氨法吸收CO2实验装置的设计

刘庆旺，姚杰

（1.淮南师范学院 化学与化工系，安徽 淮南 232038；2.安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001）

温室气体过量排放是造成全球范围内气温升高的因素之一。根据气候模型的预测，至2100年，全球平均温度将会因为温室气体排放上升1.4～5.8℃，在全部的温室气体中，CO2的排放量很大，而且对温室效应贡献一般会超过60%①张阿玲，方栋：《温室气体二氧化碳的控制和回收利用》，北京：中国环境科学出版社，1996年。。以化石燃料为主要能源的CO2排放量占总CO2排放量的30%左右②Chris Hendricks, Carbon Dioxide Removal from Coal-Fired Power Plants. Department of Science,Technology and Society,University of Utrecht,The Netherlands.。再过几十年，化石燃料利用量的继续上升，将会使CO2排放量不断增加，假如不进行控制，CO2的排放超标会对环境造成严重的影响。

CO2回收再利用技术的研究已经是目前的一项非常重大的任务。工业生产碳酸氢铵工艺系统复杂，操作过程中危险系数高，不利于实验教学和科研，所以，设计一套既简单又容易操作的实验装置。

适合实验教学使用的氨法吸收CO2生产碳酸氢铵装置的设计文献未见报道。在没有实验装置参考的情况下，该实验装置的设计严格按照工厂生产碳酸氢铵工艺的设计标准，根据碳酸氢铵工艺流程、操作的安全性及环境友好等因素，对碳酸氢铵工艺的主要部分进行简化，又考虑到实验装置的规模、尺寸，结合实验教学的具体情况，通过物料及能量衡算，初步确定了氨法吸收CO2实验装置主要设备的尺寸参数及工艺流程。

1 实验装置设计基本要求

1.1 设计标准

该实验装置严格按照生产过程安全卫生要求总则（GB 12801）、大气污染物综合排放标准（GB 16297）、污水综合排放标准（GB 8978）、工艺系统工程设计技术规定（HG20570）、化工装置设备布置设计规定（HG 20546）、化工装置管道布置设计规定（HG/T 20549）、化工装置管道材料设计规定（HG/T 20646）、压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类（HG 20660）、压缩机、风机、泵安装工程施工及验收规范（GB 50275）和通风与空调工程施工及验收规范（GB 50243）等标准进行设计。

1.2 计算基准及主要参数

本实验装置的主要设计依据为：利用氨水来吸收燃煤电厂尾气中的二氧化碳生产碳酸氢铵。设计以烟道气进量1Nm3/h 为计算基准；模拟烟道气由CO2与空气混合而成，CO2由气瓶经过减压阀和流量计输出的流量约为2.3L/min，烟道气CO2的体积分数约为13%；吸收氨水的质量浓度为10%～15%之间。

设计CO2进气量为：2.3L/min；空气进气量为：14.4L/min；设计温度：25℃；设计压力：常压；吸收氨水质量浓度为10%～15%。

2 物料衡算和能量衡算

2.1 物料衡算

由图1，以整个系统做物料衡算，系统进料主要有烟道气、通过液氨补充的NH3以及水，出料主要是被吸收过后的尾气以及产品NH4HCO3。

进气空气的流量为14.4L/min，加入进入空气中的CO2气体的流量为2.3L/min，则混合气中CO2含量为：

假定CO2的回收率为90%，则每小时参加反应的CO2的量为：0.15×90%=0.1242Nm3

图1 物料衡算示意图

吸收CO2的主要反应如下：

NH3+CO2+H2O→NH4HCO3

取气体CO2的平均密度为1.96Kg/Nm3，则可以得到：

（1）补充NH3量：0.1242×1.96×≈94g/h

（3）预计NH4HCO3产量：437g/h

假设系统补充水全部以浓度为15%的稀氨水方式加入，NH3全部溶入稀氨水后，则有：

解得：x=17.65g/h。

则补充15%的氨水为100+x=117.65

解得：W（NH3·H2O）≈117.65g/h，W（NH3，g）≈17.65g/h。

计算结果如表1：

表1 进出物料一览表

图2 能量衡算示意图

2.2 能量衡算

系统的总的热量衡算示意图如图2，在整个CO2捕集装置的系统中，主要放热有NH3(g)溶解放热、反应放热以及NH4HCO3结晶热，这些热量主要通过液NH3气化和装置中的冷凝循环水带走。由于NH4HCO3放热相对于整个体系放热微乎其微，所以可以近似忽略。其热量衡算如下：

（1）NH3溶解放热的计算

查表得30℃时，NH3溶解放热为：149.6 kcal /kg。假设气NH3全部溶于水中，则：气NH3溶解放热Q1λ=149.6×20×10-3=2.992 kcal / h

（2）反应放热计算

所以，生成NH4HCO3（aq）反应放热为：

由1kcal/h=1.162W，Q总=3.642W

（3）换热面积计算

因为NH4HCO3在30℃以上时容易分解，所以要控制塔体反应体系的温度要在30℃以下，这就需要冷凝系统。我们在塔体的三段填料下面设置了不锈钢冷凝盘管。在夏天，用冰水作为冷凝水。假设体系运行的温度由35℃冷却至25℃，冷凝水温度由5℃上升至20℃。

热流体温度T ：35℃→25℃；冷流体温度t ：5℃→10℃；两段温度差Δt：20℃→25℃

查表可知，在20℃时，不锈钢的传热系数约为17W/(m2·℃)

我们实际选择的冷凝盘管材料为Φ10×1 不锈钢管，盘管的长度约为600mm，总共有三段，所以换热面积为：S =3 ×L ×IIR2=3 ×600 ×3.14 ×42=30432mm2。我们选用的冷凝盘管有足够的换热面积来满足体系的换热要求。

3 塔径的计算

填料塔直径仍采用①张洪流：《化工原理》（下册），上海：华东理工大学出版社，2006年，第104 -119 页。：

式中气体体积流量VS由设计任务1Nm3/h 为准，计算塔径的核心问题就是确定塔体气速μ。

3.1 空塔气速的确定

泛点气速法：泛点气速是填料塔操作气速的上线，填料塔的操作空塔气速必须小于泛点气速，操作空塔气速与泛点气速之比称为泛点率。

我们使用的填料为塑料规整填料，其泛点率经验值为：μ/μF=0.6～0.95

泛点率的选择主要考虑填料塔的操作压力和物系的发泡程度两方面的因素。设计中，对于加压的操作塔，应取较高的泛点率；对于减压操作的塔，应取较低的泛点率；对易起泡沫的物系，泛点率应取低限值；而无泡沫的物系，可取较高的泛点率。

泛点气速可用经验公式计算，即贝恩（Bain）——霍根(Hogan)关联式：

常数A 和K 与填料的形状及材质有关，在此，我们A 和K 以塑料孔板波纹填料，A 取0.291，K取1.563。用上式计算的泛点气速，误差在15%以内。

3.2 塔径的计算与圆整

4 液体喷淋密度的验算

填料塔的液体喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量，其计算式为：

为了使填料获得良好的湿润，塔内液体流量应不低于某一极限值，此极限值称为最小喷淋密度，以Umin表示。

对于我们的设计，采用的是规整填料，其最小喷淋密度可以从填料手册中查，设计中，通常Umin=0.2。实际操作时，采用的液体喷淋密度应大于最小喷淋密度。

5 填料层高度计算及分段

5.1 填料层高度计算

采用传质单元数法计算填料层高度，传质单元数法计算填料层高度的基本公式为：Z=HOG·NOG。

（1）传质单元数的确定

对逆流操作过程，由物料衡算关系有：V(Y-Y2)=L(X-X2)

所以，当吸收平衡线为直线（也即满足Y*=mX）时，则有：

积分并简化得到：

（2）传质单元高度计算

因为传质过程中影响因素十分复杂，对于不同的物系、不同的填料以及不同的流动状况与操作条件，传质单元高度各不相同，所以迄今为止，还没有通用的计算方法和计算公式。目前，在进行设计时多选用一些准数关联式或经验公式进行计算，其中应用较为普遍的是修正的恩田公式①谭天恩，麦本熙，丁惠华：《化工原理》（下册），北京：化学工业出版社，1998年，第31-49 页。。

修正的恩田公式为：

其中，

计算出NOG、HOG后，即可得到填料层的高度Z，但实际设计中，还应留出一定的安全系数。根据设计经验，填料层的设计高度一般为：

Z’=(1.2～1.5)Z

式中：Z’——设计时的填料高度，m；

Z ——工艺计算得到的填料层高度，m。

5.2 填料层的分段

液体沿填料层下流时，有逐渐向塔壁方向集中的趋势，形成壁流效应。壁流效应造成填料气液分布不均匀，使传质效率降低。因此我们根据实际设计出来的填料，把填料分为三段，在每段填料间安装液体再分布器。

6 液体分布器的设计

实验装置设计的液体分布器为重力型液体分布器，采用的是多空型式，其布液工作的动力为开孔上方的液位高度。多空型分布器布液能力的计算公式为：

式中：Ls——液体流量，m3/s；

n——开孔数目

Φ——孔流系数，通常取Φ=0.55～0.60；

d0——孔径，m；

ΔH——开孔上方的液位高度，m。

通过计算得到计算结果如表2：

表2 设备参数一览表

我们所用的填料可看成规整填料，临界表面张力σc=73dyn/cm，φ=0.75。

由修正的恩田公式计算出kGa 和kLa 后，可按下式计算气相总传质单元高度HOG：

7 实验装置工艺流程简述

氨法吸收二氧化碳实验装置流程示意图如图3。

本实验装置的模拟烟道气由CO2与空气混合而成，CO2由气瓶经过减压阀和流量计输出的流量约为2.3L/min，空气由空气压缩机经过减压阀和压力表，流量计输出，流量约为14.4L/min，配好的模拟烟道气进入吸收塔底部，在塔内烟道气由下而上，CO2被喷淋下来的氨水逆流吸收，出吸收塔后的气体再经过尾气吸收槽后放空。

氨水由高位槽泵输送到氨水高位槽，再从抽滤槽下侧部进入抽滤槽，通过母液循环泵输送到吸收塔顶部喷头喷淋而下，装置共三段分9 层，填料上与上升的模拟烟道气中的CO2充分传质传热，下流到鼓泡段中。鼓泡段设有冷却盘管，反应达到一定浓度后在鼓泡段冷却，形成结晶，气液混合物下流至抽滤槽中，在抽滤槽内的滤布上形成结晶碳酸氢铵，通过氨水高位槽不断补充体系反应的氨水量。

液氨气瓶出来的氨气通过减压阀，进入氨气缓冲罐，因为氨气气化需要吸热，所以在进入缓冲罐之前，通过在吸收塔鼓泡段的冷凝盘管，来吸收反应体系的热量。通过缓冲罐的氨气为气态的氨，通入吸收塔，以达到补充体系的氨量。

在冷凝水槽内注入约70%的水量，通过冷凝水泵提供动力，以及在塔体内的冷凝盘管最后又回到冷凝水槽。若是在夏天，需要在冷凝水槽加入冰块，确保达到较好的冷凝效果。

图3 氨法吸收二氧化碳实验装置流程示意图

8 结语

该实验装置具有结构简单、造价低、容易操作、以及安全可靠等特点，设计符合要求，适合在实验室内进行操作。

该实验装置的设计任务已经基本完成，下一步的主要工作是实验设备的安装和调试，由于实验设备工艺流程比较复杂，操作具有一定的危险性，设备安装和调试必须在具有专业知识的安装人员的指导下，严格按照工艺流程、工艺设备参数及安全标准进行安装调试。实验装置投入运行后，实验老师必须制定实验指导书和设备操作的注意事项，学生在实验的过程中，指导老师不得离开，确保实验及人员的安全。