醇胺溶液吸收二氧化碳的强化传质及动力学研究

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人类活动的增加、化石燃料的过度使用,导致近年来大气中酸性气体含量猛增,尤其以CO2最为显著,地球表面温度不断升高,对全球环境产生严重影响;同时CO2也是一种宝贵的碳资源,可用于生产甲醇、碳酸盐等多种领域。对CO2的固定、吸收及利用已经成为刻不容缓的问题,也越来越得到世界各国的关注。  现有的文献更多地关注于有机胺吸收CO2的工艺条件,但吸收过程中气液两相间的传质能力,尤其是影响强化传质过程的因素及机理研究较少。本文针对上述问题,开展了醇胺溶液吸收酸性气体的强化传质及动力学研究。  本文在自建的气液两相强化吸收装置上,分别对MEA、DEA、TEA、MDEA、DETA、TETA以及K2CO3溶液进行吸收容量、吸收速率及解吸再生的性能测试,结果表明:在相同吸收液浓度与操作条件下,有机胺溶液的性能普遍优于无机吸收液。将具有代表性的无机吸收液K2CO3与有机吸收液DEA进行对比,得到:DEA的吸收速率和吸收容量约为碳酸钾的2倍。对比各有机胺溶液,其吸收容量依次为TETA>DETA>TEA>DEA>MEA>MDEA,而解吸再生能力依次为TEA>MDEA>DEA>MEA>DETA>TETA。综合考虑吸收解吸性能,设备腐蚀性,溶液成本等因素,选取DEA作为实验吸收剂。  将筛选所得的DEA溶液进行强化传质性能研究,具体考察了体系温度、吸收液浓度,气相、液相搅拌速度以及气体浓度对DEA吸收CO2的传质性能的影响,结果表明:升高DEA吸收液温度,提高吸收液浓度,有利于CO2从气相到液相中的传质。气相搅拌由50 rpm增加至200 rpm,传质系数增加了44%;当液相搅拌由150 rpm增加至300 rpm时,传质系数增加了259%。液相传质的强化远优于气相,不仅增大了气液传质接触的面积,而且加速了表面新旧溶液的更新,较大地促进了传质性能。  DEA吸收CO2的最适宜操作条件确定为:体系温度为60℃,吸收液浓度为1.2 mol/L,气相搅拌速度为200 rpm,液相搅拌速度为300 rpm。  对DEA、MEA和TEA吸收CO2的反应过程进行研究,分析了吸收液温度及CO2分压对反应动力学方程的影响,求出各自的指前因子,反应活化能等动力学参数,结果表明:醇胺与CO2的反应为一级反应, DEA、MEA和TEA的指前因子kDEA0,kMEA0和kTEA0分别为12.96 s-1,9.75s-1以及301.9s-1。三者的反应活化能Ea,CO2-DEA,Ea, CO2-MEA和Ea,CO2-TEA分别为19.7 kJ/mol,17.23 kJ/mol以及31.4 kJ/mol。此外DEA与CO2的反应为放热反应,标准摩尔生成焓为-12.1kJ/mol。本文强化化学吸收传质及动力学的研究结果将为同类研究和应用提供有益的参考依据。
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