CN114904365B - 一种用于二氧化碳分离的液-液分相吸收剂 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于CO2分离的液‑液分相吸收剂,该吸收剂以N‑甲基二乙醇胺为主体,包含活化剂、有机溶剂及水,其中N‑甲基二乙醇胺的质量百分比为20‑40%;活化剂的质量百分比为0‑20%;有机溶剂的质量百分比为20‑50%,水的质量百分比为10‑50%;所述液液分相吸收剂吸收CO2前为均一液相,吸收CO2后自发形成液液两相,其中一相为CO2较少的贫液相,另一相为CO2富集的富液相,并可根据CO2气源的特点,优化液液分相吸收剂的配比,得到期望的富液相和贫液相分布,从而降低进入解吸单元的富液相的量,实现降低CO2解吸能耗的目的。
Description
技术领域
本发明属于气体分离技术领域,具体涉及一种用于二氧化碳分离的液-液分相吸收剂。
背景技术
自工业革命以来,随着人类使用化石燃料和工业生产的加剧,CO2在大气中的浓度不断增加,导致全球温室效应明显增强。全球变暖引起的极端天气频发、疾病滋生和蔓延及农作物减产使人类生存环境面临重大挑战。基于当前对气候变化的认识,在全球范围内减少CO2排放,减缓全球温室效应,是目前各国最重要的工作。化学吸收法是工业应用最成熟的CO2捕集方法,但其捕集能耗过高限制了工业应用。
在CO2捕集过程中,解吸过程的能耗是主要能耗。在CO2解吸过程中无用的水蒸发潜热和升温显热是造成解吸过程能耗较高的关键。为降低水蒸发潜热和升温显热,相变吸收剂的概念被提出。相变吸收剂吸收CO2前均相,吸收CO2后形成液-液两相,得到CO2负载极高的富液相,仅富液相进入解吸单元,从而减少进入解吸单元的液量,降低了吸收剂升温显热和单次循环水蒸发的量及水蒸发潜热。本领域的技术人员不断开发不同组成的相变吸收剂以期降低CO2捕集能耗。
中国专利申请“一种胺吸收剂和捕集CO2的方法”(申请号201280031688.9,公开日2014年5月28日)提出一种胺吸收剂和捕集CO2的方法,吸收剂DIPAE/MAPA、DIPAE/DAB、N-TBDEA/DiAP、DEEA/DMPDA吸收CO2后形成两相,该专利申请使用的吸收剂浓度高、粘度大且价格昂贵,不利于在工业上应用。中国专利申请“用于酸性气体分离的自浓缩吸收剂”(申请号201080019279.8,公开日2012年7月25日)公开了一种用于含有酸气体的气体混合物脱酸的方法,该方法所采用的吸收剂包含溶解在溶剂中的胺,所述吸收剂在吸收酸性气体后,吸收剂形成浓缩胺相,且该浓缩胺相可与剩余的吸收剂机械分离并进入再生单元,剩余的吸收剂回收并返回吸收单元,唯一的示例所采用的吸收剂是MEA的异辛醇溶液。美国专利“PHASE TRANSITRONAL ABSORPTION METHOD”(申请号11/279095,专利号US7541011B2,公开号2009年9月2日)公开了一种使用含有至少一种活化剂和至少一种溶剂的吸收剂从气体混合物中分离气体的方法,唯一示例的吸收剂为DEA和碳酸钾的含水混合物,以上专利未指明引起预期的相分离溶剂,无从实施。中国专利申请“一种用于酸性气体分离的MDEA复合吸收剂及分离方法”(申请号201610035154.3,公开日2016年5月4日)提出一种MDEA复合溶液吸收CO2后可以发生液液分相,该溶液的组成为MDEA、与水不互溶的有机溶剂和水。中国专利申请“一种用于二氧化碳捕集的液-液相变吸收剂及应用”(申请号201910378327.5,公开日2019年7月26日)提出一种组成为协萃剂、有机胺、助剂和水的液-液相变吸收剂。中国专利申请“捕集废气中CO2的相变吸收剂”(申请号201811243424.5,公开日2019年2月15日)提出一种组成为醇胺、胺、纳米颗粒、缓蚀剂、抗氧化剂、消泡剂和水的液-液相变吸收剂。
综述所述,开发一种基于工业应用的成熟的且可降低水的蒸发能耗和吸收剂升温的能耗的吸收剂的意义重大。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷,本发明的目的是提供一种用于CO2分离的液-液分相吸收剂,该液-液分相吸收剂吸收CO2前为均一液相,吸收CO2后自发形成液液两相,其中一相为CO2较少的贫液相,另一相为CO2富集的富液相,并可根据CO2气源的特点,优化液-液分相吸收剂的配比,得到期望的富液相和贫液相分布,从而降低进入解吸单元的富液相的量,实现降低CO2解吸能耗的目的。
为达到以上目的,本发明采用的技术方案是:
一种用于CO2分离的液-液分相吸收剂,所述液-液分相吸收剂吸收CO2气源前为均一液相,吸收CO2气源后自发形成液-液两相,其中一相(上液相)为CO2较少的贫液相,另一相(下液相)为CO2富集的富液相。
作为优选,所述-液液分相吸收剂以N-甲基二乙醇胺为主体,包含活化剂、有机溶剂及水,其中N-甲基二乙醇胺的质量百分比为20-40%;活化剂的质量百分比为0-20%;有机溶剂的质量百分比为20-50%,水的质量百分比为10-50%,总质量百分含量之和为100%。
进一步,所述液-液分相吸收剂中,N-甲基二乙醇胺的质量百分比为30%-40%,活化剂的质量百分比为0%-10%,有机溶剂的质量百分比为30%-50%,水的质量百分比为10%-40%,总质量百分含量之和为100%。
进一步,活化剂选自乙醇胺、二乙醇胺、哌嗪、羟乙基乙二胺、二乙烯三胺和三乙烯四胺中的任意一种或多种的组合;优选哌嗪。
进一步,有机溶剂选自二氧六环、环丁砜、二乙二醇二甲醚、乙二醇***、乙二醇甲醚、乙二醇二甲醚和聚乙二醇二甲醚中的任意一种或多种的组合;优选聚乙二醇二甲醚。
进一步,所述液液分相吸收剂吸收CO2后自发形成液液两相,CO2富液相的体积百分比为25%~90%。
进一步,所述液液分相吸收剂用于吸收CO2气源压力常压~3.0MPaG,CO2含量3%~75%,CO2分压3kPa~500kPa,吸收温度为20-80℃,优选30-50℃。
再进一步,所述CO2气源为烟道气、天然气、变换气或合成气。
作为优选,采用以上所述CO2分离的液-液分相吸收剂进行CO2分离的方法,包括以下步骤:在温度为20-80℃,CO2气源的压力为常压~3.0MPaG,CO2含量3%~75%,CO2分压为3kPa~500kPa,将该吸收剂与CO2气源接触反应,吸收CO2气源前为均一液相,吸收CO2气源后自发形成液-液两相,其中一相为CO2较少的贫液相,另一相为CO2富集的富液相,CO2富集相的体积百分比为25%~90%;将富液相进入解吸单元进行解吸。
本发明提供的用于CO2分离的液-液分相吸收剂具有以下优点:
第一、本发明的液-液分相吸收剂主体为N-甲基二乙醇胺,其具有再生能耗低的优势,可降低CO2解吸能耗;活化剂组分可以提高液液分相吸收剂吸收CO2的速率,减少吸收设备的高度,降低设备投资。
第二、本发明的液-液分相吸收剂适用于CO2采用CO2气源压力常压~3.0MPaG,CO2含量3%~75%,CO2分压3kPa~500kPa,可用于烟道气、天然气、变换气或合成气中CO2的捕集,并可根据工业需要,通过调节液液分相吸收剂的配比改变吸收剂分相后CO2富液相和CO2贫液相的体积比,优化CO2捕集过程。
第三、本发明的液-液分相吸收剂在吸收CO2后形成液液两相,所得富液相中CO2的负载量较高且仅富液相进入解吸单元,从而减少了进入解吸单元的液体量,可降低解吸过程中吸收剂的升温显热和水蒸发潜热,进而降低CO2解吸能耗。
具体实施方式
以下通过具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是,为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。
因此,以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本申请中,如无特殊说明,%均表示体积百分含量。
实施例1:
将N-甲基二乙醇胺、聚乙二醇二甲醚和水混合,配成吸收剂80g,其中N-甲基二乙醇胺的质量分数为30%,聚乙二醇二甲醚的质量分数为30%,水的质量分数为40%;在温度40℃,CO2气源压力2.5MPaG,CO2含量17%,即CO2分压442kPa时,使用该吸收剂吸收至饱和;吸收CO2后的吸收剂形成液液两相,上液相为CO2低负载的贫液相,15.0mL;下液相为CO2高负载的富液相,67.0mL。CO2富集相的体积百分比为81.7%。
将N-甲基二乙醇胺、聚乙二醇二甲醚和水混合,配成吸收剂80g,其中N-甲基二乙醇胺的质量分数为30%,聚乙二醇二甲醚的质量分数为60%,水的质量分数为10%;在温度30℃,CO2气源压力1.8MPaG,CO2含量10%,即CO2分压190kPa时,使用该吸收剂吸收至饱和;吸收CO2后的吸收剂形成液液两相,上液相为CO2低负载的贫液相,60.0mL;下液相为CO2高负载的富液相,22.0mL。CO2富集相的体积百分比为26.8%。
实施例2:
将N-甲基二乙醇胺、活化剂哌嗪、聚乙二醇二甲醚和水混合,配成吸收剂80g,其中N-甲基二乙醇胺的质量分数为30%,活化剂哌嗪的质量分数为5%,聚乙二醇二甲醚的质量分数为30%,水的质量分数为35%;在温度40℃,CO2气源压力常压,CO2含量50%,即CO2分压50kPa时,使用该吸收剂吸收至饱和;吸收CO2后的吸收剂形成液液两相,上液相为CO2低负载的贫液相,10.0mL;下液相为CO2高负载的富液相,72.0mL。CO2富集相的体积百分比为87.8%。
实施例3:
将N-甲基二乙醇胺、活化剂哌嗪、环丁砜和水混合,配成吸收剂100g,其中N-甲基二乙醇胺的质量分数为37%,活化剂哌嗪的质量分数为3%,环丁砜的质量分数为40%,水的质量分数为20%;在温度40℃,CO2气源压力2.5MPaG,CO2含量14%,即CO2分压364kPa时,使用该吸收剂吸收至饱和;吸收CO2后的吸收剂形成液液两相,上液相为CO2高负载的富液相,82.0mL;下液相为CO2低负载的贫液相,14.0mL。CO2富集相的体积百分比为85.4%。
实施例4:
将N-甲基二乙醇胺、活化剂哌嗪、二乙二醇二甲醚和水混合,配成吸收剂100g,其中N-甲基二乙醇胺的质量分数为32%,活化剂哌嗪的质量分数为8%,二乙二醇二甲醚的质量分数为40%,水的质量分数为20%;在温度40℃,CO2气源压力常压,CO2含量3%,即CO2分压3kPa时,使用该吸收剂吸收至饱和;吸收CO2后的吸收剂形成液液两相,上液相为CO2低负载的贫液相,65.0mL;下液相为CO2高负载的富液相,35.0mL。CO2富集相的体积百分比为35.0%。
实施例5:
将N-甲基二乙醇胺、活化剂、环丁砜和水混合,配成吸收剂100g,其中N-甲基二乙醇胺的质量分数为32%,活化剂的质量分数为8%,环丁砜的质量分数为40%,水的质量分数为20%;活化剂分别选自乙醇胺、二乙醇胺、哌嗪、羟乙基乙二胺或二乙烯三胺,在温度40℃,CO2气源压力1.2MPaG,CO2含量30%,即CO2分压390kPa时,使用以上吸收剂吸收至饱和;以上吸收剂吸收CO2后的吸收剂形成液液两相。
以乙醇胺为活化剂时,吸收剂上液相为CO2高负载的富液相,80.0mL;下液相为CO2低负载的贫液相,15.0mL,CO2富集相的体积百分比为84.2%。
以二乙醇胺为活化剂时,吸收剂上液相为CO2高负载的富液相,81.0mL;下液相为CO2低负载的贫液相,9.0mL,CO2富集相的体积百分比为90.0%;
以羟乙基乙二胺为活化剂时,吸收剂上液相为CO2高负载的富液相,72.0mL;下液相为CO2低负载的贫液相,19.0mL,CO2富集相的体积百分比为79.1%;
以二乙烯三胺为活化剂时,吸收剂上液相为CO2高负载的富液相,65.0mL;下液相为CO2低负载的贫液相,25.0mL,CO2富集相的体积百分比为72.2%;
实施例6:
将N-甲基二乙醇胺、活化剂哌嗪、有机溶剂和水混合,有机溶剂选自二氧六环和乙二醇二甲醚,配成吸收剂100g,其中N-甲基二乙醇胺的质量分数为35%,活化剂哌嗪的质量分数为5%,二氧六环的质量分数为15%,乙二醇二甲醚的质量分数为15%,即有机溶剂的质量分数为30%,水的质量分数为30%;在温度50℃,CO2气源压力常压,CO2含量75%,即CO2分压75kPa时,使用该吸收剂吸收至饱和;吸收CO2后的吸收剂形成液液两相,上液相为CO2低负载的贫液相,15.0mL;下液相为CO2高负载的富液相,85.0mL。CO2富集相的体积百分比为85.0%。
对比例1:
采用与实施例5相同的步骤进行液液分相吸收剂的制备,区别仅在于将有机溶剂替换为正丙醇,其余条件均一致。但是制备得到的吸收剂在任何CO2分压下均不发生分相。
对比例2:
将N-甲基二乙醇胺、活化剂哌嗪、有机溶剂和水混合,有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮,配成吸收剂100g,其中N-甲基二乙醇胺的质量分数为35%,活化剂哌嗪的质量分数为5%,N-甲基吡咯烷酮的质量分数分别为10%、15%、20%、25%、30%,35%,40%,余量为水的质量分数。制备得到的吸收剂在任何CO2分压下均不发生分相。
对比例3:
将N-甲基二乙醇胺、活化剂哌嗪、有机溶剂和水混合,有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮,配成吸收剂100g,其中N-甲基二乙醇胺的质量分数为39%,活化剂哌嗪的质量分数为1%,N-甲基吡咯烷酮的质量分数分别为50%,水的质量分数为10%。制备得到的吸收剂在任何CO2分压下均不发生分相。
对比例4:
将N-甲基二乙醇胺、活化剂哌嗪、有机溶剂和水混合,有机溶剂为聚乙二醇二甲醚,配成吸收剂100g,其中N-甲基二乙醇胺的质量分数为30%,活化剂哌嗪的质量分数为5%,聚乙二醇二甲醚的质量分数分别为10%,水的质量分数为55%。制备得到的吸收剂在任何CO2分压下均不发生分相。
对比例5:
将N-甲基二乙醇胺、活化剂吗啉、有机溶剂和水混合,有机溶剂为聚乙二醇二甲醚或环丁砜,配成吸收剂100g,其中N-甲基二乙醇胺的质量分数为30%,活化剂吗啉的质量分数为5%,聚乙二醇二甲醚或环丁砜的质量分数分别为10%,水的质量分数为55%。制备得到的吸收剂在任何CO2分压下均不发生分相。
上述实施例只是对本发明的举例说明,本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施,而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此,描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明,任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。
Claims (1)
1.一种利用液-液分相吸收剂进行CO2分离的方法,其特征在于,将N-甲基二乙醇胺、活化剂、环丁砜和水混合,配成吸收剂100g,其中N-甲基二乙醇胺的质量分数为32%,活化剂的质量分数为8%,环丁砜的质量分数为40%,水的质量分数为20%;活化剂选自乙醇胺、二乙醇胺、羟乙基乙二胺或二乙烯三胺,在温度40℃,CO2气源压力1.2MPaG,CO2含量30%,使用以上吸收剂吸收至饱和;以上吸收剂吸收CO2后的吸收剂形成液液两相。
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