脫除和濃縮co2的膜氣體吸收技術的開發(fā)

1、1脫除和濃縮CO2的膜氣體吸收技術的開發(fā)陸建剛，王連軍（南京理工大學化工學院南京210094）溫室效應是影響地球氣候變化的主要因素，已引起世界各國的高度重視，而溫室氣體CO2的排放量主要來自工業(yè)領域，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)酵領域等。如何減少全球CO2的排放量緩解溫室效應，關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技術有其重要的意義。用來分離和脫除CO2的技術包括各種物理和化學處理方法，如溶劑吸

2、收、變壓吸附、深冷分離和膜分離等。膜接觸器在技術可靠性和經(jīng)濟性方面顯示出突出的優(yōu)勢，被認為具有很大應用潛力的技術之一[1]。膜基氣體吸收(簡稱膜吸收)，是膜分離技術與氣體吸收技術相結合的新型分離裝置，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）在驅動力作用下，通過膜孔擴散至液相，并被液相吸收，從而達到分離的目的。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，國內(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)過程；其后國外在這方面研究十分活躍[3，4]；國內(nèi)高校等也開展了相關的研究[5，6]。研究所涉及內(nèi)容包括膜材料及結構形態(tài)、膜組件結構等對傳質(zhì)性能的影響，吸收溶劑的選擇，操作條件對吸收性能的影響等。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)實驗室裝置，研究了操作條件對吸收過程和傳質(zhì)性能的影響，并提出了相應的數(shù)學模型預測總傳質(zhì)系數(shù)，結合實驗結果對膜接觸器分離N2CO2過程進行了分析，比較了模型計算值和實驗值，得出相關結論。1氣液膜接觸器原理和傳質(zhì)模型1.1膜組件結構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)和膜組件結構

5、。膜接觸器中微孔中空纖維PP是高分子聚合物，按溶劑和膜濕潤性關系分為疏水性膜和親水性膜，在操作過程中疏水膜膜孔充滿氣體(非濕潤模式)，見圖2；而親水膜膜孔充滿液體(濕潤模式)，見圖3。通常對于氣體吸收，疏水膜阻力小于親水膜。為維持膜兩側壓力平，氣液兩相間操作壓差不能超過膜臨界壓力（即濕潤壓力），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。對于采用中空纖維管殼式膜接觸器，膜組件結構根據(jù)流體在殼側流動的方式有平行流和錯流結構，見圖1。本實驗采用平行流結構，非濕潤模式，氣相在管側流動，液相在殼側流動。作者簡介：陸建剛，男，博士生，高級工程師，專業(yè)：環(huán)境科學與工程，Email：jglu6161@31.2.2膜傳質(zhì)系數(shù)kM的計算CO2在膜孔中擴散與膜結構形態(tài)及擴散狀態(tài)有關，根據(jù)Fick定律可得出下式：kM＝Dgε（δτ）（3）其中擴散系數(shù)〔7〕：

7、1Dg＝1DiD＋1Dk（4）式中Dk和DiD分別為Knudsen擴散系數(shù)和分子擴散擴散系數(shù)。1.2.3氣相分傳質(zhì)系數(shù)kg的計算對于氣相在管側（纖維內(nèi)腔）作層流形態(tài)流動時，可用下式計算[8]:Shg=kgdiDgD=1.62(diRegScgL)0.33(5)式中DgD為CO2在管側氣相中擴散系數(shù)。1.2.4液相分傳質(zhì)系數(shù)kL的計算液相在殼側分布時，流體動力學狀況比較復雜，這主要是膜組件殼側結構復雜，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反應狀況等。EHkL中E為化學反應增強因子，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算kL值[9]：ShL＝kLdeDL＝5.85〔de（1φ）L〕ReL0.6ScL0.33（6）液相擴散系數(shù)采用WilkeChang公式計算：DL＝（7）6.05.08)(104.7iLVTfM???E的計算依據(jù)文獻[10]，反應動力學數(shù)據(jù)來自文獻[11]，溶液物性數(shù)據(jù)（如密度，粘度等）實驗室測定。本文模擬

9、了MDEA溶劑的膜吸收過程。2實驗部分2.1活化劑AⅡ的合成和復合溶劑的配制AⅡ為氮雜環(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。實驗中MDEA濃度為2.5M；復合溶液中MDEA濃度為2.0M，AⅡ濃度為0.5M，總濃度保持2.5M。2.2實驗裝置及流程實驗裝置及流程見圖5，N2CO2混合氣〔1〕經(jīng)氣體流量計〔2〕進入膜組件〔3〕中，混合氣中CO2通過膜孔擴散至膜另一側，被醇胺溶液吸收，進入液相；吸收后的氣相從膜組件另一端氣