[發明專利]一種多段膜吸收脫除二氧化碳的方法及裝置

在審

• 申請號: 202010430131.9
• 申請日: 2020-05-20
• 公開（公告）號: CN113491927A
• 公開（公告）日: 2021-10-12
• 發明（設計）人: 范益群;龔大為;邱鳴慧;符開云;孔祥力;徐鵬;陳獻富
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: B01D53/14
• 分類號: B01D53/14;B01D53/22;B01D53/62;B01D53/78;G16C20/10
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司 32243
• 代理人: 鄧唯

1.一種多段膜吸收空氣脫除二氧化碳的方法，其特征在于，包括如下步驟：

第1步，對含有CO₂的氣體采用疏水性多孔膜進行膜吸收方法初步脫除CO₂；

第2步，對第1步處理后的氣體采用親水性多孔膜進行膜吸收方法進一步脫除CO₂。

2.根據權利要求1所述的多段膜吸收空氣脫除二氧化碳的方法，其特征在于，在一個實施方式中，上述的第1步或第2步中的膜吸收過程中，吸收液采用無機堿或者胺類化合物作為吸收劑；

在一個實施方式中，所述的無機堿選自NaOH或者KOH；

在一個實施方式中，無機堿的質量濃度范圍是1-30wt％。

3.根據權利要求1所述的多段膜吸收空氣脫除二氧化碳的方法，其特征在于，在一個實施方式中，胺類化合物選自包括甲基二乙醇胺在內的一級醇胺、二級醇胺、三級醇胺、空間位阻胺和環狀有機胺等中的一種或多種；

在一個實施方式中，胺類化合物的質量濃度范圍可以是5-40wt％。在一個實施方式中，含有CO₂的氣體中CO₂總含量為1～30wt％。

4.根據權利要求1所述的多段膜吸收空氣脫除二氧化碳的方法，其特征在于，在一個實施方式中，親水性多孔膜的孔徑范圍0.05～3μm，水滴接觸角范圍小于50°；在一個實施方式中，疏水性多孔膜的孔徑范圍0.05～3μm，水滴接觸角范圍90-170°；

在一個實施方式中，第2步中經過處理后的如上所述的胺類化合物吸收液可經過升溫使CO₂從吸收液中解吸使吸收液再生。

5.一種多段膜吸收空氣脫除二氧化碳裝置，其特征在于，包括：

相互串聯的疏水性多孔膜和親水性多孔膜；

吸收液輸送管，與親水性多孔膜的液相一側連接；

含CO₂的氣體輸入管，與疏水性多孔膜的氣相一側連接。

6.根據權利要求5所述的多段膜吸收空氣脫除二氧化碳裝置，其特征在于，在一個實施方式中，疏水性多孔膜的氣相一側的氣體出口連接于親水性多孔膜一側的氣體進口；

在一個實施方式中，親水性多孔膜的液相一側的液體出口連接于疏水性多孔膜一側的液體進口。

7.根據權利要求5所述的多段膜吸收空氣脫除二氧化碳裝置，其特征在于，在一個實施方式中，還包括氣體預處理裝置，用于對供入親水性多孔膜的氣體進行預處理；在一個實施方式中，所述的氣體預處理裝置是過濾裝置，用于去除氣體中的顆粒物；

在一個實施方式中，親水性多孔膜是管式陶瓷膜，管內為吸收液側，管外為氣體側；孔徑范圍0.05～3μm，水滴接觸角范圍小于50°

8.根據權利要求5所述的多段膜吸收空氣脫除二氧化碳裝置，其特征在于，在一個實施方式中，疏水性多孔膜是管式陶瓷膜，管內為吸收液側，管外為氣體側；孔徑范圍0.05～3μm，水滴接觸角范圍90-170°。

9.親水性多孔膜聯合疏水性多孔膜在用于基于膜吸收過程中用于分離氣體中CO₂的應用。

10.一種CO₂膜吸收過程中的傳質系數的計算方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)疏水膜上的CO₂總傳質系數通過下式計算：

其中，K_G為總傳質系數(m·s^-1)，k_s、k_t、k_m分別表示殼程傳質系數(m·s^-1)、管程傳質系數(m·s^-1)、膜程傳質系數(m·s^-1)，d_o、d_i、d_lm分別為疏水膜膜管的外徑(m)、內徑(m)和平均對數直徑(m)，R為理想氣體常數(J·mol^-1·K^-1)，H為亨利系數(m³Pa mol^-1)，T為吸收劑溫度(K)，E為化學反應增強因子；

其中，殼程傳質系數(k_s)通過求解以下方程得到：

Sh_s＝0.57Re_s^0.31Sc_s^0.33

其中，Sh_s為殼程謝伍德數，Re_s為殼程雷諾數，Sc_s為殼程施密特數，u_G為氣體流速(m·s^-1)，v_G為氮氣運動粘度系數(m²s^-1)，為CO₂在氣相中的擴散系數(m²·s^-1)；

其中，管程傳質系數(k_t)通過求解以下方程得到：

Sh_t＝1.62Gz_t^0.33u_L^1.86

其中，Sh_t為管程謝伍德數，Gz_t為管程格雷茨數，u_L為液體流速(m·s^-1)，L為膜管有效長度(m)，為CO₂在液相中的擴散系數(m²·s^-1)；

其中，膜程傳質系數(k_m)通過求解以下方程得到：

其中，為CO₂在膜孔孔道內的擴散系數(m²·s^-1)，ε為膜管管壁的孔隙率，τ為膜管管壁的曲折因子，δ膜管管壁的壁厚(m)；

通過下式計算出：

增強因子(E)通過求解以下方程得到：

其中，Ha為Hatta數，

k_E是反應速率(m³·mol^-1·s^-1)，是CO₂在液體中的擴散速率(m²·s^-1)，c_OH-,L是吸收液中NaOH濃度(mol·m^-3)，k_L是液相傳質系數(m·s^-1)；

其中，E_i代表的是瞬時反應增強因子，

是CO₂的氣相濃度(mol·m^-3)，D_OH-,L是OH^-在液相中的擴散速率(m²·s^-1)。

(2)親水膜上的CO₂總傳質系數通過下式計算：

其中，K_G為總傳質系數(m·s^-1)，k_s、k_t、k_m分別表示殼程傳質系數(m·s^-1)、管程傳質系數(m·s^-1)、膜程傳質系數(m·s^-1)，d_o、d_i、d_lm分別為疏水膜膜管的外徑(m)、內徑(m)和平均對數直徑(m)，R為理想氣體常數(J·mol^-1·K^-1)，H為亨利系數(m³Pa mol^-1)，T為吸收劑溫度(K)，E為化學反應增強因子；

其中，殼程傳質系數(k_s)通過求解以下方程得到：

Sh_s＝0.57Re_s^0.31Sc_s^0.33

其中，Sh_s為殼程謝伍德數，Re_s為殼程雷諾數，Sc_s為殼程施密特數，u_G為氣體流速(m·s^-1)，v_G為氮氣運動粘度系數(m²s^-1)，為CO₂在氣相中的擴散系數(m²·s^-1)；

其中，管程傳質系數(k_t)通過求解以下方程得到：

Sh_t＝1.62Gz_t^0.33u_L^1.86

其中，Sh_t為管程謝伍德數，Gz_t為管程格雷茨數，Sc_t為管程斯密特數，Re_t為管程雷諾數，u_L為液體流速(m·s^-1)，L為膜管有效長度(m)，為CO₂在液相中的擴散系數(m²·s^-1)；

其中，膜程傳質系數(k_m)通過求解以下方程得到：

其中，為CO₂在膜孔孔道內的擴散系數(m²·s^-1)，ε為膜管管壁的孔隙率，τ為膜管管壁的曲折因子，δ膜管管壁的壁厚(m)；

可以通過下式計算出：

其中，增強因子(E)通過下式計算得到：

Hatta數Ha通過正式計算得到：

k_E是反應速率(m³·mol^-1·s^-1)，是CO₂在液體中的擴散速率(m²·s^-1)，c_OH-,L是吸收液中NaOH濃度(mol·m^-3)，k_L是液相傳質系數(m·s^-1)；

其中，E_i代表的是瞬時反應增強因子，由如下方程計算：

是CO₂的氣相濃度(mol·m^-3)，D_OH-,L是OH^-在液相中的擴散速率(m²·s^-1)。