脱除和浓缩co2的膜气体吸收技术的开发

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1、脱除和浓缩CO2的膜气体吸收技术的开发陆建刚，王连军*（南京理工大学化工学院南京210094）温室效应是影响地球气候变化的主要因素，已引起世界各国的高度重视，而温室气体CO2的排放量主要来自工业领域，如火力发电、石油化工、冶金企业、医药工业、食品发酵领域等。如何减少全球CO2的排放量缓解温室效应，关系到人类的生存和发展，研究高效低能耗可行的分离和回收CO2技术有其重要的意义。用来分离和脱除CO2的技术包括各种物理和化学处理方法，如溶剂吸收、变压吸附、深冷分离和膜分离等。膜接触器在技术可靠性和经济性方面显示出突出的优势，被认为具有很大应用潜

2、力的技术之一[1]。膜基气体吸收(简称膜吸收)，是膜分离技术与气体吸收技术相结合的新型分离装置，通常使用微孔中空纤维膜（气液膜接触器）将气液两相分开，气相中的组份（如CO2等）在驱动力作用下，通过膜孔扩散至液相，并被液相吸收，从而达到分离的目的。与传统气液吸收装置（如鼓泡吸收器，填料塔，喷淋塔等）相比，膜接触器具有传质效率高，能耗低，装置体积小，操作稳定和弹性大等优势，国内外研究人员正在开发利用膜接触器分离混合气中酸性气体（CO2、H2S、SO2、NOx等）。1985年Cussler等人[2]首次利用中空纤维膜接触器吸收气体，研究了其传质

3、过程；其后国外在这方面研究十分活跃[3，4]；国内高校等也开展了相关的研究[5，6]。研究所涉及内容包括膜材料及结构形态、膜组件结构等对传质性能的影响，吸收溶剂的选择，操作条件对吸收性能的影响等。本文研究了采用N-甲基二乙醇胺（MDEA）溶液和添加活化剂AII的MDEA混合溶液作为吸收剂，PP中空纤维膜接触器分离N2/CO2体系，建立了膜接触器吸收－再生连续循环实验室装置，研究了操作条件对吸收过程和传质性能的影响，并提出了相应的数学模型预测总传质系数，结合实验结果对膜接触器分离N2/CO2过程进行了分析，比较了模型计算值和实验值，得出相关

4、结论。1气液膜接触器原理和传质模型1.1膜组件结构及操作形式气液膜接触器包括接触器和溶液两部分，膜接触器涉及膜材质、膜形态和膜组件结构。膜接触器中微孔中空纤维PP是高分子聚合物，按溶剂和膜湿润性关系分为疏水性膜和亲水性膜，在操作过程中疏水膜膜孔充满气体(非湿润模式)，见图2；而亲水膜膜孔充满液体(湿润模式)，见图3。通常对于气体吸收，疏水膜阻力小于亲水膜。为维持膜两侧压力平，气液两相间操作压差不能超过膜临界压力（即湿润压力），临界压力可由Young-Laplace方程决定：Pcritical＝2γCosθ/r（1）显然选择高疏水性、膜孔较

5、小的膜可获得较高的临界操作压力，能维持膜孔充满气体而获得最小膜阻力。对于采用中空纤维管壳式膜接触器，膜组件结构根据流体在壳侧流动的方式有平行流和错流结构，见图1。本实验采用平行流结构，非湿润模式，气相在管侧流动，液相在壳侧流动。作者简介：陆建刚，男，博士生，高级工程师，专业：环境科学与工程，E-mail：jglu6161@hotmail.com*联系人：王连军，男，博士，教授，博士生导师，E-mail：wanglj@mail.njust.edu.cn7(a)(b)(c)(d)Fig.1Schematicdesignofmembraneco

6、ntactor.（a）parallel-flowconfiguration（b,c,d）transverse-flowconfigurationFig.2Non-wettingmodeFig.3wettingmode1.2传质模型1.2.1传质过程的双膜理论膜基气体吸收传质过程可用双膜理论来描述，当传质过程处于稳定状态时，在膜两侧分别形成气相边界层和液相边界层，见图4。气相组份i（＝CO2）在浓度差作用下，从气相主体扩散至气相边界层，再通过膜孔扩散至液相边界层，与吸收剂发生化学反应，进入液相主体。传质过程经历了气相边界阻力层（1/kg），

7、膜相阻力层（1/kM）和液相边界阻力层（1/(HEkL)），总阻力方程描述如下：1/Kov＝1/kg＋1/kM＋1/(HEkL)（2）式中膜传质系数kM可通过Fick定律推导出计算式，气液相分传质系数kg和kL通过无因次准数Sh、Re和Sc以Sh=aRebScc形式关联得到，E和H分别为液相化学反应增强因子和Henry常数。71/kg1/kM1/（HEkL）Fig.4Masstransferregions,dominantresistancesandchemicalreactionsinliquidinmembranecontactor1

8、.2.2膜传质系数kM的计算CO2在膜孔中扩散与膜结构形态及扩散状态有关，根据Fick定律可得出下式：kM＝Dgε/（δτ）（3）其中扩散系数〔7〕：1/Dg＝1/DiD＋1/Dk（4）式中D