超重力反应器强化相变吸收剂脱除二氧化碳工艺研究

作     者：王蓓蓓 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邹海魁

授予年度：2024年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 081701[工学-化学工程] 

主      题：CO2捕集 相变吸收剂 超重力反应器 脱除率 传质系数 

摘      要：全球气候变化的严峻性日益凸显,其中二氧化碳（CO?）作为主要温室气体之一,加剧了全球温室效应和环境问题。为此,化学吸收法由于其高效的CO?捕集能力和可再生特性而被广泛应用。尽管有效,但此法面临高再生能耗、易受烟气杂质影响、高温腐蚀、高粘度和易起泡等挑战。 为了克服这些缺点,近年来研究者开始关注相变吸收剂的脱碳性能。相变吸收剂展现出在CO2捕集方面的巨大潜力,能显著提升捕集效率和降低能耗。超重力技术展现了在提高气液传质效率方面的优势,尤其是与传统塔式设备相比,即使引入有机物和发生分相过程会增加体系粘度而影响吸收性能,RPB仍能通过调整转子转速有效应对,减弱粘度对CO2吸收的负面影响。 在CO2的化学吸收过程中,MEA水溶液被广泛使用,然而,它的挥发性强、易于降解、腐蚀性高以及再生能耗大等问题导致了较高的捕集成本。将MEA与正丁醇、环丁砜溶剂复配,形成相变吸收体系,不仅实现了CO2的高效吸收,还促进了相分离。DETA的CO2吸收速率显著优于MEA。结合环丁砜和DETA的复合吸收剂体系,可以进一步优化CO2的捕集效率。 本论文采用正丁醇和环丁砜作为有机溶剂进行了单乙醇胺（MEA）/正丁醇、单乙醇胺（MEA）/环丁砜和二乙烯三胺（DETA）/环丁砜等几种相变吸收体系在填料塔和超重力反应器中的脱碳研究,考察了有机溶剂浓度、转子转速、气体流量、温度、液体流量、气液比和进口CO2浓度对脱除率和传质系数的影响,得到较优的工艺条件。主要研究结果如下: （1）30 wt%MEA/30 wt%正丁醇体系在填料塔和RPB内分别进行脱碳实验,填料塔内正丁醇质量分数和进口CO2浓度的增加会导致CO2脱除率和传质系数减少;溶剂温度和液体流量的增加有助于CO2脱除率和传质系数的增加;气体流量的增加使得脱除率降低,传质系数则先上升后下降。较优的工艺条件为,温度323.15 K、气体流量1.0 m3/h、液体流量6.75 L/h。RPB内正丁醇质量分数、气体流量和进口CO2浓度的增加,会减少CO2脱除率和传质系数;转子转速、温度和液体流量的增加,导致CO2脱除率和传质系数同步增加。较优的工艺条件为,温度318.15 K、转速1200 rpm、气体流量2.5 m3/h、液体流量25 L/h。 （2）30 wt%MEA/50 wt%环丁砜体系在RPB中进行脱碳实验,发现转子转速和温度的增加使CO2脱除率和传质系数提高;气体流量的增加导致脱除率下降,而传质系数先降低后轻微上升;气液比的增加初期对CO2脱除率和传质系数影响不大,但随后会导致它们迅速下降;进口CO2浓度的增加则会降低脱除率和传质系数。温度为313.15 K、进口CO2浓度为12%时,通过正交实验确定30 wt%MEA/50 wt%环丁砜体系脱碳的最优工艺条件为,转子转速为1000rpm、气体流量为4.5m3/h和气液比为210。 （3）30 wt%DETA/40 wt%环丁砜体系在RPB中进行脱碳实验,发现转子转速和温度增大时,CO2脱除率和传质系数同步上升;气体流量增加导致脱除率下降,而传质系数先上升后下降;气液比和进口CO2浓度的增加会导致CO2脱除率和传质系数下。温度313.15 K、进口CO2浓度12%时,通过正交实验确定了30 wt%DETA/40 wt%环丁砜体系的最优脱碳条件为转子转速800 rpm、气体流量4.5 m3/h和气液比210。