泡沫金属填料旋转床用于胺法脱碳

张龙龙，董亚峰

(中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北邯郸056027)

大气温室效应是人类目前所面临的主要环境问题之一，对CO2进行综合利用是解决该问题的途径之一。CO2的分离富集是进行CO2综合利用的基础，经过近一个世纪的研究，特别是近二十年的发展，已经有了很大进展。目前CO2分离富集技术主要可分为五大类，即吸收法、吸附法、低温分离法、膜分离法和生物分离法，其中化学吸收法最为常用[1]。已经工业化的化学吸收法主要采用醇胺类溶液作为化学吸收液，在填料塔内进行化学反应从而实现CO2的分离富集，但传统填料塔体积庞大，吸收效率低。超重力旋转床作为一种新型气液传质设备，具有压降低、传质系数大、体积小、泛点高、质量轻和维修方便等优点，在化工、环保、能源和材料等领域得到了较好的应用[2]。将超重力旋转床应用于CO2气体的吸收，可以显著提高吸收效率，缩小设备体积[3-6]，从公开的文献或专利来看，旋转床多采用丝网填料或板式填料，丝网填料的动平衡性差，尤其是对于大型旋转床，板式填料虽然动平衡好，但传质效率不高，若采用泡沫金属作为旋转床的填料，可以克服上述两种填料的缺点。本研究将采用泡沫不锈钢作为旋转床的填料，考察不同种类的醇胺溶液在泡沫金属旋转床中的CO2吸收特性和传质行为，为工业化应用提供基础研究结果。

1 实验部分

1.1 实验装置和方法

反应装置为自行设计加工的逆流型旋转填料床，卧式放置，主要由电机、外壳、鼠笼型转子、泡沫金属填料组成，采用变频器控制电机转速。泡沫金属填料采用泡沫不锈钢加工而成，呈环形，外径d2为0.164 m，内径d1为0.051 m，空隙率90%，比表面积300 m2/m3。

实验流程如图1所示。实验开始时，离心风机提供的空气和钢瓶提供的CO2混合均匀后(CO2体积浓度为1%)经由外壳顶部的气体入口进入旋转填料床，由转子外沿进入填料层，径向由外向内通过高速旋转的填料层，向旋转床中央汇集；由恒温储液罐提供的醇胺溶液（二乙醇胺(DEA)、三乙醇胺(TEA)、乙醇胺(MEA)或N-甲基二乙醇胺(MDEA)）经由外壳中央的液体入口进入旋转床，通过液体分布器喷洒在高速旋转的转子内沿，并在强大离心力的作用下径向由内向外通过填料层，在此过程中液体被拉伸、切割为微小液滴、液丝和液膜，从而与气体充分接触反应，反应后的气体由外壳中央的气体出口排至大气，液体由外壳底部的液体出口流出经由U型水封后至废液槽，采用红外气体分析仪测试旋转床进出口的CO2浓度，液体进出口的醇胺溶液采用温度传感器测量，由于本实验气体中的CO2浓度很低，吸收过程的热效应很小，醇胺溶液基本保持恒温。

图1 实验流程示意Fig.1 The schematic diagram of experiment1-absorbent tank;2-pump;3-flowmeter;4-rotating packed bed;5-CO2 analyzer;6-U type pipe;7-mass flow controller;8-CO2;9-roots blower

1.2 体积传质系数的计算

实验中气体进口CO2浓度很低，CO2与醇胺溶液反应为快速反应，体积传质系数KGa可如下计算[7]

其中G为气体流量，m3/s；H是填料轴向长度，m；Y1、Y2分别为旋转床入、出口CO2体积分数。

2 结果与讨论

2.1 不同醇胺溶液的体积传质系数

在液体流量60 L/h、气体流量6 m3/h、醇胺溶液浓度2 mol/L、温度10℃的条件下，考察了不同醇胺溶液中搅拌速度对体积传质系数的影响，结果如图2所示。

图2 不同醇胺溶液的体积传质系数Fig.2 The volumetric mass transfer coefficients for different alkanolamine solutions

从图中可以看出，MEA与DEA吸收CO2的体积传质系数要大于MDEA与TEA的体积传质系数，在超重力旋转床中，由于吸收液的停留时间很短，只有反应速度快的物系才有较大的传质系数，才能在较短的接触时间内完成CO2的吸收。由于MEA为伯胺，DEA为仲胺，而伯胺与仲胺的相同之处在于氮原子上有氢质子，它们与CO2反应时会先生成一种两性离子作为中间产物，这种两性离子是不稳定的，接着溶液中的碱性物质会将这种两性离子去质子化，形成稳定的氨基甲酸盐离子，这个过程是很快的，因此MEA、DEA与CO2的反应速率很快，具有较大的体积传质系数；而TEA与MDEA为叔胺，氮原子上无氢质子，因此无法形成两性离子，也就无法生成稳定的氨基甲酸盐离子，而是生成亚稳态的碳酸氢盐，这个过程就类似于CO2的物理溶解过程，因此反应速度较慢，传质系数较小[8,9]。另外，尽管DEA与MEA具有相似的结构和性质，但DEA分子量大，分子结构复杂，使得其与CO2分子反应的传质阻力增加，体积传质系数较MEA要小。

从图2还可以看出，随着转速的提高，不同溶液的体积传质系数均呈现增加趋势，但增加的幅度缓慢减小，这是由于增加转速一方面使得液体在填料层中获得了更大的加速度，促使液膜变薄，减低了传质阻力，使得体积传质系数增加，另一方面使液体在填料层中的停留时间变短，减少了气液的接触时间，这将会导致体积传质系数的下降。综合这两方面考虑，在转速较小时，应该是增加气液相界面起主导作用，这时增加转速体积传质系数随之增加，继续增加转速，较少气液接触时间起主导作用，这时体积传质系数的增速减缓。

2.2 MEA浓度对体积传质系数的影响

选用吸收效果最好的MEA溶液为吸收液，在气体流量6 m3/h、液体流量60 L/h、温度10℃条件下考察溶液浓度对体积传质系数的影响，结果如图3所示。可以看出，MEA与CO2反应的体积传质系数随MEA浓度的提高而增大。这是由于MEA的浓度越高，溶液的碱性就越强，MEA与CO2反应生成的两性离子的去质子化速度越快，越容易生成稳定的氨基甲酸盐离子，因此强化传质系数就增大。

2.3 温度对体积传质系数的影响

在气体流量为6 m3/h、液体流量为60 L/h、转速为1 200 r/min条件下，不同温度MEA溶液吸收CO2的体积传质系数结果如图4所示。从图4可以看出，在考察的温度范围内，体积传质系数随温度的升高呈现先增大后减小的趋势。根据扩散理论，温度升高分子运动加剧，使得CO2分子与胺分子获得更多的接触机会，根据Arrhenius公式，反应速率常数也随温度的升高而增加，加速了化学吸收过程，但是由Henry定律可知，温度升高会使CO2的溶解度减小，这对吸收不利。所以在实验温度较低时，升高温度，起主导作用是促进化学吸收因素，因而体积传质系数随温度的升高而逐渐增大，当温度升高到一定值时，CO2的溶解度减小明显，这时对吸收不利因素起主导作用，体积传质系数开始降低。

图3 MEA浓度对体积传质系数的影响Fig.3 Effect of different concentration of MEAon KGa

图4 温度对体积传质系数的影响Fig.4 Effect of temperature on KGa

2.4 醇胺溶液流量对体积传质系数的影响

在气体流量6 m3/h、温度10℃、转速1 200 r/min的条件下，考察了不同溶液流量下的体积传质系数结果如图5所示。可以看出，在考察的流量范围内，随着溶液流量的增加，体积传质系数逐渐增加，但增加的幅度逐渐减小，这应该是因为液量增大会引起填料层中液滴流速、液膜更新速度及填料润湿程度的增大，填料间隙以及外腔内的液滴、液丝增多，提高了气液接触面积；另外液量增加，使得液体的湍流程度增加，从而减小了液相的传质阻力。但液量增加同时也减少了气液的接触时间，不利于吸收，从实验结果看，在溶液流量较小时，应该是降低传质阻力起主导作用，随着流量的逐渐增大，减小气液接触时间开始逐渐占据主导作用。

图5 不同液体流量下的体积传质系数Fig.5 Effect of liquid flow rate on KGa

3 结论

采用不锈钢丝网作为旋转床的填料，研究了不同种类的醇胺溶液在超重力环境中的CO2吸收特性和传质行为，研究结果表明：

a）醇胺溶液种类对超重力旋转床的CO2吸收性能有显著影响，在超重力环境下，MEA溶液吸收CO2的体积传质系数要明显大于其它三种溶液（DEA、MDEA、TEA），四种溶液的体积传质系数大小顺序为：MEA＞DEA＞MDEA＞TEA。

b）旋转床的CO2吸收性能还与转速、溶液浓度、温度、液量密切相关。提高转速或吸收液浓度，体积传质系数随之明显增大；温度升高，体积传质系数呈现先增大后减小的趋势；随液体流量的增加体积传质系数呈增大趋势，但增幅逐渐减小。

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