面向CO2捕集的相变吸收剂开发及应用研究
CO2作为最主要的温室气体，减少CO2排放从而减缓全球气候变暖是全世界共同面临的挑战。在CO2捕集技术中，化学吸收法是工艺最成熟的方法，但捕集能耗过高限制了其广泛应用。为降低能耗，自2009年出现的相变吸收剂引起了广泛的关注。相变吸收剂吸收CO2后发生分相，CO2富集在一相，仅CO2富液相送入解吸塔，减少了进入解吸塔的液量从而降低了解吸能耗。 目前相变吸收剂原料成本较高，形成机理尚不明确且缺少与之对应的解吸工艺，本文针对以上问题提出了基于盐析效应和助溶效应制备相变吸收剂的方法，并将膜闪蒸技术应用于相变吸收剂解吸过程，有效解决了相变吸收剂下液相粘度大不利于传质的关键难点。 本文将胺与CO2反应视为成盐反应，利用盐析效应可形成相分离的现象，以工业常用的MEA为例开发了MEA+正丙醇/异丙醇/叔丁醇+水的相变吸收剂，吸收剂吸收CO2后分相，醇富集在上液相，CO2富集在下液相，下液相CO2负载最高为4.47mol/kg，粘度可达77.00mpa·s。吸收解吸实验表明所有MEA相变吸收剂的吸收速率均大于相同浓度下MEA水溶液，在最优配比下CO2循环处理量为2.59mol/kg，较30％MEA提高了62％。 为进一步考察相变吸收剂形成的机理和形成液-液两相的规律，应用胺的盐酸盐代替胺与CO2反应生成的盐构建胺的盐酸盐+有机溶剂+水体系，研究了有机溶剂和盐对该体系形成液-液两相的影响规律。结果表明，有机溶剂浓度在50％～70％之间时，有机溶剂极性和介电常数越小，盐浓度越大，体系形成液-液两相的能力越强。应用以上规律，利用盐析效应开发了不同组成的相变吸收剂并实现了相变吸收剂的性能优化。 针对利用盐析效应无法形成相变吸收剂的胺，本文将胺视为一种助溶剂，提出了更为普适的基于助溶效应开发相变吸收剂的方法。以MDEA为例，开发了MDEA+正丁醇/正戊醇/正己醇+水的相变吸收剂，正丁醇/正戊醇/正己醇+水体系在加入助溶剂MDEA后均相，吸收CO2后，MDEA浓度降低，与水不互溶的醇与水形成液-液两相。吸收解吸实验表明所有MDEA相变吸收剂的吸收速率均大于相同浓度下的MDEA水溶液，在最优配比下CO2循环处理量为2.48mol/kg，较30％MDEA提高了75.9％。 针对相变吸收剂下液相粘度过大不利于解吸的问题，本文利用膜闪蒸过程增大解吸过程的传质面积和传质推动力，实现相变吸收剂下液相的解吸。对不同配比的MDEA+正丁醇+水相变吸收剂，在最优条件下，吸收剂在膜器内停留时间仅为数秒，CO2的解吸率均高于80％，最高可达91.98％。在此基础上，提出适用于相变吸收剂的工艺流程，利用相变现象和膜闪蒸技术实现降低CO2捕集能耗的目标。 综上所述，本文提出了基于盐析效应和助溶效应开发相变吸收剂的方法及与之匹配的工艺流程，为相变吸收剂工业化应用奠定了基础，同时为大幅降低CO2捕集能耗提供了一种可行方案。
相变吸收剂;制备工艺;二氧化碳捕集
北京化工大学
博士
化学工程与技术
张卫东
2017
中文
TQ424
150
2017-08-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）