2O反應步驟的控制 ,吸收速率變慢。 吸收速率是決定設(shè)備高度的重要因素之一。體系的熱力學平衡決定了溶液吸收能力的極限量 ,但從技術(shù)經(jīng)濟指標和工業(yè)生產(chǎn)的具體條件來考慮 ,實際上不能把吸收進行到平衡 ,吸收液的實際負荷量與平衡吸收量之間有一定的差距。在固定醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔設(shè)計 其它因 素的前提下 ,吸收速度越快 ,吸收液的負荷就越接近平衡吸收量 ,對于降低設(shè)備高度、減少吸收液循環(huán)量及提高凈化質(zhì)量都十分有利。由此考慮 ,DEA和 TEA的效果好于 MDEA。 醇胺溶液濃度對吸收速率的影響 5mL 不同濃度 DEA、 TEA 的吸收速率隨時間變化如圖 3。從圖中可以看出 :對于 DEA 或 TEA,醇胺溶液的摩爾濃度影響吸收速率 ,醇胺溶液的摩爾濃度愈高 ,吸收速率就越大 ,隨著吸收時間的增加 ,吸收速率不斷降低 ,最后吸收飽和速率都趨于零 。對于含量相同的醇胺溶液 ,DEA 的吸收速率高于 TEA。 圖 2 不同濃 度 DEA 吸收速率與時間的關(guān)系 圖 3 不同濃度 TEA 吸收速率與時間的關(guān)系 CO2可以和 DEA 反應生成氨基甲酸鹽 : CO2+2(HOC2H4)2NH→(HOC 2H4)2NH2++(HOC2H4)2NCOO 然而 ,TEA 氮原子上無氫質(zhì)子 ,TEA 與 CO2 之間不能進行生成氨基甲酸鹽的反應 ,其和 CO2的反應機理與 DEA 有明顯不同。 TEA 與 CO2之間的反應按下式進行 : (HOC2H4)3N+CO2+H2O→(HOC 2H4)3NH++HCO3 Mandals 等 [2]曾經(jīng)測定了叔胺吸收 CO2的反應速率常數(shù) k值及活 化能 ,發(fā)現(xiàn)叔胺吸收 CO2 的 k 值比仲胺小 ,在相同條件下仲胺與 CO2 的反應速率明顯高于叔胺與CO2之間的反應速率。 醇胺溶液種類及濃度對吸收容量的影響 采用 Origin 數(shù)據(jù)處理軟件 ,計算吸收速率對時間的積分 ,即為吸收容量與吸收時間的變化關(guān)系。 醇胺溶液種類對吸收容量的影響 不同醇胺溶液吸收容量與時間的關(guān)系如圖 4 所示。 MDEA 的吸收容量曲線變化非常平緩 ,DEA 和 TEA 的吸收容量曲線較 MDEA 變化大。在相同的吸收時間內(nèi) ,3種有機胺溶液吸收容量大小依次是 DEA≥TEAMDEA。對于 MDEA,其對 CO2的吸收相當于一個物理吸收過程 ,吸收速率變化比較平緩 ,所以它的吸收容量變化曲線也非常平緩。 圖 4 不同醇胺溶液吸收容量與時間的關(guān)系 醇胺溶液濃度對吸收容量的影響 不同濃度的 DEA、 TEA 吸收容量與吸收時間的關(guān)系如圖 6 所示。反應初期 ,不同濃度的醇胺溶液吸收容量曲線接近 ,50min 后吸收容量曲線差距逐漸拉大 ,摩爾濃度越大的醇胺溶液其吸收容量越大。 DEA或 TEA 濃度越高 ,吸收容量越大 ,與此同時達到飽和吸收容量需要的時間也增長。在 ～ 醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔設(shè)計 圍 ,DEA 對 CO2飽和吸收容量從 ,而 TEA 飽和吸收容量從 。在選擇合適吸收劑時 ,希望要短時間內(nèi)吸收盡可能多 CO2 氣體 ,因此 ,綜合考慮吸收容量和達到飽和吸收的時間 ,DEA 作為吸收劑的效果要稍優(yōu)于 TEA。 圖 5 不同濃度 DEA 吸收容量與時間的關(guān)系 圖 6 不同濃度 TEA 吸收容量與時間的關(guān)系 醇胺溶液吸收前后 pH 的變化 醇胺溶液種類及濃度與 CO2吸收量、 pH的關(guān)系如表 1 所示。由表 1 可以看出 ,吸收劑的 pH 隨 溶液濃度增加略有增加 ,但相差不大。醇胺溶液作為吸收劑 ,由于水解反應 ,生成 OH,使溶液呈堿性 ,醇胺溶液的濃度越高 ,pH 越大 ,但達到一定濃度后 ,pH維持在 11左右 ,此時 ,增加醇胺溶液的濃度 ,并不能明顯的增加溶液的 pH。由此說明 ,醇胺的水溶液吸收 CO2 能力不能單純依靠溶液堿性強弱判斷。吸收液pH大致下降至 7時 ,吸收達到飽和 ,這一特性可作為判斷溶液吸收 CO2進行程度的指標 ,當 pH 下降到 7 左右 ,溶液基本飽和 ,無法繼續(xù)吸收 CO2,可進行再生。 表 1 不同濃度醇胺溶液 CO2吸收容量與 pH 的關(guān)系 飽和 醇胺溶液再生 吸收飽和的有機胺溶液稱為富液 ,用加熱的方法使與胺結(jié)合的 CO2解吸 ,變?yōu)闅怏w逸出 ,從而吸收液獲得再次吸收 CO2的能力 ,重新成為貧液。工業(yè)上就是利用這一方法重復吸收 CO2,直至吸收液失去。新配制的醇胺溶液 CO2 飽和吸收量為L,再生貧液飽和吸收量為 L’,則再生效率 η=L’/L是衡量吸收劑優(yōu)劣的重要指標。,皂沫流量計已經(jīng)檢測不到氣體逸出 ,說明 CO2 解吸完全。因此 ,本實驗條件下 ,180min。將 ℃ 再生 3h后重新吸收 CO2,醇胺溶液再生前后效果如表 2。 表 2 DEA、 TEA 的再生情況 由表 2 可以看出 ,吸收時間、吸收容量和平均吸收速率都有所降低 ,DEA溶液的再生效率為 %,TEA溶液的再生效率為 %。兩種醇胺溶液比較 ,TEA 再生效率較 DEA 高 17%,這可能是由于 DEA溶液再生過程中產(chǎn)生少量絮凝物 ,使溶液的吸收能力受到了部分破壞。 所以 DEA 和 TEA 溶液摩爾濃度越高 ,其吸收速率越快 ,吸收容量越大 。對于相同摩爾濃 度的醇胺溶液 ,DEA和 TEA 的吸收速率高于 MDEA,但 MDEA吸收速率隨時間變化較平緩。隨著 CO2吸收量的增加 ,吸收液的 pH 從 11 下降到 7 左右 ,醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔設(shè)計 以此可作為判斷吸收是否飽和的依據(jù)。 TEA 溶液的再生效率高于 DEA 的再生效率 [3]。 2 單組分和多組分醇胺溶液吸收 CO2的影響 單組分有機醇胺溶液吸收 CO2 的研究 MDEA 由于其吸收容量大 ,解吸再生溫度低等優(yōu)點 ,是近年來工業(yè)上常用的CO2 吸收劑 ,而采用 AEE 作為 CO2 吸收劑的研究卻鮮有報道。筆者考察了 AEE與 MDEA 兩種有機醇胺溶液對 CO2的吸收性能。 圖 7 吸收時間與吸收速率的關(guān)系 圖 8 摩爾吸收比與吸收速率的關(guān)系 由圖 7 可知兩種溶液的吸收