填料塔中碳酸钾_哌嗪混合吸收液脱除CO_2的体积传质系数_骆培成

第56卷第1期2005年1月化工学报

Journal of Chemical Industry and Engineeri ng (China) Vol 156 No 11January 2005

研究简报

填料塔中碳酸钾/哌嗪混合吸收液脱除

CO 2的体积传质系数

骆培成, 焦真, 张志炳

(南京大学化工系, 江苏南京210093)

关键词:二氧化碳; 碳酸钾; 哌嗪; 填料塔; 体积总传质系数中图分类号:TQ 028 文献标识码:A

文章编号:0438-1157(2005) 01-0053-05

Volumetric mass transfer coefficients of dilute CO 2absorption into mixtures of potassium carbonate and piperazine in packed column

LUO Peicheng, JI AO Zhen, Z HANG Zhibing

(Department of Che mical En gineering, Nan j ing University , N an jing 210093, Jian gsu , China)

Abstract:The process of re moving dilute CO 2from air by using the mixtures of K 2C O 3and piperazine (PZ) was conducted in a random packed tower a t 25e . The results showed that PZ increased the absorption rate of CO 2into aqueous K 2C O 3much more effectively than MEA or DE A. The volumetric overall mass transfer coefficient (K G a ) of dilute CO 2absorption into K 2CO 3/PZ was measured. The K G a value was evaluated over the ranges of main operating variables:the concentration of C O 2in inlet gas, gas flow rate, liquid loading, C O 2loading in liquid phase, and the concentrations of K 2CO 3and PZ 1The test showed that K G a could be remarkably improved by increasing liquid loading and the concentration of PZ, and decreasing the concentration of CO 2in inlet gas, as well as the gas flo w rate and CO 2loading in liquid phase.

Key words:carbon dioxide; potassium carbonate; piperazine; packed column; volumetric overall mass transfer c oeff-i

cient

业生产中采用的化学脱碳方法主要有改良热钾碱法和活化MDEA 法等. 改良热钾碱法的主要缺点是能耗较高, 且由于采用了较高的吸收温度, 吸收剂对碳钢的腐蚀较严重.

活化MDE A 法主要是在MDE A 中加入少量的哌嗪、咪唑、二乙醇胺等作为活化剂来脱碳, 活化剂的加入极大提高了MDEA 的脱碳效率. MDE A 法脱碳能耗比热钾碱法低, 但是MDE A 法由于采用较高的有机胺浓度, MDEA 挥发性较高, 在一些有人居

引言

二氧化碳吸收过程是合成氨、天然气加工、制氢等许多工业生产操作中的重要步骤. 近年来, CO 2作为大气中的温室气体, 对其进行净化研究也受到了许多关注[1~4].

工业上, 脱碳的方法主要有物理吸收法和化学吸收法. 通常, 在CO 2分压较低时, 采用化学吸收法较为经济, 且CO 2的净化度高. 目前, 国内外工

2004-01-07收到初稿, 2004-08-16收到修改稿.

联系人:张志炳. 第一作者:骆培成(1977) ) , 男, 博士. 基金项目:国家/9850工程资助项目.

Recei ved date:2004-01-07.

Correspondi ng author:Prof. ZHANG Zhi bing. E -mail:segz @nju 1edu 1c n

by the /Project.

#54#

化工学报第56卷

住的环境中, CO 2回收治理容易产生二次污染问题. 大量的研究表明, 在活化MDE A 法中, 使用哌嗪作为活化剂的活化效果较好

[5~8]

数可定义为

K G a =

p y A

d y A d z

(6)

因而, 如果能

在室温下使用哌嗪活化碳酸钾溶液, 将能够很好地缓解热碳酸钾溶液对设备的腐蚀问题, 同时, 消除MDEA 产生的二次污染问题.

填料塔是研究气液传质的重要设备之一. 体积总传质系数K G a 是衡量填料塔传质性能高低的重要参数, 它可直接用于设计填料塔设备, 对于研究化学吸收过程有着重要的意义. 微分法是测得填料塔体积总传质系数K G a 最主要的方法, Ar oonwilas 等

[9~12]

本文中, 碳酸钾/哌嗪混合水溶液吸收空气中微量CO 2在一散堆填料塔中进行, 沿塔高方向测量气相中C O 2的浓度, 并以CO 2的浓度对塔高z 作图, 得到CO 2沿塔高的浓度分布曲线, 由曲线的斜率d y A /d z 并根据式(6) 可计算出体积总传质系数K G a .

2 实验部分

211 实验装置

实验装置流程如图1所示, 其主体设备为填料塔(天津大学北洋新技术开发中心制造) , 塔内径为50mm, 填料为H 丝网填料(

即

采用此法在填料塔中测出了NaOH 、MEA 、AMP 等水溶液吸收CO 2的体积总传质系数K G a .

本文试图研究室温下哌嗪对碳酸钾的活化能力. 在填料吸收塔中测出了碳酸钾/哌嗪混合吸收液脱除空气中微量CO 2的体积总传质系数, 并研究了进口气体中C O 2的含量、气体流量、液体喷淋密度、溶液中CO 2的吸收量、碳酸钾浓度、哌嗪浓度等因素对K G a 的影响.

1 微分法测量体积总传质系数K G a

稳态下, 水溶液吸收CO 2的传质速率N A 可表示为气相传质分系数(k G ) 、总压(p ) 和气相推动力的乘积

N A =k G p (y A -y A i )

(1)

N A 也可以用总传质系数(K G ) 、总压(p ) 和平衡推动力表示如下

N A =K G p (y A -y A )

(2)

Fig 11 Schematic diagram of experimental flow

1) air compress or; 2) CO 2cylinder; 3) mixer; 4) flowmeter;

5) packed column; 6) infrared rays CO 2analyzer; 7) liquid tank; 8) pump; 9) was te liquid tank

总传质系数与气液相传质系数之间的关系如下

111=+

K G k G HEk L

(3)

由式(3) 可以看出, 影响总传质系数K G 的主要因素有:气相传质分系数k G 、无化学反应时的液相传质系数k L 、化学反应增强因子E 以及亨利系数H , 单独测量k G 、k L 以及E 均较为繁琐.

设填料塔单元高度为d , N A a d z =G I d

212 实验方法

实验中所使用的试剂均为分析纯. 配制一系列不同组分、不同浓度的吸收液, 取一定量的吸收液至液体贮槽内, 在25e 下恒温后, 通过恒流泵进入塔体顶部. 同时, 混有一定量C O 2气体的空气以一定的流速进入填料塔底部与吸收液逆流接触, 进行传质过程. 待吸收过程稳定后, 在填料塔进出口及塔体的5个取样口分别用便携式红外线C O 2分析仪测量气体中CO 2的浓度. 本实验中所使用的便携式红外线C O 2分析仪由北京市电脑技术应用研, 10, 0

y A 1-y y A 1-y A

(4) (5)

K G a P (y A -y A ) d z =G I d

当气相中CO 2的分压较低时, 即y A

第1期骆培成等:填料塔中碳酸钾/哌嗪混合吸收液脱除CO 2的体积传质系数

Table 1 Parameters of column and conditions used in this work

Height of column /m0194

Diameter of the column/m01050

Te mperature

/e 25? 1

Press ure /kPa 10113

CO 2concentration i n inlet port

/%(vol) 011) 1

Liquid loading /m 3#m -2#h -15109) 15128

Gas flo w rate

/kmol #m -2#h -14116) 12419

Concentration

of K 2CO 3/kmol#m -30126) 1116

#55#

Concentration

of PZ /kmol #m -301005) 0102

差为? 01001%(体积). 通过改变进口气体中C O 2的含量、气体流量、液体喷淋密度、溶液中C O 2的吸收量、K 2CO 3以及PZ 的浓度等条件, 得到各组

实验数据. 在整个实验过程中保持恒定的实验温度.

本实验中所使用的填料塔参数以及实验条件见表1.

当气相流量在4116kmol #m -2#h -1时, ME A 、DE A 使K 2CO 3吸收CO 2的速率增大至115倍左右, 而加入PZ 使K 2CO 3吸收CO 2的速率增大至218倍左右. 室温下, 几种有机胺对K 2C O 3溶液的活化能力大小为:PZ m MEA>DE A. 因而, PZ 可以作为室温下K 2CO 3溶液的较好的活化剂.

312 填料塔中K 2C O 3/PZ 吸收CO 2的K G a 在一定的实验条件下, 待吸收达到稳态状态后, 沿塔高方向测量气相中CO 2的含量, 并将该条件下测得的实验结果绘制成CO 2沿塔高的浓度分布曲线, 由曲线的斜率d y A /d z 并根据式(6) 可计算出每组实验条件下的体积总传质系数K G a .

图3为总传质系数K G a 随进口气体中C O 2的含量变化关系. 由图中可以看出, 当进口气体中CO 2的含量从011%上升到1%时, 体积总传质系数显著下降, C O 2分压对总传质系数影响较大. 这与Aroonwilas 等在规整填料塔中用NaOH 水溶液吸收C O 2的传质系数随C O 2分压的变化规律类似[9].

3 结果与讨论

311 不同有机胺对K 2CO 3的活化性能比较在25e 下研究了一乙醇胺(ME A) 、二乙醇胺(DEA) 以及哌嗪(PZ) 等有机胺对碳酸钾溶液的活化能力. 保持进口气体中CO 2的含量以及液体喷淋密度不变, 改变气体流量, 达到稳定状态后, 在填料塔进出口分别测量气相中C O 2的含量, 则吸收液对CO 2的净化效率G 可以表示为

y Ain -y Aou t G =@100%

y Ain

(7)

分别以净化效率G 对G 作图, 不同的碳酸钾/醇胺混合溶液对CO 2的净化效果比较见图

Fig 13 Effect of CO 2concentration in inlet gas on K G a

(liqui d loading:10118m 3#m -2#h -1; gas flow rate:6215kmol #m -2#h -1;

[K 2CO 3]:0126kmol #m -3; [PZ]:0101kmol #m -3)

Fig 12 G -G diagram in mi xtures of K 2CO 3and amines

(liquid loadi ng:10118m 3#m -2#h -1; CO 2concentration i n inle t gas:015%)

由图2可以看出, 在相同的实验条件下, K 2C O 3对CO 2的净化效率较低, 向K 2CO 3溶液中加入少量的MEA 、DEA 、PZ 等有机胺能够提高溶液对CO 2的净化效率, 在相同的有机胺浓度下, PZ

对2A .

气体流量以及液体喷淋密度对总传质系数的影响见图4. 由图中可以看出, 气体流量以及液体喷淋密度对总传质系数均有较大影响, 说明在低CO 2分压下, 用K 2C O 3/PZ 混合吸收液吸收CO 2的过程同时受气膜和液膜阻力影响, 但主要为液膜阻力控

#56#

化工学报第56卷

制, 液膜阻力在总阻力中占85%左右[14]. 在相同的气体流量下, 随着液体喷淋密度的增大, 总传质系数也逐渐增大. 在气体流量为4116kmol #m #-13-2-1

h 时, 将液体喷淋密度从5109m #m #h 提高到15128m 3#m -2#h -1, K G a 值增加了64%, 这可能是因为增大了喷淋密度, 首先增加了填料的润湿

面积, 其次增大了液相传质分系数k L , 从而使K G a 值得以提高. 气体流量对K G a 也有显著的影响, 随着气体流量的增大, K G a 值逐渐减小

Fig 15 Effect of CO 2loading in liquid phase on K G a

(CO 2concentrati on in inlet port of gas phase:015%;

gas flow rate:6215kmol #m -2#h -1; liquid l oadi ng:10118m 3#m -2#h -1;

[K 2CO 3]:0126kmol #m -3)

-2

Fig 14 Effect of liquid loading and gas flow rate on K G a

(CO 2c oncentration in inlet port of gas phase:015%;

[K2CO 3]:0126kmol #m -3; [PZ]:0101kmol #m -3; gas flow rate/kmol #m -2#h -1:

4116;

6215;

8313;

10411;

12419)

Fig 16 Effect of K 2CO 3concen tration on K G a

(CO 2concentrati on in inlet port of gas phase:015%;

liqui d loading:10118m 3#m -2#h -1;

[PZ]:0101kmol #m -3)

图5为液相中C O 2的吸收量对K G a 的影响关系. 由图中可以看出, 随着液相中C O 2吸收量的增加, 液相传质系数显著下降, 当液相中的CO 2吸收量增加到017mol CO 2#(mol K 2CO 3) -1时, 液相总传质系数基本趋于零. 这主要是因为随着C O 2吸收量增加, 液相中的CO 2-3逐渐转变为HC O 3离子, 理论上, 每摩尔K 2CO 3能吸收1mol 的C O 2气体.

图6表明了在不同的气体流量下, K 2C O 3的浓度对K G a 的影响不大. 由图中可以看出, 随着K 2C O 3浓度的增大, 总传质系数略微有所减小. 图7表明了PZ 的浓度对总传质系数的影响. 可以看出, PZ 的浓度对总传质系数的影响较大, 随着PZ 浓度的升高, 总传质系数曲线呈线性上升. 这说明采用K 2CO 3/PZ 混合吸收液脱除CO 2时, 反应速率受K 2C O 3浓度的影响不大, 而主要与PZ 的浓度有关, PZ 起到催化剂的作用. 这与ME A 、DE A 等醇胺活化热钾碱溶液的机理是相符合的

Fig 17 Effect of PZ concentration on K G a

(CO 2concentrati on in inlet port of gas phase:015%;

liqui d loading:10118m 3#m -2#h -1;

[K 2CO 3]:0126kmol #m -3)

4 结论

K 23/

第1期骆培成等:填料塔中碳酸钾/哌嗪混合吸收液脱除CO 2的体积传质系数#57#

空气中微量CO 2的过程研究, 得出以下结论.

(1)室温下, 加入少量的PZ 能够将K 2CO 3吸收CO 2的净化效率提高2~3倍, PZ 活化K 2CO 3的能力大大优于传统的ME A 、DEA 等醇胺溶液.

(2) 采用微分法在填料吸收塔中测定了K 2C O 3/PZ 混合水溶液吸收空气中微量CO 2的体积总传质系数K G a , 实验结果表明:K 2C O 3浓度对K G a 基本无影响, PZ 浓度对K G a 影响较大, 随着PZ 浓度的增大, K G a 显著增加, PZ 主要起到催化剂的作用.

(3) 随着进口气体中CO 2的含量、进口气体流量的增大, K G a 逐渐减小; 随着液体喷淋密度的增大, K G a 逐渐增大; 随着液相中CO 2吸收量的增大, 传质系数逐渐减小, CO 2的最大吸收量在017mol CO 2#(mol K 2CO 3)

-1

monoethanolamine and diethanolamine. Ind 1Eng 1Chem 1Res 1, 2003, 42:4861) 4866

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左右.

符号说明

a ) ) ) 填料有效相界面积, m 2#m -E ) ) ) 化学吸收增强因子

G , G I ) ) ) 分别为气相总流速、惰性气体流速, kmol #

m -2#h -1

-1

122[8]

Bi shnoi S , Rochelle G T. Thermodynamics of piperazi ne/methyldiethanolami ne/water/carbon dioxide. Ind 1Eng 1Chem 1Re s 1, 2002, 41:604) 612

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Ind 1

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Ind 1Eng 1Chem 1Res 1,

H ) ) ) 亨利系数, kmol #m -3#kPa -K G ) ) ) 总传质系数, kmol #m -2#h -0

k G ) ) ) 气相传质分系数, kmol #m #h

#h -1

-2

k L ) ) ) 无化学反应时的液相传质分系数, kmol #m -N ) ) ) CO 2吸收速率, kmol #m -2#h -p ) ) ) 气相总压, kPa

y ) ) ) 组分在气相中的摩尔分率z ) ) ) 填料层高度, m

下角标

A ) ) ) CO 2in ) ) ) 进口out ) ) ) 出口

References

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第56卷第1期2005年1月化工学报

Journal of Chemical Industry and Engineeri ng (China) Vol 156 No 11January 2005

研究简报

填料塔中碳酸钾/哌嗪混合吸收液脱除

CO 2的体积传质系数

骆培成, 焦真, 张志炳

(南京大学化工系, 江苏南京210093)

关键词:二氧化碳; 碳酸钾; 哌嗪; 填料塔; 体积总传质系数中图分类号:TQ 028 文献标识码:A

文章编号:0438-1157(2005) 01-0053-05

Volumetric mass transfer coefficients of dilute CO 2absorption into mixtures of potassium carbonate and piperazine in packed column

LUO Peicheng, JI AO Zhen, Z HANG Zhibing

(Department of Che mical En gineering, Nan j ing University , N an jing 210093, Jian gsu , China)

Key words:carbon dioxide; potassium carbonate; piperazine; packed column; volumetric overall mass transfer c oeff-i

cient

引言

工业上, 脱碳的方法主要有物理吸收法和化学吸收法. 通常, 在CO 2分压较低时, 采用化学吸收法较为经济, 且CO 2的净化度高. 目前, 国内外工

2004-01-07收到初稿, 2004-08-16收到修改稿.

联系人:张志炳. 第一作者:骆培成(1977) ) , 男, 博士. 基金项目:国家/9850工程资助项目.

Recei ved date:2004-01-07.

Correspondi ng author:Prof. ZHANG Zhi bing. E -mail:segz @nju 1edu 1c n

by the /Project.

#54#

化工学报第56卷

住的环境中, CO 2回收治理容易产生二次污染问题. 大量的研究表明, 在活化MDE A 法中, 使用哌嗪作为活化剂的活化效果较好

[5~8]

数可定义为

K G a =

p y A

d y A d z

(6)

因而, 如果能

在室温下使用哌嗪活化碳酸钾溶液, 将能够很好地缓解热碳酸钾溶液对设备的腐蚀问题, 同时, 消除MDEA 产生的二次污染问题.

[9~12]

2 实验部分

211 实验装置

实验装置流程如图1所示, 其主体设备为填料塔(天津大学北洋新技术开发中心制造) , 塔内径为50mm, 填料为H 丝网填料(

即

采用此法在填料塔中测出了NaOH 、MEA 、AMP 等水溶液吸收CO 2的体积总传质系数K G a .

1 微分法测量体积总传质系数K G a

稳态下, 水溶液吸收CO 2的传质速率N A 可表示为气相传质分系数(k G ) 、总压(p ) 和气相推动力的乘积

N A =k G p (y A -y A i )

(1)

N A 也可以用总传质系数(K G ) 、总压(p ) 和平衡推动力表示如下

N A =K G p (y A -y A )

(2)

Fig 11 Schematic diagram of experimental flow

1) air compress or; 2) CO 2cylinder; 3) mixer; 4) flowmeter;

5) packed column; 6) infrared rays CO 2analyzer; 7) liquid tank; 8) pump; 9) was te liquid tank

总传质系数与气液相传质系数之间的关系如下

111=+

K G k G HEk L

(3)

设填料塔单元高度为d , N A a d z =G I d

212 实验方法

y A 1-y y A 1-y A

(4) (5)

K G a P (y A -y A ) d z =G I d

当气相中CO 2的分压较低时, 即y A

第1期骆培成等:填料塔中碳酸钾/哌嗪混合吸收液脱除CO 2的体积传质系数

Table 1 Parameters of column and conditions used in this work

Height of column /m0194

Diameter of the column/m01050

Te mperature

/e 25? 1

Press ure /kPa 10113

CO 2concentration i n inlet port

/%(vol) 011) 1

Liquid loading /m 3#m -2#h -15109) 15128

Gas flo w rate

/kmol #m -2#h -14116) 12419

Concentration

of K 2CO 3/kmol#m -30126) 1116

#55#

Concentration

of PZ /kmol #m -301005) 0102

差为? 01001%(体积). 通过改变进口气体中C O 2的含量、气体流量、液体喷淋密度、溶液中C O 2的吸收量、K 2CO 3以及PZ 的浓度等条件, 得到各组

实验数据. 在整个实验过程中保持恒定的实验温度.

本实验中所使用的填料塔参数以及实验条件见表1.

3 结果与讨论

y Ain -y Aou t G =@100%

y Ain

(7)

分别以净化效率G 对G 作图, 不同的碳酸钾/醇胺混合溶液对CO 2的净化效果比较见图

Fig 13 Effect of CO 2concentration in inlet gas on K G a

(liqui d loading:10118m 3#m -2#h -1; gas flow rate:6215kmol #m -2#h -1;

[K 2CO 3]:0126kmol #m -3; [PZ]:0101kmol #m -3)

Fig 12 G -G diagram in mi xtures of K 2CO 3and amines

(liquid loadi ng:10118m 3#m -2#h -1; CO 2concentration i n inle t gas:015%)

对2A .

#56#

化工学报第56卷

制, 液膜阻力在总阻力中占85%左右[14]. 在相同的气体流量下, 随着液体喷淋密度的增大, 总传质系数也逐渐增大. 在气体流量为4116kmol #m #-13-2-1

h 时, 将液体喷淋密度从5109m #m #h 提高到15128m 3#m -2#h -1, K G a 值增加了64%, 这可能是因为增大了喷淋密度, 首先增加了填料的润湿

面积, 其次增大了液相传质分系数k L , 从而使K G a 值得以提高. 气体流量对K G a 也有显著的影响, 随着气体流量的增大, K G a 值逐渐减小

Fig 15 Effect of CO 2loading in liquid phase on K G a

(CO 2concentrati on in inlet port of gas phase:015%;

gas flow rate:6215kmol #m -2#h -1; liquid l oadi ng:10118m 3#m -2#h -1;

[K 2CO 3]:0126kmol #m -3)

-2

Fig 14 Effect of liquid loading and gas flow rate on K G a

(CO 2c oncentration in inlet port of gas phase:015%;

[K2CO 3]:0126kmol #m -3; [PZ]:0101kmol #m -3; gas flow rate/kmol #m -2#h -1:

4116;

6215;

8313;

10411;

12419)

Fig 16 Effect of K 2CO 3concen tration on K G a

(CO 2concentrati on in inlet port of gas phase:015%;

liqui d loading:10118m 3#m -2#h -1;

[PZ]:0101kmol #m -3)

Fig 17 Effect of PZ concentration on K G a

(CO 2concentrati on in inlet port of gas phase:015%;

liqui d loading:10118m 3#m -2#h -1;

[K 2CO 3]:0126kmol #m -3)

4 结论

K 23/

第1期骆培成等:填料塔中碳酸钾/哌嗪混合吸收液脱除CO 2的体积传质系数#57#

空气中微量CO 2的过程研究, 得出以下结论.

(1)室温下, 加入少量的PZ 能够将K 2CO 3吸收CO 2的净化效率提高2~3倍, PZ 活化K 2CO 3的能力大大优于传统的ME A 、DEA 等醇胺溶液.

-1

monoethanolamine and diethanolamine. Ind 1Eng 1Chem 1Res 1, 2003, 42:4861) 4866

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左右.

符号说明

a ) ) ) 填料有效相界面积, m 2#m -E ) ) ) 化学吸收增强因子

G , G I ) ) ) 分别为气相总流速、惰性气体流速, kmol #

m -2#h -1

-1

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H ) ) ) 亨利系数, kmol #m -3#kPa -K G ) ) ) 总传质系数, kmol #m -2#h -0

k G ) ) ) 气相传质分系数, kmol #m #h

#h -1

-2

k L ) ) ) 无化学反应时的液相传质分系数, kmol #m -N ) ) ) CO 2吸收速率, kmol #m -2#h -p ) ) ) 气相总压, kPa

y ) ) ) 组分在气相中的摩尔分率z ) ) ) 填料层高度, m

下角标

A ) ) ) CO 2in ) ) ) 进口out ) ) ) 出口

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填料塔中碳酸钾_哌嗪混合吸收液脱除CO_2的体积传质系数_骆培成

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