MDEA[C2OHmim][Lys]混合水溶液吸收CO2的研究

笔记

时间：2020-09-10

1. MEA机理的首先解释：Haruo Hikita等人30通过研究MEA和二氧化碳的吸收，得到了目前应用最广泛的动力学模型，此模型基于MEA浓度为0.02~0.18kmol/m³,温度为278.6-308.4k时用快速混合技术（rapid mixing method）研究所得。

2. 热钾碱法与醇胺法对比：Leci和 Goldthorpe研究发现热钾碱法对于处理前 气体中含有的氮氧化物浓度有要求，需要低于1 ppm的浓度[21]。有机胺法在工 业应用上较为普遍,它的净化度较高,能耗相对热钾减法较低，能进行广泛应用。

3. 关于叔胺的有趣的工作：

   • Chakma等人基于H₂S和CO₂在MDEA溶液中的溶解性的研究测得MDEA在100-200下的CO2的溶解度，并优化了CO₂在水溶液中分压的计算方法。、
   • Blauwhoff、Versteeg研究了MDEA与CO₂的反应动力学

4. 穿梭机理的好的描述：

   

5. 参数的定义：

   • CO₂吸收速率：

     \[r=\frac{\Delta N}{T}=\frac{P\left(x_{i n}-x_{o u t}\right) Q}{R T} \]

   • 吸收容量：

     \[C_{\text {Total}}=\int_{0}^{t} r d t \]

   • 再生效率(吸收液再生后得到的溶液吸收CO₂吸收容量与新鲜的吸收液之间的比例)：

     \[\eta=\frac{c_{\text {regeneration}}}{c_{0}} \times 100 \% \]

6. 氧气浓度对MDEA/离子液体混合水溶液吸收CO₂的影响：

   氧气的存在会降低吸收剂的吸收性能且随着氧气浓度的增加对吸收性能的影响也会增加。

   

7. MDEA/离子液体混合水溶液吸收CO2的传质反应动力学：

   • 反应条件

     

     

   • 粘度与密度的测定(建立了与吸收负荷的经验关系式)

   • 扩散系数与溶解度系数的估算：

     • N₂O类比法计算CO₂在MDEA水溶液的扩散系数，经验公式：

       \[\begin{aligned} D_{\mathrm{CO}_{2}, \mathrm{MDEA}} &=D_{\mathrm{N}_{2} \mathrm{O}, \mathrm{MDEA}} \frac{D_{\mathrm{CO}_{2}, \text { water }}}{D_{\mathrm{N}_{2} \mathrm{O}, \text { water }}} \\ D_{\mathrm{CO}_{2}, \text { water }} &=2.35 \times 10^{-6} \exp \left(\frac{-2119}{T}\right) \\ D_{\mathrm{N}_{2} \mathrm{O}, \text { water }} &=5.07 \times 10^{-6} \exp \left(\frac{-2371}{T}\right) \\ D_{\mathrm{N}_{2} \mathrm{O}, \mathrm{MDEA}} & \times \mu_{\mathrm{MDEA}}^{0.8}=D_{\mathrm{N}_{2} \mathrm{O}, \text { water }} \times \mu_{\mathrm{water}}^{0.8} \end{aligned} \]

     • 溶解度系数：

       \[\begin{array}{l} H_{\mathrm{CO}_{2}, \mathrm{MDEA}}=H_{\mathrm{N}_{2} \mathrm{O}, \mathrm{MDEA}} \frac{H_{\mathrm{CO}_{2}, \text { water }}}{H_{\mathrm{N}_{2} \mathrm{O} \text { ,water }}} \\ H_{\mathrm{CO}_{2}, \text { water }}=2.8249 \times 10^{6} \exp \left(\frac{-2044}{T}\right) \\ H_{\mathrm{N}_{2} \mathrm{O}, \text { water }}=8.5470 \times 10^{6} \exp \left(\frac{-2284}{T}\right) \\ H_{\mathrm{N}_{2} \mathrm{O}, \mathrm{MDEA}}=\left(5.52+0.7 C_{\mathrm{MDEA}}\right) \times 10^{6} \exp \left(\frac{-2166}{\tau}\right) \end{array} \]

       最终(参考AMP/离子液体混合水溶液的溶解度计算公式可得出)：

       \[H_{\mathrm{CO}_{2}}=509.77 C_{\left[\mathrm{C}_{2} \mathrm{OHmim}\right][\mathrm{Lys}]}+H_{\mathrm{CO}_{2}, \mathrm{MDEA}} \]

   • 传质反应动力学：

     对于MDEA/离子液体混合水溶液与CO₂反应的机理研究得出结论，MDEA/离子液体混合水溶液与CO₂的反应可以分为两个阶段：首先例子液体与CO₂反应生成氨基甲酸盐； 随后MDEA与氨基甲酸盐发生反应生成碳酸氢根离子，可以将离子液体视为CO₂传递体，其促进MDEA与CO₂之间的反应，并推测两个反应阶段皆为快速拟一级反应：

     \[\begin{array}{l} -r=k_{I L} C_{C O_{2}} C_{I L}=k_{o v, L L} C_{C O_{2}} \\ -r=k_{M D E A} C_{C O_{2}} C_{M D E A}=k_{o v, M D E A} C_{C O_{2}} \end{array} \]

     其中r为反应速率，kmol·m^-3·s^-1；k为二级反应速率常数，m³·kmol^-1·s^-1；

     kov为拟一级反应速率常数，s^-1。

     传质分析：

     双膜模型的传质方程：

     \[\begin{array}{l} N=k_{G}\left(P_{c o_{2}, G}-P_{C O_{2}, i}\right) \\ N=k_{L}^{\prime}\left(C_{\mathrm{co}_{2}, \mathrm{i}}-C_{\mathrm{CO}_{2}, \mathrm{L}}\right) \\ k_{L}^{\prime}=E \times k_{L} \end{array} \]

     其中N为传质通量，由上①式利用Henry定律：

     \[C_{\mathrm{CO}_{2}, \mathrm{i}}=\left(P_{\mathrm{CO}_{2}, \mathrm{G}}-\frac{N}{\mathrm{k}_{\mathrm{G}}}\right) \times \frac{1}{H_{\mathrm{CO}_{2}}} \]

     反应为快速拟一级反应，液相主体CO₂浓度几乎为0，联立上各式：

     \[N=\frac{P_{C O_{2}}}{\frac{H_{C O_{2}}}{E k_{L}+\frac{1}{k_{G}}}} \]

     忽略气相扩散的阻力（\(\frac{1}{k_{G}} \ll \frac{H_{C O_{2}}}{E \times k_{L}}\)）：

     \[N=\frac{E k_{L} P_{C O_{2}}}{H_{C O_{2}}} \]

     式中的E可用Hatta准数表示（液膜内化学反应速率与物理吸收速率之比）：

     \[\begin{array}{l} H a=\frac{\sqrt{D_{C O_{2} k_{O U}}}}{k_{L}} \\ E=\frac{H a}{\tanh H a}, \tanh H a=\frac{\mathrm{e}^{\mathrm{Ha}_{-\mathrm{e}}-\mathrm{Ha}}}{\mathrm{e}^{\mathrm{Ha}_{+\mathrm{e}}-\mathrm{Ha}}} \end{array} \]

     当Ha>3时，反应为快速反应， tanhHa ≈1，上式可化为：

     \[E \approx H a=\frac{\sqrt{D_{C O_{2} k_{o \nu}}}}{k_{L}}\\ N=\frac{P_{C O_{2}}}{H_{C O_{2}}} \sqrt{D_{C O_{2}} k_{o v}} \]