论文题目: 酸性气体（H2S，CO2）的脱除及其气液传质特性的研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 环境工程
作者: 陆建刚
导师: 王连军
关键词: 气体吸收,酸性气体,选择性脱除,复合溶液,填料柱,膜接触器,湿润性,数学模型
文献来源: 南京理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: H2S和CO2是最常见的两种酸性气体，在天然气、炼厂气和合成气等工艺混合气净化过程中，以及工业排放尾气中，H2S是必须去除的气体，无论是工艺气流再加工后续工段的要求，还是尾气排放环保标准的要求，H2S的含量都控制十分严格；CO2是温室气体的主要对象，回收和减少工业尾气中的CO2排放是缓解“温室效应”有效手段之一。有机醇胺吸收剂脱除酸性气体是目前最有效的方法之一。本工作以气液传质理论为基础，围绕酸性气体（H2S和CO2）的脱除，开发高性能复合溶剂为主线，针对不同的混合气对象和性质，采用填料柱和膜接触器为吸收反应器，研究H2S和CO2酸性气体传质过程和特性，重点研究：1) 空间位阻胺复合溶液选择性吸收H2S；2) MDEA基复合溶液和氨基酸基复合溶液的开发，复合溶液在膜接触器中吸收CO2过程中对传质的增强作用和对疏水性聚丙烯膜结构形态的影响，通过数学模型对传质增强作用和形态影响进行表征。 复合溶液的高选择性可达到节能降耗和获得高纯度气体产品的目的，这在能源紧缺和消耗巨大的今天具有特别重要的意义。研究工作分别采用静态评价装置和动态评价装置，以有机醇胺与酸性气体H2S和CO2反应机理为基础，研究添加空间位阻胺的复合溶剂MDEA-TBEE选择性吸收H2S的性能。在静态装置上，评价复合溶剂MDEA-TBEE的脱除率和选择性性能；在动态装置上，进一步考察各种因素对复合溶剂脱除率和选择性的影响，并与单一溶剂MDEA进行比较；同时，测定总体积传质系数KGα值，基于双膜理论，提出一个近似的传质模型计算总体积传质系数KGα。结果表明：空间位阻胺是一类具有高选择性的高性能酸性气体吸收剂，在现有的MDEA装置中添加少量位阻胺TBEE能显著地提高溶剂吸收酸性气体的性能，达到节能降耗和提高气体产品纯度的目的；传质模型的计算结果与实验结果符合较好，气速增大，总体积传质系数KGα增大；气相H2S和CO2浓度增大，总体积传质系数KGα减小，在较高的气相CO2浓度下，模型值与实验值偏差增大，说明在较高的CO2浓度下，H2S和CO2之间的交互作用不能忽视。 开发高效活化剂是酸性气体吸收领域重要的研究方向之一，研究工作采用一乙醇胺（MEA）为原料，氢气为反应氛围，低压下有机气相通过管式催化反应器合成活化剂哌嗪，考察合成催化剂组成和操作参数对合成反应的影响；将合成产物应用于膜吸收装置和再生装置上考察其吸收和解吸CO2的性能。结果表明：实验室制各的合成催化剂NiCu／SiO2+微量磷钨酸，具有良好的催化性能，哌嗪选择性达59.6％～61.3％，MEA转化率65％～78％；合成产物无需精馏分离，可直接可作为脱碳活化剂，应用于膜吸收装置以及现有的胺法脱碳装置中。 基于膜接触器气体吸收过程和原理，采用疏水性聚丙烯中空纤维膜组件作为膜接
论文目录:
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 引言
1.2 有机醇胺溶液及其吸收酸性气体过程
1.2.1 酸性气体H_2S的危害及其脱除方法概述
1.2.2 气液传质理论模型
1.2.2.1 Whitman双膜理论
1.2.2.2 Higbie渗透理论
1.2.2.3 Danckwerts表面更新理论
1.2.3 气液吸收反应器、气液接触面积及传质动力学
1.2.4 脱除酸性气体的有机醇胺溶剂及反应机理
1.2.4.1 有机醇胺溶剂
1.2.4.2 反应机理
1.2.5 有机醇胺选择性吸收H_2S研究现状
1.3 膜基气体吸收(MGA)技术脱除CO_2
1.3.1 膜分离及其脱除CO_2技术概述
1.3.2.膜基气体吸收技术及其特点
1.3.3 膜材料
1.3.4 吸收剂的选择
1.3.5 膜结构与吸收剂和操作条件的性能关系
1.3.6 膜组件(膜接触器)结构
1.3.7 膜基气体吸收传质过程
1.3.7.1 传质通量和总传质系数的计算
1.3.7.2 中空纤维膜接触器传质动力学模型
1.3.7.3 化学增强因子
1.3.8 膜基气体吸收CO_2技术进展
1.4 课题的立题意义与研究工作内容
1.4.1 立题意义
1.4.2 研究工作的内容
1.5 本章小结
2 MDEA-TBEE复合溶剂吸收酸性气体性能的评价
2.1 引言
2.2 实验部分
2.2.1 实验试剂
2.2.2 空间位阻胺TBEE的合成
2.2.3 MDEA-TBEE溶剂吸收酸性气体反应机理
2.2.4 实验装置
2.2.5 实验操作过程
2.2.6 分析方法
2.3 实验结果与讨论
2.3.1 常用有机醇胺MDEA、MEA、DEA、DIPA和MDEA-TBEE吸收酸性气体性能比较
2.3.2 TBEE在复合溶剂中含量对吸收性能的影响
2.3.3 MDEA-TBEE复合溶剂及MDEA溶剂对酸性气体脱除率和吸收负载的比较
2.3.4 吸收温度对酸性气体选择性和对MDEA-TBEE复合溶剂吸收负载的影响
2.3.5 吸收负载对选择性的影响
2.4 本章小节
3 MDEA-TBEE复合溶剂选择性吸收H_2S
3.1 引言
3.2 理论部分
3.2.1 空间位阻胺分子结构特点和化学特性
3.2.2 反应机理
3.2.3 吸收性能评价指标
3.3 实验部分
3.3.1 实验装置和实验步骤
3.3.2 原料和分析方法
3.4 结果与讨论
3.4.1 再生温度对贫液负载和脱除率的影响
3.4.2 贫液负载对脱除率的影响
3.4.3 吸收温度对脱除率和选择性的影响
3.4.4 CO_2／H_2S对脱除率和容量的影响
3.4.5 气速对吸收性能的影响
3.4.6 CO_2／H_2S对脱除率和选择性的影响
3.5 传质模型
3.5.1 总体积传质系数K_Gα的测定
3.5.2 传质模型的近似处理
3.5.3 模型的计算结果与讨论
3.5.3.1 气速对K_Gα的影响
3.5.3.2 气相H_2S浓度对K_Gα的影响
3.5.3.3 气相CO_2浓度对K_Gα的影响
3.6 本章小结
4 膜基MDEA溶液吸收混合气中二氧化碳
4.1 引言
4.2 膜接触器分离原理和MDEA结构特点
4.2.1 膜接触器分离原理
4.2.2 MDEA结构特点
4.3 实验部分
4.3.1 实验装置及操作过程
4.3.2 原料和分析方法
4.3.3 实验数据处理
4.4 操作参数影响条件实验结果与讨论
4.4.1 吸收剂浓度对分离效果的影响
4.4.2 吸收剂流量对传质效果的影响
4.4.3 吸收温度对分离效果的影响
4.4.4 CO_2含量对分离效果的影响
4.4.5 进料气流量对分离效果的影响
4.4.6 流程方式对分离效果的影响
4.4.7 膜组件结构和膜形态对分离效果的影响
4.4.8 膜接触器的稳定性考察
4.5 传质动力学模型
4.5.1 阻力层传质模型
4.5.2 模型对实验体系的预测
4.5.2.1 吸收剂浓度对总传质系数的影响
4.5.2.2 流量对总传质系数的影响
4.5.2.3 气膜、液膜和膜相阻力与总阻力的关系
4.3.5 模型值与实验值的比较
4.6 本章小结
5 脱碳活化剂哌嗪的合成及其应用性能评价
5.1 引言
5.2 实验部分
5.2.1 原料和试剂
5.2.2 催化剂制备
5.2.3 哌嗪合成装置
5.2.4 哌嗪合成过程
5.2.5 膜吸收应用评价装置及评价方法
5.2.6 再生装置及复合溶液再生性能评价
5.2.7 产物分析方法
5.3 结果与讨论
5.3.1 催化剂组成和合成条件对哌嗪产物的影响
5.3.1.1 催化反应温度对哌嗪合成的影响
5.3.1.2 Ni含量对催化性能的影响
5.3.1.3 H_2／MEA比值的影响
5.3.1.4 助催化成分对反应的影响
5.3.1.5 催化剂寿命考察
5.3.2 哌嗪产物活化性能应用评价
5.3.3 哌嗪产物解吸性能评价
5.4 本章小结
6 膜基复合溶液吸收混合气中二氧化碳
6.1 引言
6.2 CO_2与MDEA、PZ和AMP之间的化学反应和机理
6.3 实验部分
6.3.1 实验原料
6.3.2 实验装置及操作
6.3.3 膜接触器特性参数和分析方法
6.3.4 实验数据处理
6.4 实验结果和讨论
6.4.1 气液相流速对出口CO_2浓度的影响
6.4.2 气液流速对总传质系数影响的比较
6.4.3 吸收剂浓度和混合气中CO_2浓度对总传质系数影响的对比
6.4.4 溶液负载α对吸收性能影响的比较
6.4.5 膜组件结构和膜结构形态对传质系数的影响
6.5 传质阻力层方程模型和预测结果
6.5.1 传质阻力层方程及其参数
6.5.2 模型预测结果
6.5.3 模型计算值与实验值的比较
6.6 溶剂对膜材质结构形态的影响
6.7 本章小结
7 膜孔的湿润率对疏水性膜传质性能的影响
7.1 引言
7.2 理论部分
7.2.1 固体表面湿润原理
7.2.2 双膜理论和总传质系数
7.2.3 新数学模型的建立
7.3 实验部分
7.3.1 实验装置及流程
7.3.2 膜接触器特性参数和分析方法
7.3.3 实验参数的获得
7.3.4 总传质系数的实验值计算
7.4 结果与讨论
7.4.1 膜孔全充液和全充气考察
7.4.2 压差ΔP_i对传质性能的影响
7.4.3 溶液表面张力γ对湿润性的影响
7.4.4 吸收温度对湿润性的影响
7.5 本章小结
8 膜基复合溶液吸收CO_2过程模拟
8.1 引言
8.2 理论部分
8.2.1 膜传质过程和阻力层方程
8.2.2 数学模型的建立
8.2.3 模型对复合溶液MDEA-AMP的处理
8.2.4 模型对复合溶液MDEA-PZ的处理
8.2.5 微分方程数值求解
8.3 实验装置及流程
8.4 结果与讨论
8.4.1 复合溶液MDEA-AMP过程模拟结果与讨论
8.4.1.1 交互作用和湿润性对传质过程模拟的影响
8.4.1.2 模型对膜组件气相出口组分的模拟
8.4.1.3 不同膜组件传质过程的模拟
8.4.2 复合溶液MDEA-PZ过程模拟结果与讨论
8.4.2.1 膜孔湿润率对气相出口浓度的影响
8.4.2.2 气液速对脱除率影响的模拟
8.4.2.3 MDEA-PZ复合溶液和MDEA溶液的总传质系数的比较和过程模拟
8.4.2.4 液相CO_2负载对传质性能的影响
8.5 本章小结
9 复合溶液的密度、粘度和表面张力及其CO_2的溶解度测定
9.1 引言
9.2 实验部分
9.2.1 实验试剂
9.2.2 实验原理、仪器、装置和步骤
9.2.2.1 密度与粘度
9.2.2.2 表面张力
9.2.2.3 溶解度
9.3 仪器校正及误差分析
9.4 结果
9.4.1 氨基酸盐及其复合溶液的密度
9.4.2 氨基酸盐及其复合溶液的粘度
9.4.3 氨基酸盐及其复合溶液的表面张力
9.4.4 混合溶液MDEA-AMP物性数据
9.4.5 CO_2在氨基酸盐及其复合溶液中的临界溶解度
9.4.6 CO_2在MDEA-AMP混合醇胺溶液中溶解度
9.5 讨论
9.5.1 添加活化剂对密度的影响
9.5.2 活化剂对复合溶液粘度的影响
9.5.3 活化剂对复合溶液表面张力的影响
9.5.4 混合溶液MDEA-AMP的组成对物性的影响
9.5.5 CO_2吸收过程中氨基酸盐溶液和复合溶液pH值变化规律
9.5.6 氨基酸盐溶液和复合溶液CO2负载随时间的变化规律
9.5.7 总碱度对氨基酸盐溶液和复合溶液临界溶解度的影响
9.5.8 混合气中CO2浓度和温度对溶解度的影响
9.5.9 混合溶液的组成对溶解度的影响
9.6 本章小结
10 基于氨基酸盐的新型膜基复合溶液及其增强因子的测定
10.1 引言
10.2 理论部分
10.2.1 氨基酸的分子结构和性质
10.2.2 活化效应和反应机理
10.3 实验部分
10.4 操作因素影响的考察结果与讨论
10.4.1 吸收剂GLY和ALA吸收性能比较
10.4.1.1 液速对出口气相CO_2浓度的影响
10.4.1.2 流速对K_Ga和η的影响
10.4.1.3 吸收液氨基酸盐浓度对K_Ga的影响
10.4.2 有机胺活化剂AMP和PZ对传质性能的影响
10.4.3 无机盐活化剂K_3PO_4和KH_2BO_3对传质性能的影响
10.4.4 有机胺活化剂和无机盐活化剂活化性能的比较
10.4.5 膜接触器运行的稳定性考察
10.4.6 小结
10.5 膜吸收过程中复合溶液化学增强因子的测定
10.5.1 理论基础
10.5.2 数学模型
10.5.3 增强因子E实验测定值
10.5.4 增强因子测定的结果与讨论
10.5.4.1 Ha数对增强因子的影响
10.5.4.2 GLY溶液增强因子的测定
10.5.4.2.1 吸收剂浓度和液速对增强因子的影响
10.5.4.2.2 气液流速对增强因子的影响
10.5.4.3 复合溶液增强因子模型值与实验值的比较
10.6 本章小结
11 膜接触器和填料柱传质性能的比较
11.1 引言
11.2 实验内容
11.2.1 实验装置与操作条件
11.2.2 传质性能评价指标
11.3 结果与讨论
11.3.1 膜接触器和填料柱传质特性比较
11.3.2 总体积传质系数(K_Ga)的比较
11.3.3 传质单元高度(HTU)的比较
11.4 膜接触器应用
11.5 本章小结
12 结论
12.1 概述
12.2 本文得出的结论
12.3 本文创新点
12.4 展望
致谢
参考文献
发表的论文和成果
申请的发明专利:
发布时间: 2006-12-06
参考文献
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相关论文
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