醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔设计毕业设计论文.docx
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醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔设计毕业设计论文
毕业设计（论文）
醇胺法吸收二氧化碳
的吸收塔设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
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所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
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对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
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注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
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3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
一、选题背景、研究意义及文献综述
1、选题背景
二氧化碳气体具有吸热和隔热的功能。
它在大气中增多的结果是形成一种无形的玻璃罩，使太阳辐射到地球上的热量无法向外层空间发散，其结果是地球表面变热起来。
因此，二氧化碳也被称为温室气体。
温室效应主要是由于现代化工业社会过多燃烧煤炭、石油和天然气，这些燃料燃烧后放出大量的二氧化碳气体进入大气造成的。
由环境污染引起的温室效应是指地球表面变热的现象。
它会带来以下列几种严重恶果：
1）地球上的病虫害和传染疾病增加；
2）海平面上升；
3）气候反常，海洋风暴增多；
4）土地干旱，沙漠化面积增大。
5）经济的影响
全球有超过一半人口居住在沿海100公里的范围以内，其中大部份住在海港附近的城市区域。
所以，海平面的显著上升对沿岸低洼地区及海岛会造成严重的经济损害，例如：
加速沿岸沙滩被海水的冲蚀、地下淡水被上升的海水推向更远的内陆地方。
6）农业的影响
实验证明在CO2高浓度的环境下，植物会生长得更快速和高大。
但是，'全球变暖'的结果可会影响大气环流，继而改变全球的雨量分布与及各大洲表面土壤的含水量。
由于未能清楚了解'全球变暖'对各地区性气候的影响，以致对植物生态所产生的转变亦未能确定。
7）海洋生态的影响
沿岸沼泽地区消失肯定会令鱼类，尤其是贝壳类的数量减少。
河口水质变咸可会减少淡水鱼的品种数目，相反该地区海洋鱼类的品种也可能相对增多。
至于整体海洋生态所受的影响仍未能清楚知道。
8）水循环的影响
全球降雨量可能会增加。
但是，地区性降雨量的改变则仍未知道。
某些地区可有更多雨量，但有些地区的雨量可能会减少。
此外，温度的提高会增加水份的蒸发，这对地面上水源的运用带来压力。
科学家预测：
如果地球表面温度的升高按现在的速度继续发展，到2050年全球温度将上升2－4摄氏度，南北极地冰山将大幅度融化，导致海平面大大上升，一些岛屿国家和沿海城市将淹于水中，其中包括几个著名的国际大城市：
纽约，上海，东京和悉尼。
2研究意义
二氧化碳造成的温室效应引起了全球的广泛关注。
已成为国际能源领域研发的热点。
全球应对气候变化的核心是减少温室气体排放,其中主要是减少能源消费的CO2排放。
根据EIA（EnergyInformationAdministration）的数据统计,2004年我国CO2排放总量为47亿,t约占世界总量的17%,居世界第二,仅次于美国。
2000—2004年,我国CO2排放的增长量占世界同期CO2排放增长量的50%以上,预计2010年前我国CO2排放量就有可能超过美国成为世界第一排放大国（部分外媒宣称2007年我国CO2排放量已经跃居世界第一）。
我国CO2排放量较快增长的态势,将越来越受到国际社会的关注和压力。
燃煤电厂CO2排放是我国温室气体的最主要排放源,约占我国CO2排放总量的50%。
近年来,随着火电装机容量的迅速增多,燃煤电厂CO2排放的绝对数量和相对比例还将进一步增加。
因此,CO2的减排将是我国燃煤发电未来可持续发展的瓶颈之一。
由于我国能源结构以燃煤发电为主,以及今后对燃煤发电的长期投入,从燃煤烟气中有效的脱除CO2将刻不容缓。
尽管发展新型煤电技术、可再生能源、核电与节能降耗等是可行的CO2减排手段,但是我国能源结构长期以燃煤发电为主的现状,决定了只有进行CO2的捕集与永久封存才是减少温室气体排放的根本手段,也是进一步大量减少CO2排放的唯一手段。
目前,国际上CO2捕集与封存技术正处于研究开发和示范阶段,尚未达到商业化,我国在此领域的研发也刚刚起步[1]。
现阶段CO2回收方法主要有吸收法和分离法两种方法，而化学吸收法在工业上的应用尤为广泛。
在传统的化学脱碳过程中，应用一乙醇胺（MEA）法脱除CO2已进行了广泛的研究，并成功地用于化工厂的CO2回收，但其成本高达34美元/吨[2]
二氧化碳的吸收主要是在吸收塔内进行，吸收塔的性能直接影响着二氧化碳的吸收效果。
3文献综述
一醇胺溶液的选择
1多种醇胺溶液吸收二氧化碳的研究
1.1醇胺溶液种类及浓度对吸收速率的影响
1.1.1 醇胺溶液种类对吸收速率的影响
分别取5mL的0.1mol/LDEA、TEA、MDEA溶液,采用鼓泡吸收装置,常温常下测定它们对CO2的吸收速率。
不同醇胺溶液吸收速率随时间的变化关系如图1所示。
从图1中可以看出,浓度皆为0.1mol/L的有机胺溶液,DEA、TEA对CO2的吸收速率明显高于MDEA,DEA与TEA相差较小,且DEA和TEA的吸收速率随时间推移迅速下降,MDEA溶液的吸收速率变化较为缓和,能在较长的时间保持一定的吸收速率。
图1不同醇胺溶液吸收速率与时间的关系
通过吸收速率随吸收时间的变化关系可以看出溶液中CO2负荷对吸收速率的影响。
对于DEA和TEA,在溶液还远未接近饱和状态时,醇胺溶液吸收速率基本按吸收量线性地变化,这是因为此时液相主体中CO2含量较小,而液膜处CO2浓度足够大（p=1.01×105Pa）,传质阻力对吸收速度N的影响相对就比较小,吸收速度主要取决于反应速度r（N≈r）。
DEA、TEA吸收CO2的反应速率方程可表示为r=k2uAuCO2（A表示DEA、TEA）,在液膜处CO2浓度uCO2不变的条件下,反应速率r仅与反应速率常数k2、有机胺浓度uA有关[1]。
在温度不变时,反应速率常数k2也保持恒定,所以N仅随溶液中有效胺的浓度发生线性变化（有效胺的浓度又与溶液中吸收的CO2量成线性关系）,图中的曲线较好符合这一点。
但是,对于MDEA,因其与CO2的反应为液膜反应,其过程要受CO2与H2O反应步骤的控制,吸收速率变慢。
吸收速率是决定设备高度的重要因素之一。
体系的热力学平衡决定了溶液吸收能力的极限量,但从技术经济指标和工业生产的具体条件来考虑,实际上不能把吸收进行到平衡,吸收液的实际负荷量与平衡吸收量之间有一定的差距。
在固定其它因素的前提下,吸收速度越快,吸收液的负荷就越接近平衡吸收量,对于降低设备高度、减少吸收液循环量及提高净化质量都十分有利。
由此考虑,DEA和TEA的效果好于MDEA。
1.1.2 醇胺溶液浓度对吸收速率的影响
5mL不同浓度DEA、TEA的吸收速率随时间变化如图2、3。
从图中可以看出:
对于DEA或TEA,醇胺溶液的摩尔浓度影响吸收速率,醇胺溶液的摩尔浓度愈高,吸收速率就越大,随着吸收时间的增加,吸收速率不断降低,最后吸收饱和速率都趋于零;对于含量相同的醇胺溶液,DEA的吸收速率高于TEA。
图2不同浓度DEA吸收速率与时间的关系
图3不同浓度TEA吸收速率与时间的关系
CO2可以和DEA反应生成氨基甲酸盐:
CO2+2（HOC2H4）2NH→（HOC2H4）2NH2++（HOC2H4）2NCOO-
然而,TEA氮原子上无氢质子,TEA与CO2之间不能进行生成氨基甲酸盐的反应,其和CO2的反应机理与DEA有明显不同。
TEA与CO2之间的反应按下式进行:
（HOC2H4）3N+CO2+H2O→（HOC2H4）3NH++HCO3-
Mandals等[2]曾经测定了叔胺吸收CO2的反应速率常数k值及活化能,发现叔胺吸收CO2的k值比仲胺小,在相同条件下仲胺与CO2的反应速率明显高于叔胺与CO2之间的反应速率。
1.1.3醇胺溶液种类及浓度对吸收容量的影响
采用Origin数据处理软件,计算吸收速率对时间的积分,即为吸收容量与吸收时间的变化关系。
1.1.3.1醇胺溶液种类对吸收容量的影响
不同醇胺溶液吸收容量与时间的关系如图4所示。
MDEA的吸收容量曲线变化非常平缓,DEA和TEA的吸收容量曲线较MDEA变化大。
在相同的吸收时间内,3种有机胺溶液吸收容量大小依次是DEA≥TEA>MDEA。
对于MDEA,其对CO2的吸收相当于一个物理吸收过程,吸收速率变化比较平缓,所以它的吸收容量变化曲线也非常平缓。
图4不同醇胺溶液吸收容量与时间的关系
1.1.3.2醇胺溶液浓度对吸收容量的影响
不同浓度的DEA、TEA吸收容量与吸收时间的关系如图5、6所示。
反应初期,不同浓度的醇胺溶液吸收容量曲线接近,50min后吸收容量曲线差距逐渐拉大,摩尔浓度越大的醇胺溶液其吸收容量越大。
DEA或TEA浓度越高,吸收容量越大,与此同时达到饱和吸收容量需要的时间也增长。
在0.1～0.5mol/L浓度变化范围,DEA对CO2饱和吸收容量从56.6mmol/mL增至103.4mmol/mL,而TEA饱和吸收容量从50.8mmol/mL仅增至76.4mmol/mL。
在选择合适吸收剂时,希望要短时间内吸收尽可能多CO2气体,因此,综合考虑吸收容量和达到饱和吸收的时间,DEA作为吸收剂的效果要稍优于TEA。
图5不同浓度DEA吸收容量与时间的关系
图6 不同浓度TEA吸收容量与时间的关系
1.1.3醇胺溶液吸收前后pH的变化
醇胺溶液种类及浓度与CO2吸收量、pH的关系如表1所示。
由表1可以看出,吸收剂的pH随溶液浓度增加略有增加,但相差不大。
醇胺溶液作为吸收剂,由于水解反应,生成OH-,使溶液呈碱性,醇胺溶液的浓度越高,pH越大,但达到一定浓度后,pH维持在11左右,此时,增加醇胺溶液的浓度,并不能明显的增加溶液的pH。
由此说明,醇胺的水溶液吸收CO2能力不能单纯依靠溶液碱性强弱判断。
吸收液pH大致下降至7时,吸收达到饱和,这一特性可作为判断溶液吸收CO2进行程度的指标,当pH下降到7左右,溶液基本饱和,无法继续吸收CO2,可进行再生。
表1 不同浓度醇胺溶液CO2吸收容量与pH的关系
1.1.4饱和醇胺溶液再生
吸收饱和的有机胺溶液称为富液,用加热的方法使与胺结合的CO2解吸,变为气体逸出,从而吸收液获得再次吸收CO2的能力,重新成为贫液。
工业上就是利用这一方法重复吸收CO2,直至吸收液失去。
新配制的醇胺溶液CO2饱和吸收量为L,再生贫液饱和吸收量为L’,则再生效率η=L’/L是衡量吸收剂优劣的重要指标。
0.5mol/L的DEA和TEA溶液经过再生3h后,皂沫流量计已经检测不到气体逸出,说明CO2解吸完全。
因此,本实验条件下,0.5mol/L的DEA和TEA再生时间为180min。
将0.5mol/L的DEA和TEA在110℃再生3h后重新吸收CO2,醇胺溶液再生前后效果如表2。
表2 DEA、TEA的再生情况
由表2可以看出,0.5mol/L的DEA和TEA溶液经过再生后,吸收时间、吸收容量和平均吸收速率都有所降低,DEA溶液的再生效率为61.3%,TEA溶液的再生效率为78.5%。
两种醇胺溶液比较,TEA再生效率较DEA高17%,这可能是由于DEA溶液再生过程中产生少量絮凝物,使溶液的吸收能力受到了部分破坏。
所以DEA和TEA溶液摩尔浓度越高,其吸收速率越快,吸收容量越大;对于相同摩尔浓度的醇胺溶液,DEA和TEA的吸收速率高于MDEA,但MDEA吸收速率随时间变化较平缓。
随着CO2吸收量的增加,吸收液的pH从11下降到7左右,以此可作为判断吸收是否饱和的依据。
TEA溶液的再生效率高于DEA的再生效率[3]。
2单组分和多组分醇胺溶液吸收CO2的影响
2.1单组分有机醇胺溶液吸收CO2的研究
MDEA由于其吸收容量大,解吸再生温度低等优点,是近年来工业上常用的CO2吸收剂,而采用AEE作为CO2吸收剂的研究却鲜有报道。
笔者考察了AEE与MDEA两种有机醇胺溶液对CO2的吸收性能。
图7吸收时间与吸收速率的关系
图8摩尔吸收比与吸收速率的关系
由图7可知两种溶液的吸收速率均随吸收时间的延长而逐渐降低。
由图8可知,吸收60min后MDEA溶液的摩尔吸收比可达0.7,AEE溶液的摩尔吸收比可达1.25。
随着摩尔吸收比的增加,两种溶液的吸收速率不断的降低,其中AEE溶液降低的程度更显著。
上述结果证明了伯胺、仲胺的吸收能力要强于叔胺。
AEE可以与CO2直接反应,吸收速率快,吸收量大,可以快速达到吸收饱和,而MDEA不能与CO2直接反应,吸收速率慢,需长时间才可达到吸收饱和。
2.2混合醇胺溶液对CO2的吸收
单组分醇胺溶液在应用中往往不能兼顾吸收与解吸的效果,而采用混胺的方法可以较好的解决这个问题。
笔者考察了AEE与MDEA的混合溶液对CO2的吸收性能。
由图9可见3种体系的吸收速率均随吸收时间的延长而逐渐降低,50min后的吸收速率几乎相同。
其中AEE的摩尔浓度越高,溶液的初始吸收速率越快。
反应开始阶段以AEE单组分吸收为主,随着AEE的消耗,溶液的碱性降低,一部分AEE吸收的CO2转换成氨基甲酸根离子,MDEA开始参与吸收反应,而氨基甲酸根离子并不稳定,在一定的pH值条件下可以与水进一步反应转换成碳酸氢根与AEE分子,使溶液中AEE浓度相对缓慢降低,加速MDEA参与吸收反应,使体系能够快速地达到吸收饱和。
可见添加AEE对整个吸收体系具有明显的加强作用。
下面将通过引入增强因子这个概念来进行分析。
图9吸收时间与吸收速率的关系
2.3混合醇胺溶液的交互作用
钟战铁[4]提出MEA+MDEA体系在吸收低浓度二氧化碳时存在交互作用。
笔者也考察了AEE+MDEA体系吸收CO2时的交互作用。
由图10可知,3种体系分别在不同的摩尔吸收比时表现出交互作用。
反应的开始阶段,即溶液的摩尔吸收比较低时,E值由AEE贡献,体系以单组分AEE吸收为主,AEE与MDEA无明显交互作用。
随着CO2吸收量的增加,AEE大量消耗,溶液的碱性逐渐降低,未被消耗的MDEA在溶液中提供的碱性可以明显削弱AEE与CO2之间的作用,交互作用出现,MDEA开始参与吸收反应。
随着MDEA大量参与吸收过程,溶液的碱性已经不足以削弱AEE与CO2之间的作用,交互作用逐渐消失,此时溶液的E主要由MDEA贡献,因此随着摩尔吸收比的增加,交互系数逐渐降低。
交互作用与体系的摩尔吸收比有关,也与体系中AEE浓度有关。
体系中AEE浓度越高,交互作用影响摩尔吸收比也越大。
图10 摩尔吸收比与交互系数β的关系
所以AEE作为新型CO2吸收剂,具有吸收速率快,吸收量大等优点。
在MDEA溶液中加入一定量的AEE,可以有效地提高体系吸收CO2的性能,在摩尔吸收比低于0.5时,溶液中AEE摩尔浓度每增加10%,E相应增加约20%。
AEE+MDEA体系在一定的摩尔吸收比的条件下存在交互作用,且交互系数随体系的摩尔吸收比的增加而降低[5]。
3MEA对吸收CO2的优点及工作原理
目前,普遍认为燃烧后捕获技术最为可行,因该技术最适合于对传统燃烧设备进行以捕获CO2为目的的改进,且其具有节省设备投资和技术成熟程度更接近商业化的优势.燃烧后捕获主要通过采用物理溶剂、化学溶剂以及两者的混合溶剂脱除发电厂燃放气中的CO2.因该燃放气中CO2的分压低,且含有大量不溶性气体,故采用胺盐溶液等化学溶剂通过化学反应吸收以分离其中的CO2是最有效的手段[6，7]。
基本的MEACO2溶液吸收-解吸流程被广泛用于天然气处理工厂和制氨工厂的CO2去除.该流程用于捕获电站废气中的CO2时,吸收系统的作用是实现所需的CO2脱除效率,并为解吸系统提供高浓度CO2的富胺盐溶液.解吸系统必须解吸出一定量的CO2,以提供合理的CO2浓度的贫胺盐溶液返回吸收系统循环使用.贫-富胺盐溶液的热交换可有效利用贫胺盐溶液的热能,以减少解吸能耗.但是,该流程能耗仍然较高,而解吸过程热负荷Qreb的大小直接影响到蒸汽消耗量,其费用接近整个捕获流程运行费用的80%,使得基本MEA流程处理发电厂燃放气中CO2的商业应用受到严重制约[8]。
溶剂种类、传质设备类型和工艺流程设置等因素[8，9]会影响到溶液吸收-解吸流程的效率和热消耗.因此,在开展新的流程研究之前,综合优化基本的MEACO2捕获流程以进一步减少胺盐溶液解吸过程中的热能消耗是非常必要的[10]。
化学吸收法主要采用碱性溶液等能同CO2进行快速反应的物质溶解吸收CO2，然后通过改变条件分解释放CO2气体，同时再生吸收剂。
MEA具有很好的吸收能力并且工艺简单，是较理想的吸收剂。
目前，世界上大多数从电厂烟气中捕集CO2的方法都是以MEA溶剂为基础的化学吸收法[11]。
根据理论分析，MEA与CO2反应生成比较稳定的氨基甲酸盐，在再生过程中需要较多的能量才能分解，导致再生能耗较大。
同时氨基甲酸盐对设备的腐蚀性较强，又易形成水垢。
MEA与CO2的反应式[12]如下：
CO2+HOCH2CH2NH2=HOCH2CH2HNCOO－+H+
（1）
HOCH2CH2HNCOO－+H2O=HOCH2CH2NH2+HCO3－
（2）
HOCH2CH2NH2+H+=HOCH2CH2NH3+（3）
反应为放热反应，在加热作用下，反应将会逆向进行，可对醇胺溶液进行再生。
因为MEA与CO2反应生成比较稳定的氨基甲酸盐
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