脫除和濃縮co2的膜氣體吸收技術(shù)的開發(fā)

1、1脫除和濃縮CO2的膜氣體吸收技術(shù)的開發(fā)陸建剛，王連軍（南京理工大學(xué)化工學(xué)院南京210094）溫室效應(yīng)是影響地球氣候變化的主要因素，已引起世界各國(guó)的高度重視，而溫室氣體CO2的排放量主要來(lái)自工業(yè)領(lǐng)域，如火力發(fā)電、石油化工、冶金企業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、食品發(fā)酵領(lǐng)域等。如何減少全球CO2的排放量緩解溫室效應(yīng)，關(guān)系到人類的生存和發(fā)展，研究高效低能耗可行的分離和回收CO2技術(shù)有其重要的意義。用來(lái)分離和脫除CO2的技術(shù)包括各種物理和化學(xué)處理方法，如溶劑吸

2、收、變壓吸附、深冷分離和膜分離等。膜接觸器在技術(shù)可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面顯示出突出的優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為具有很大應(yīng)用潛力的技術(shù)之一[1]。膜基氣體吸收(簡(jiǎn)稱膜吸收)，是膜分離技術(shù)與氣體吸收技術(shù)相結(jié)合的新型分離裝置，通常使用微孔中空纖維膜（氣液膜接觸器）將氣液兩相分開，氣相中的組份（如CO2等）在驅(qū)動(dòng)力作用下，通過(guò)膜孔擴(kuò)散至液相，并被液相吸收，從而達(dá)到分離的目的。與傳統(tǒng)氣液吸收裝置（如鼓泡吸收器，填料塔，噴淋塔等）相比，膜接觸器具有傳質(zhì)效率高，能耗低，

3、裝置體積小，操作穩(wěn)定和彈性大等優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外研究人員正在開發(fā)利用膜接觸器分離混合氣中酸性氣體（CO2、H2S、SO2、NOx等）。1985年Cussler等人[2]首次利用中空纖維膜接觸器吸收氣體，研究了其傳質(zhì)過(guò)程；其后國(guó)外在這方面研究十分活躍[3，4]；國(guó)內(nèi)高校等也開展了相關(guān)的研究[5，6]。研究所涉及內(nèi)容包括膜材料及結(jié)構(gòu)形態(tài)、膜組件結(jié)構(gòu)等對(duì)傳質(zhì)性能的影響，吸收溶劑的選擇，操作條件對(duì)吸收性能的影響等。本文研究了采用N甲基二乙醇胺（MDE

4、A）溶液和添加活化劑AII的MDEA混合溶液作為吸收劑，PP中空纖維膜接觸器分離N2CO2體系，建立了膜接觸器吸收－再生連續(xù)循環(huán)實(shí)驗(yàn)室裝置，研究了操作條件對(duì)吸收過(guò)程和傳質(zhì)性能的影響，并提出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)總傳質(zhì)系數(shù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)膜接觸器分離N2CO2過(guò)程進(jìn)行了分析，比較了模型計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值，得出相關(guān)結(jié)論。1氣液膜接觸器原理和傳質(zhì)模型1.1膜組件結(jié)構(gòu)及操作形式氣液膜接觸器包括接觸器和溶液兩部分，膜接觸器涉及膜材質(zhì)、膜形態(tài)和膜組件結(jié)構(gòu)

5、。膜接觸器中微孔中空纖維PP是高分子聚合物，按溶劑和膜濕潤(rùn)性關(guān)系分為疏水性膜和親水性膜，在操作過(guò)程中疏水膜膜孔充滿氣體(非濕潤(rùn)模式)，見圖2；而親水膜膜孔充滿液體(濕潤(rùn)模式)，見圖3。通常對(duì)于氣體吸收，疏水膜阻力小于親水膜。為維持膜兩側(cè)壓力平，氣液兩相間操作壓差不能超過(guò)膜臨界壓力（即濕潤(rùn)壓力），臨界壓力可由YoungLaplace方程決定：Pcritical＝2γCosθr（1）顯然選擇高疏水性、膜孔較小的膜可獲得較高的臨界操作壓力，能

6、維持膜孔充滿氣體而獲得最小膜阻力。對(duì)于采用中空纖維管殼式膜接觸器，膜組件結(jié)構(gòu)根據(jù)流體在殼側(cè)流動(dòng)的方式有平行流和錯(cuò)流結(jié)構(gòu)，見圖1。本實(shí)驗(yàn)采用平行流結(jié)構(gòu)，非濕潤(rùn)模式，氣相在管側(cè)流動(dòng)，液相在殼側(cè)流動(dòng)。作者簡(jiǎn)介：陸建剛，男，博士生，高級(jí)工程師，專業(yè)：環(huán)境科學(xué)與工程，Email：jglu6161@31.2.2膜傳質(zhì)系數(shù)kM的計(jì)算CO2在膜孔中擴(kuò)散與膜結(jié)構(gòu)形態(tài)及擴(kuò)散狀態(tài)有關(guān)，根據(jù)Fick定律可得出下式：kM＝Dgε（δτ）（3）其中擴(kuò)散系數(shù)〔7〕：

7、1Dg＝1DiD＋1Dk（4）式中Dk和DiD分別為Knudsen擴(kuò)散系數(shù)和分子擴(kuò)散擴(kuò)散系數(shù)。1.2.3氣相分傳質(zhì)系數(shù)kg的計(jì)算對(duì)于氣相在管側(cè)（纖維內(nèi)腔）作層流形態(tài)流動(dòng)時(shí)，可用下式計(jì)算[8]:Shg=kgdiDgD=1.62(diRegScgL)0.33(5)式中DgD為CO2在管側(cè)氣相中擴(kuò)散系數(shù)。1.2.4液相分傳質(zhì)系數(shù)kL的計(jì)算液相在殼側(cè)分布時(shí)，流體動(dòng)力學(xué)狀況比較復(fù)雜，這主要是膜組件殼側(cè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及的影響因素較多，尤其是中空纖維在

8、殼中分布狀況及化學(xué)反應(yīng)狀況等。EHkL中E為化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)因子，H為Henry常數(shù)，kL為液相物理傳質(zhì)系數(shù)。在低填裝因子狀況采用下式計(jì)算kL值[9]：ShL＝kLdeDL＝5.85〔de（1φ）L〕ReL0.6ScL0.33（6）液相擴(kuò)散系數(shù)采用WilkeChang公式計(jì)算：DL＝（7）6.05.08)(104.7iLVTfM???E的計(jì)算依據(jù)文獻(xiàn)[10]，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[11]，溶液物性數(shù)據(jù)（如密度，粘度等）實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。本文模擬

9、了MDEA溶劑的膜吸收過(guò)程。2實(shí)驗(yàn)部分2.1活化劑AⅡ的合成和復(fù)合溶劑的配制AⅡ?yàn)榈s環(huán)化合物，采用催化合成法合成，粗品經(jīng)精餾獲得AII產(chǎn)品。實(shí)驗(yàn)中MDEA濃度為2.5M；復(fù)合溶液中MDEA濃度為2.0M，AⅡ濃度為0.5M，總濃度保持2.5M。2.2實(shí)驗(yàn)裝置及流程實(shí)驗(yàn)裝置及流程見圖5，N2CO2混合氣〔1〕經(jīng)氣體流量計(jì)〔2〕進(jìn)入膜組件〔3〕中，混合氣中CO2通過(guò)膜孔擴(kuò)散至膜另一側(cè)，被醇胺溶液吸收，進(jìn)入液相；吸收后的氣相從膜組件另一端氣