【正文】 塔板上進(jìn)行。該塔處理風(fēng)量較大，空塔氣 速 ～ ／ s，噴淋密度 20～ 110m3／ (m2 (2)湍球塔 它是填料塔的一種特殊形式，運(yùn)行時(shí)塔內(nèi)填料處于運(yùn)動狀態(tài)，以強(qiáng)化吸收過程。常用的填料有拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、弧鞍形和矩鞍形填料， 20 世紀(jì) 80 年代后開發(fā)的新型填料如 QH— 1 型扁環(huán)填料、八四內(nèi)弧環(huán)、刺猬形填料、金屬板狀填料、規(guī)整板波紋填料、格柵填料等，為先進(jìn)的填料塔設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。 (6)結(jié)構(gòu)簡單、便于制造和檢修。 (2)氣液兩相應(yīng)具有強(qiáng)烈擾動，減少傳質(zhì)阻力，提高 吸收效率。第一類是氣體以氣泡形態(tài)分散在液相中的 板式塔 、鼓泡吸收塔、攪拌鼓泡吸收塔；第二類是液體以液滴狀分散在氣相中的噴射器、文氏管、噴霧塔；第三類為液體以膜狀運(yùn)動與氣相進(jìn)行接觸的填料吸收塔和降膜吸收塔。溶液濃度增大可增強(qiáng) CO2 的水解，即增強(qiáng)溶液對CO2的吸收，但同時(shí)溶液的溶解度系數(shù)和分子擴(kuò)散系數(shù)將隨著溶液的濃度增 加而降低，所以每種溶液都有一個相對理想的吸收濃度范圍，而不是濃度越高越好。 MEA 與 CO2的反應(yīng)式 [12]如下： CO2+HOCH2CH2NH2=HOCH2CH2HNCOO－ +H+（ 1） HOCH2CH2HNCOO－ +H2O=HOCH2CH2NH2+HCO3－ （ 2） HOCH2CH2NH2+H+=HOCH2CH2NH3+（ 3） 反應(yīng)為放熱反應(yīng)，在加熱作用下，反應(yīng)將會逆向進(jìn)行，可對醇胺溶液進(jìn)行再生。 MEA 具有很好的吸收能力并且工藝簡單，是較理想的吸收劑。 3 MEA 對吸收 CO2 的優(yōu)點(diǎn)及工作原理 目前 ,普遍認(rèn)為燃燒后捕獲技術(shù)最為可行 ,因該 技術(shù)最適合于對傳統(tǒng)燃燒設(shè)備進(jìn)行以捕獲 CO2 為目的的改進(jìn) ,且其具有節(jié)省設(shè)備投資和技術(shù)成熟程度更接近商業(yè)化的優(yōu)勢 .燃燒后捕獲主要通過采用物理溶劑、化學(xué)溶劑以及兩者的混合溶劑脫除發(fā)電廠燃放氣中的 CO2的分壓低 ,且含有大量不溶性氣體 ,故采用胺鹽溶液等化學(xué)溶劑通過化學(xué)反應(yīng)吸收以分離其中的 CO2 是最有效的手段 [6， 7]。體系中 AEE 濃度越高 ,交互作用影響摩爾吸收比也越大。反應(yīng)的開始階段 ,即溶液 的摩爾吸收醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔設(shè)計(jì) 比較低時(shí) ,E 值由 AEE 貢獻(xiàn) ,體系以單組分 AEE 吸收為主 ,AEE 與 MDEA 無明顯交互作用。下面將通過引入增強(qiáng)因子這個概念來進(jìn)行分析。由圖 9 可見 3 種體系的吸收速率均隨吸收時(shí)間的延長而逐漸降低 ,50 min后的吸收速率幾乎相同。上述結(jié)果證明了伯胺、仲胺的吸收能力要強(qiáng)于叔胺。筆者考察了 AEE與 MDEA 兩種有機(jī)醇胺溶液對 CO2的吸收性能。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(shí)間變化較平緩。將 ℃ 再生 3h后重新吸收 CO2,醇胺溶液再生前后效果如表 2。工業(yè)上就是利用這一方法重復(fù)吸收 CO2,直至吸收液失去。醇胺溶液作為吸收劑 ,由于水解反應(yīng) ,生成 OH,使溶液呈堿性 ,醇胺溶液的濃度越高 ,pH 越大 ,但達(dá)到一定濃度后 ,pH維持在 11左右 ,此時(shí) ,增加醇胺溶液的濃度 ,并不能明顯的增加溶液的 pH。在 ～ 醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔設(shè)計(jì) 圍 ,DEA 對 CO2飽和吸收容量從 ,而 TEA 飽和吸收容量從 。對于 MDEA,其對 CO2的吸收相當(dāng)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。 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(jì)算吸收速率對時(shí)間的積分 ,即為吸收容量與吸收時(shí)間的變化關(guān)系。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(shí)間的增加 ,吸收速率不斷降低 ,最后吸收飽和速率都趨于零 。體系的熱力學(xué)平衡決定了溶液吸收能力的極限量 ,但從技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和工業(yè)生產(chǎn)的具體條件來考慮 ,實(shí)際上不能把吸收進(jìn)行到平衡 ,吸收液的實(shí)際負(fù)荷量與平衡吸收量之間有一定的差距。 DEA、 TEA 吸收 CO2 的反應(yīng)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(yīng)速率 r僅與反應(yīng)速率常數(shù) k有機(jī)胺濃度 uA 有關(guān) [1]。不同醇胺溶液吸收速率隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖 1 所示。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(dá)到商業(yè)化 ,我國在此領(lǐng)域的研發(fā)也剛剛起步 [1]。近年來 ,隨著火電裝機(jī)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(jìn)一步增加。根據(jù) EIA (Energy Information Administration)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) , 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。 科學(xué)家預(yù)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(dǎo)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。 8)水循環(huán)的影響 全球降雨量可能會增加。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。全球變暖 39。 5)經(jīng)濟(jì)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。因此，二氧化碳也被稱為溫室氣體。密 級 學(xué) 號 050533 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 醇胺法吸收二氧化碳 的吸收塔設(shè)計(jì) 院 （ 系、部 ） ： 機(jī)械工程學(xué)院 姓 名： 李金 瑋 年 級： 06 級 專 業(yè)： 環(huán)境工程 指導(dǎo) 教師： 王建宏 教師 職稱： 工程師 2021 年 6 月 25 日 溫室效應(yīng)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?xì)怏w進(jìn)入大氣造成的。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(yán)重的經(jīng)濟(jì)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(yuǎn)的內(nèi)陸地方。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。 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。但是，地區(qū)性降雨量的改變則仍未知 道。 2 研究意義 二氧化碳造成的溫室效應(yīng)引起了全球的廣泛關(guān)注。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(yù)計(jì) 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 )。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。 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(xué)吸收法在工業(yè)上的應(yīng)用尤為廣泛。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(shí)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(shí)間保持一定的吸收速率。在溫度不變時(shí) ,反應(yīng)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(diǎn)。在固定醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔設(shè)計(jì) 其它因 素的前提下 ,吸收速度越快 ,吸收液的負(fù)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。對于含量相同的醇胺溶液 ,DEA 的吸收速率高于 TEA。 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(shí)間的關(guān)系如圖 4 所示。 圖 4 不同醇胺溶液吸收容量與時(shí)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(shí)間的關(guān)系如圖 6 所示。在選擇合適吸收劑時(shí) ,希望要短時(shí)間內(nèi)吸收盡可能多 CO2 氣體 ,因此 ,綜合考慮吸收容量和達(dá)到飽和吸收的時(shí)間 ,DEA 作為吸收劑的效果要稍優(yōu)于 TEA。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(qiáng)弱判斷。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(biāo)。 表 2 DEA、 TEA 的再生情況 由表 2 可以看出 ,吸收時(shí)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 %。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(jì) 以此可作為判斷吸收是否飽和的依據(jù)。 圖 7 吸收時(shí)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速率均隨吸收時(shí)間的延長而逐漸降低。 AEE 可以與 CO2直接反應(yīng) ,吸收速率快 ,吸收量大 ,可以快速達(dá)到吸收飽和 ,而 MDEA 不能與 CO2直接反應(yīng) ,吸收速率慢 ,需長時(shí)間才可達(dá)到吸收飽和。其中 AEE 的摩爾濃度越高 ,溶液的初始吸收速率越快。 圖 9 吸收時(shí)間與吸收速率的關(guān)系 混合醇胺溶液的交互作用 鐘戰(zhàn)鐵 [4]提出 MEA+MDEA 體系在吸收低濃度二氧化碳時(shí)存在交互作用。隨著 CO2吸收量的增加 ,AEE 大量消耗 ,溶液的堿性逐漸降低 ,未被消耗的 MDEA 在溶液中提供的堿性可以明顯削弱 AEE 與 CO2之間的作用 ,交互作用出現(xiàn) ,MDEA 開始參與吸收反應(yīng)。 圖 10 摩爾吸收比與交互系數(shù) β的關(guān)系 所以 AEE 作為新型 CO2吸收劑 ,具有吸收速率快 ,吸收量大等優(yōu)點(diǎn)。 基本的 MEA CO2 溶液吸收 解吸流程被廣泛用于天然氣處理工廠和制氨工廠的 CO2去除 .該流程用于捕獲電站廢氣中的 CO2時(shí) ,吸收系統(tǒng)的作用是實(shí)現(xiàn)所需的 CO2脫除效率 ,并為解吸系統(tǒng)提供 高濃度 CO2的富胺鹽溶液 .解吸系統(tǒng)必須解吸出一定量的 CO2,以提供合理的 CO2濃度的貧胺鹽溶液返回吸收系統(tǒng)循環(huán)使用 .貧 富胺鹽溶液的熱交換可有效利用貧胺鹽溶液的熱能 ,以減少解吸能耗 .但是 ,該流程能耗仍然較高 ,而解吸過程熱負(fù)荷 Qreb 的大小直接影響到蒸汽消耗量 ,其費(fèi)用接近整個捕獲流程運(yùn)行費(fèi)用的 80%,使得基本 MEA流程處理發(fā)電廠燃放氣中 CO2的商業(yè)應(yīng)用受到嚴(yán)重制約 [8]。目前，世界上大多數(shù)從電廠煙氣中捕集 CO2的方法都是以 MEA 溶劑為基礎(chǔ)的化學(xué)吸收法 [11]。 因?yàn)?MEA 與 CO2 反應(yīng)生成比較穩(wěn)定的氨基甲酸鹽，反應(yīng)式（ 2）比反應(yīng)式（ 1）要快得多，所以總反應(yīng)式可以寫為： CO2+2HOCH2CH2NH2+H2O=HOCH2CH2HNCOO－ +HOCH2CH2NH3+ 由總反應(yīng)式可看出，乙醇胺吸收 CO2 時(shí)將會受到熱力學(xué)的限制，即 1 mol醇胺最大的吸收能力為 mol 的 CO2。如圖 1 所示， MEA 溶液相對來說吸收能力較強(qiáng)，且所需濃度較低，具有一定經(jīng)濟(jì)性，是較為理想的吸收溶液 [2]。 塔內(nèi)氣液兩相的流動方式可以逆流也可并流。 (3)操作范圍寬，運(yùn)行穩(wěn)定。 2 幾種常用的吸收塔 醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔設(shè)計(jì) (1)填料塔 它由外殼、填料、填料支承、液體分布器、中間支承和再分布器、氣體和液體進(jìn)出口接管等部件組成，塔外殼多采用金屬材料，也可用塑料制造。 填料塔適用于快速和瞬間反應(yīng)的吸收過程，多用于氣體的凈化。在塔內(nèi)柵板間放置一定數(shù)量的輕質(zhì)小球填料 (直徑 29～ 38mm)，吸收劑自塔頂噴下，濕潤小球表面，氣體從塔底進(jìn)入，小球被吹起湍動旋轉(zhuǎn)，由于氣、液、固三相充分接觸，小球表面液膜不斷更新，增加了吸收推動力。h)，壓力損失 1500～ 3800Pa，而且還可處理含塵氣體。板式塔種類很多。篩孔板塔主要優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單，處理風(fēng)量大，并能處理含塵氣體。空塔氣流速度一般取 1～ ／ s，篩孔氣流速度取 10～ 15m/s。文氏管吸收器結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備小、占空間少、氣速高、處理量大、氣液接觸好、傳質(zhì)較容易，特別適用于捕集氣流中的微小顆粒物。在一般情況下 ,經(jīng)過除塵、脫硫處理的煙氣通過鼓風(fēng)機(jī)加壓后直接進(jìn)入吸收塔進(jìn)行 CO2 的吸收。在吸收塔中 ,煙氣自下向上流動 ,與從上部入塔的吸收液形成逆流接觸 ,使 CO2 得到脫除。吸收了酸氣的吸收液 (富液 )通過富液泵加壓送至再生塔。溶劑往返循環(huán)構(gòu)成連續(xù)吸收和解吸 CO2的工藝過程。為維持吸收液的 清潔 ,在貧液冷卻器后設(shè)立旁路過濾器 ,脫除吸收液中的鐵銹等固體雜質(zhì)。在填料的選擇上 ,在吸收塔與再生塔內(nèi)均安裝了孔板波紋填料 ,具有以下特點(diǎn) :填料空隙率大 (98% ),氣液兩相能均勻通過 ,壓降低 ,流通量高 。造價(jià)較低。 煙氣在吸收塔內(nèi)與胺溶液充分接觸后 ,約 90%的 CO2被溶液吸收 ,余下的煙氣則從塔頂排空 ,同時(shí)不可避免的會有部分胺溶液會隨排空煙氣帶出系統(tǒng)排入大氣 ,既污