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        中空纖維膜接觸器中N,N-二甲基乙醇胺吸收CO2的特性

        2022-04-26 09:52:44吳佳佳潘振商麗艷孫秀麗孫超孫祥廣
        化工進(jìn)展 2022年4期
        關(guān)鍵詞:殼程吸收劑傳質(zhì)

        吳佳佳,潘振,商麗艷,孫秀麗,孫超,孫祥廣

        (1 遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院,遼寧 撫順 113001;2 遼寧石油化工大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院,遼寧 撫順113001;3 中國石油管道局工程有限公司,河北 廊坊 065000;4 撫順市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所,遼寧 撫順 113001)

        隨著全球能源結(jié)構(gòu)向低碳化、多元化轉(zhuǎn)型,在加快發(fā)展非化石能源的同時(shí),如何清潔利用化石能源仍然是一個(gè)焦點(diǎn)問題。天然氣作為一種清潔環(huán)保的優(yōu)質(zhì)能源已經(jīng)成為能源轉(zhuǎn)型中一股不可忽視的力量。天然氣作為一種烴類氣體混合物,除了含有90%以上的甲烷外,還含有少量C~C烷烴和CO、HS等酸性氣體。天然氣中的CO不僅會對管道和設(shè)備造成腐蝕,還會降低天然氣的熱值。此外,溫度降低時(shí),CO會凝結(jié)成干冰,有可能會堵塞管道和設(shè)備。在國家標(biāo)準(zhǔn)《天然氣》(GB 17820—2018)中規(guī)定,一類天然氣中二氧化碳的摩爾分?jǐn)?shù)不得大于3%。天然氣的脫碳方法眾多,只有選擇合適的脫碳工藝,才能高效安全穩(wěn)定地進(jìn)行天然氣脫碳處理。目前,CO的脫除方式主要有吸收、吸附、膜分離、低溫蒸餾等。其中,膜吸收法是目前比較常用的分離方法之一。膜吸收法是利用中空纖維膜接觸器將吸收劑與CO接觸的一種新方法。與傳統(tǒng)吸收方法相比,該方法具有較寬的氣液接觸空間、較小的工具、易于放大的模塊化特性以及易于單獨(dú)設(shè)置的氣液流量,可解決傳統(tǒng)吸收塔能耗大、設(shè)備安裝量大的問題。

        迄今為止,基于對CO吸收率、吸收能力和再生能耗的綜合評價(jià),已經(jīng)對大量胺基吸收劑吸收CO的性能進(jìn)行了檢驗(yàn)。吸收劑的選擇對中空纖維膜接觸器脫除天然氣中的CO有重要影響,烷醇胺溶液和混合胺溶液是最常見、使用最廣泛的,該技術(shù)在行業(yè)中的應(yīng)用比較成熟。目前廣泛用于CO脫除的胺類吸收劑包括伯胺、仲胺和叔胺,其中最具代表性的胺類有單乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、甲基二乙醇胺(MDEA)。MEA與DEA吸收CO時(shí),均生成穩(wěn)定的氨基甲酸酯,溶劑再生需要消耗大量的能量。而DMEA 作為一種叔胺,其N原子上沒有連接H原子,吸收CO的反應(yīng)原理與MDEA相似,均生成亞穩(wěn)態(tài)的碳酸氫鹽而不是氨基甲酸鹽。它們具有更高的CO吸收能力和更少的再生能耗,因此被認(rèn)為是有前途的吸收劑。然而,CO吸收效率低限制了叔胺在大規(guī)模CO捕集中的應(yīng)用。為了克服這一瓶頸,開發(fā)基于叔胺體系的高效吸收劑是很有必要的。

        本文選取了MEA、DEA、MDEA 和DMEA 四種吸收劑在不同的CO濃度、吸收劑濃度、氣體流速和吸收劑流速條件下對混合氣體進(jìn)行脫碳,并模擬了這4 種吸收劑的脫碳性能。研究發(fā)現(xiàn),與其他幾種溶液相比,DMEA 溶液具有良好的抗降解性,比MDEA 溶液具有更好的CO吸收率和CO吸收能力。

        1 模型開發(fā)

        采用對稱中空纖維膜接觸器作為膜組件吸收CO,用COMSOL Multiphysics軟件建立中空纖維膜接觸器內(nèi)部吸收CO的二維非潤濕模型(圖1)。該膜接觸器分為3個(gè)部分,即管程、膜和殼程,吸收劑和天然氣分別在管程和殼程中流動(dòng)。在這種情況下,氣體混合物從=邊界進(jìn)入殼程,而吸收劑從=0的邊界供給到管側(cè)。模型模擬中使用的膜接觸器見表1。

        表1 中空纖維膜接觸器參數(shù)

        圖1 中空纖維膜接觸器

        為了建立全面的數(shù)學(xué)模型,對本模型作出以下假設(shè):

        (1)模型在穩(wěn)態(tài)和等溫條件下建立;

        (2)膜材料性質(zhì)沿纖維長度均勻分布;

        (3)管程內(nèi)的液體吸收劑呈現(xiàn)出充分發(fā)展的層流拋物線分布,且與濃度分布滿足軸對稱;

        (4)殼程內(nèi)氣體為理想氣體,應(yīng)用Happel 自由表面模型來預(yù)測殼程內(nèi)的氣體速度分布;

        (5)氣液兩相流速恒定,并且在膜接觸器中逆流;

        (6)膜接觸器操作狀態(tài)分為非潤濕和部分潤濕兩種;

        (7)氣液界面氣液平衡適用亨利定律。

        基于上述假設(shè),所有3個(gè)區(qū)域中的一系列穩(wěn)態(tài)連續(xù)性方程推導(dǎo)如下。

        1.1 管程

        管程中物質(zhì)的輸送考慮了同時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散和對流,因此穩(wěn)態(tài)連續(xù)性方程可如式(1)。

        式中,表示CO或吸收劑;、和分別是該物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)、濃度和速度;R是氣相和液相之間的反應(yīng)速率。

        假設(shè)管內(nèi)液體遵循牛頓層流,速度分布如式(2)。

        1.2 膜截面

        膜中的物質(zhì)平衡只考慮氣體在膜孔中的擴(kuò)散,膜中CO傳質(zhì)的控制方程如式(3)所示。

        考慮到膜彎曲度和孔隙率的影響,CO在膜截面的擴(kuò)散系數(shù)如式(4)所示。

        式中,和分別表示膜的孔隙率和彎曲度。

        1.3 殼程

        氣流流過殼程,沒有化學(xué)反應(yīng)。因此,殼程的傳質(zhì)只考慮了擴(kuò)散和對流的影響。穩(wěn)態(tài)連續(xù)性方程如式(5)所示。

        氣體在殼程的速度分布可以根據(jù)應(yīng)用的Happel自由表面模型來描述[式(6)]。

        式中,是纖維外半徑;表示Happel 半徑,可計(jì)算為[式(7)]。

        式中,是膜組件的堆積密度。

        微分方程的初始條件和邊界條件見表2。

        表2 管程、膜截面和殼程三區(qū)域控制微分方程的初始條件和邊界條件

        2 反應(yīng)機(jī)理和模型驗(yàn)證

        2.1 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理

        本研究觀察了不同化學(xué)吸收劑的CO吸收特性,選取了3種最具代表性的伯胺、仲胺和叔胺溶液與DMEA 溶液的物化性和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行比較,幾種溶液的分子結(jié)構(gòu)如圖2所示。Jin等通過實(shí)驗(yàn)研究了MEA和DEA溶液對CO的吸收。CO在液膜中擴(kuò)散時(shí),與溶質(zhì)進(jìn)行反應(yīng),降低了液膜的阻力,使吸收效率高于物理吸收。有關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在叔胺溶液吸收CO體系中,遵循Donaldson 和Nguyen 提出的堿催化水和機(jī)理,不直接與CO反應(yīng),而是通過游離胺與水之間形成的氫鍵增強(qiáng)CO與水反應(yīng)的活性,而叔胺在這個(gè)過程中起到與催化劑類似的作用,促進(jìn)CO與水的反應(yīng),達(dá)到吸收CO的目的。與常規(guī)胺溶液相比,DMEA由于CO吸收率相對較高、CO吸收能力較強(qiáng)以及反應(yīng)熱較低顯示出巨大的潛力。

        圖2 所研究胺吸收劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)

        CO捕獲中涉及的化學(xué)反應(yīng)可以表示為式(8)~式(11)。

        動(dòng)態(tài)模型的計(jì)算需要了解二氧化碳吸收過程中涉及的物理化學(xué)性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)參數(shù),這些參數(shù)在模擬中用作輸入?yún)?shù)(表3)。

        表3 理化性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)

        2.2 模型驗(yàn)證

        在膜吸收過程中,膜組件中CO流量和MEA溶液濃度的分布圖如圖3(a)~(c)所示。在殼程氣相入口(=),CO濃度最高,在管段液相入口(=0)CO濃度為零。由于膜內(nèi)外CO濃度的差異,在濃度差異的促進(jìn)下,CO通過纖維膜孔隙擴(kuò)散到膜接觸器中的液相邊界層。它在氣液界面與吸收劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng),并被管中的逆流吸收劑帶走。因此,隨著CO濃度在軸向方向上的降低,在氣液接觸區(qū)域發(fā)生了相同的軸向濃度變化。

        圖3 膜接觸器中氣液濃度分布

        本研究選擇的4種吸收液均屬于胺溶液。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中使用的膜組件尺寸(表1),建立數(shù)學(xué)模型。通過用濃度為1mol/L的MEA溶液吸收不同氣體速度下的CO,進(jìn)行了模型驗(yàn)證。將模型的預(yù)測值與相同條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。模型的去除效率與實(shí)驗(yàn)值一致(圖4)。當(dāng)MEA 溶液的濃度為1mol/L 時(shí),隨著氣體流速的增加,去除效率的實(shí)驗(yàn)值從83.5%逐漸降低為53.5%,而模擬值從86.01%降低為56.28%。最大小于5%,平均差為3.11%。由于模型中沒有考慮到膜組件在實(shí)際過程中長期運(yùn)行的影響,因此預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間存在一定的誤差。但總體趨勢相似,誤差在允許范圍內(nèi),因此可以證明該模型在預(yù)測脫碳效率方面是可行的。該模型能可靠地模擬天然氣的脫碳過程,并且方便、準(zhǔn)確地計(jì)算CO的脫碳效率。

        圖4 建模預(yù)測與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的CO2脫除效率比較

        3 結(jié)果與討論

        為了比較模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的脫碳效果,選擇脫碳率和傳質(zhì)率作為驗(yàn)證指標(biāo),如式(12)、式(13)所示。

        式中,為脫碳效率,%;為CO傳質(zhì)速率,mol/(m·s);和分別為氣體的進(jìn)出口流量,m/s;和分別為進(jìn)出口氣體中CO的體積分?jǐn)?shù),%;為氣體溫度,K;為膜接觸面積,;和分 別 為 進(jìn) 出 口 氣 相 中CO體 積 濃度,%。的定義如式(14)。

        3.1 氣體流速的影響

        通過在0.4~0.8m/s 范圍內(nèi)增加氣體流速,研究了氣體流速對4種醇胺溶液脫碳效率的影響。如圖5所示,不同吸收劑的模擬結(jié)果表明,增加氣體速度對CO吸收性能有促進(jìn)作用,即增加氣體速度可以增強(qiáng)氣相中的傳質(zhì),從而增強(qiáng)通過膜的傳質(zhì)。隨著氣體流速的增加,1mol/L 的MEA、DEA、MDEA 和DMEA 的脫碳效率分別降低了45.39%、40.51%、39.33%和40.84%,這與文獻(xiàn)[30]中的趨勢相似。氣體流速的增加使膜內(nèi)壁邊界層變薄,降低了氣相傳質(zhì)阻力,提高了總傳質(zhì)系數(shù)和傳質(zhì)速率。然而,隨著氣體流速的增加,氣體在殼程停留時(shí)間大大縮短,一些CO沒有通過膜孔與吸收液接觸,從而導(dǎo)致膜組件氣體出口處CO濃度增加,并且降低了CO的去除效率。

        圖5 氣體流量對脫碳效率和CO2出口濃度的影響

        3.2 液體流速的影響

        液體流速通常被認(rèn)為是對CO吸收過程有顯著影響的關(guān)鍵操作參數(shù)。圖6 顯示了在流速為0.2~0.7m/s時(shí),4種吸收劑的脫碳效率。隨著液相流速增大,CO的去除效率逐漸增加。吸收劑流速的增加使膜絲表面的流速增加,液相邊界層變薄,有效氣液接觸面積增大,提高了液相傳質(zhì)系數(shù)和CO吸收率。然而,液體流速的增加導(dǎo)致膜潤濕性的變化,傳質(zhì)阻力增加,影響脫碳效率。模擬結(jié)果表明,當(dāng)液體流量達(dá)到0.5m/s 時(shí),CO去除效率的提高變慢。因此,在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中控制液體流速可以降低膜潤濕的概率,從而降低能耗,提高吸收率。

        圖6 液體流量對脫碳效率的影響

        3.3 CO2入口濃度的影響

        根據(jù)來源不同,天然氣中含有5%~55%的CO。因此,本節(jié)中模擬了含9%~20%CO的天然氣的脫碳過程。圖7顯示了當(dāng)吸收劑濃度保持不變時(shí),CO去除效率隨著CO含量的增加而減少。這是因?yàn)樵诒3秩芙舛纫欢ǖ那闆r下,參與滲透反應(yīng)的CO的量一定,增加CO濃度,使不參與滲透反應(yīng)的CO的量增加,導(dǎo)致CO的去除效率降低。另一方面,隨著CO含量的增高,CO傳質(zhì)速率增加。此外,當(dāng)天然氣中CO為10%時(shí),4 種吸收液的CO去除效率均高于90%;對于含有20%CO的氣體混合物,DEA、MDEA 和DMEA 的CO去除效率降低至50%~55%,MEA 溶液的去除效率為68.34%。這種現(xiàn)象是由于液體的不斷消耗導(dǎo)致溶液的匱乏,最終影響了去除效果。

        圖7 CO2入口濃度對脫碳效率的影響

        3.4 吸收劑濃度的影響

        醇胺溶液濃度對膜吸收過程的傳質(zhì)性能起著重要作用。圖8 顯示了不同濃度的吸收劑對CO的去除效率。根據(jù)兩相理論,CO的吸收主要發(fā)生在液相邊界層,CO從殼程通過膜孔隙進(jìn)入液相邊界層,被吸收劑迅速吸收。盡管DEA、MDEA 和DMEA 溶液的脫碳效率低于MEA 溶液,但脫碳效率隨著濃度的增加而迅速增加,這與文獻(xiàn)結(jié)果一致。此外,胺濃度的增加會使胺溶液的黏度增加,表面張力降低。根據(jù)Laplace-Young 方程,低表面張力可以降低突破壓力,更容易潤濕膜孔。另一方面,隨著醇胺溶液濃度的增加,富CO液體溶液中的水分減少,吸收劑再生能耗降低。因此,為了保持脫碳效率和能耗之間的平衡,應(yīng)慎重考慮醇胺溶液的濃度范圍。

        圖8 吸收劑濃度對脫碳效率的影響

        3.5 兩種參數(shù)的影響

        在該部分中,最重要的影響因素和最佳操作條件由兩種參數(shù)共同作用確定,包括氣體流速(0.4~0.8m/s)、液體流速(0.2~0.7m/s)和吸收劑濃度(0.6~1.6mol/L)。圖9 顯示了氣體和吸收劑參數(shù)對CO去除效率的影響的三維圖。通過模擬分析,各參數(shù)對脫碳效率的影響順序?yàn)椋何談舛龋練怏w流速>吸收劑流速。在這種情況下,吸收劑濃度是影響DMEA溶液吸收CO過程的最重要因素,吸收劑濃度的變化顯著加速了氣體與吸收劑之間的化學(xué)反應(yīng)。為了提高CO的去除效率,在這種情況下,確定了最佳操作條件,即0.5m/s 的氣體流速、0.4m/s的液體流速和1.2mol/L的DMEA溶液。

        圖9 氣體和液體條件對CO2吸收影響的3D趨勢圖

        4 結(jié)論

        建立了二維中空纖維膜接觸器脫除CO的數(shù)值模型,綜合考慮了不同操作條件和膜結(jié)構(gòu)尺寸對MEA、DEA、MDEA 和DMEA 溶液吸收CO的特性研究。三維濃度分布圖顯示了膜組件中CO和吸收劑濃度的變化,根據(jù)模擬結(jié)果得出以下結(jié)論。

        (1)DMEA 溶液作為吸收劑具有較高的CO脫除效率和傳質(zhì)性能。數(shù)據(jù)圖比較表明,4種吸收劑脫碳性能為MEA>DMEA>DEA>MDEA。但DMEA溶液比MEA 溶液具有更低的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和再生能耗,并且DMEA 溶液的CO吸收效率和CO吸收能力高于MDEA溶液。

        (2)增加吸收劑流速、濃度以及降低氣體流速,可以增加CO脫除效率。CO吸收通量隨吸收劑流速和吸收劑濃度的增加而增加。通過兩種參數(shù)共同作用,可獲得最佳工作條件和主要影響因素。數(shù)據(jù)圖比較表明,這3 個(gè)因素的脫除效率表現(xiàn)為:吸收劑濃度>氣體流速>吸收劑流速。但是,作為最重要的影響因素,增加吸收劑濃度,液相邊界層中吸收CO的活性組分濃度增加,使得液膜中的CO濃度迅速降低,液膜阻力也降低,從而提高CO的去除效率。

        (3)中空纖維膜吸收CO的數(shù)學(xué)模型還可以用于對煙氣、沼氣、煤層氣等進(jìn)行脫硫脫碳處理。在這項(xiàng)研究中,只對CO氣體進(jìn)行脫除。因此,為了滿足實(shí)際氣體的凈化要求,同時(shí)吸收不同類型的氣體,新模型的開發(fā)將在后續(xù)工作中得到改進(jìn)和發(fā)展。

        ,—— 進(jìn)出口氣相中CO體積分?jǐn)?shù),%

        —— CO傳質(zhì)速率,mol/(m·s)

        ,—— 進(jìn)出口流量,m/s

        —— 膜接觸面積,m

        —— 氣體溫度,K

        —— 膜的孔隙率

        —— 脫碳效率,%

        —— 膜組件的堆積密度

        —— 膜的彎曲度

        ,—— 進(jìn)出口氣體中CO的體積分?jǐn)?shù),%

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