MDEA_正丁醇_水溶液的CO_%282%29平衡溶解度和吸收热实验研究.pdf
《MDEA_正丁醇_水溶液的CO_%282%29平衡溶解度和吸收热实验研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《MDEA_正丁醇_水溶液的CO_%282%29平衡溶解度和吸收热实验研究.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、二氧化碳捕集第 48 卷第 3 期低碳化学与化工Vol.48 No.3Jun.2023Low-carbon chemistry and chemical Engineering2023 年 6 月MDEA/正丁醇/水溶液的CO2平衡溶解度和吸收热实验研究唐建峰1,2,许义飞1,2,桑伟1,2,陈洁1,2,孙培源1,2,王铭1,2(1.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东青岛266580;2.中国石油大学(华东)山东省油气储运安全省级重点实验室,山东青岛266580)摘要:在胺/物理溶剂/水相变吸收体系中,由于物理溶剂取代了相变吸收剂中的部分水,导致溶液的物化性质发生改变,从而影响了溶液
2、的热力学性能。采用静态平衡法和绝热量热法对物理溶剂型液液相变吸收剂N-甲基二乙醇胺(MDEA)/正丁醇/水溶液在不同吸收温度和溶液配比下的CO2平衡溶解度和吸收热变化规律进行了分析。结果表明,与CO2的化学溶解度相比,吸收温度的升高对CO2物理溶解度的负面影响更大;溶液富相黏度随着MDEA含量(质量分数,下同)或正丁醇含量的增加而不断增加,导致气液相间的传质阻力不断上升,当溶液中CO2溶解度超过 1.0 mol/mol时,溶液中正丁醇含量越高,其平衡溶液度曲线越平缓。溶液的反应热随着吸收温度的升高而增加,当吸收温度超过 333.15 K时,在水的作用下MDEA与CO2的反应将向逆反应方向移动;
3、当CO2溶解度低于 0.3 mol/mol时,溶液的化学吸收占据主导地位,导致不同正丁醇含量的溶液反应热基本一致;当CO2溶解度超过 0.3 mol/mol时,物理溶剂溶解CO2的优势得以体现,使得吸收热下降的幅度增大。关键词:相变吸收剂;CO2溶解度;吸收热;N-甲基二乙醇胺;正丁醇中图分类号:TQ51;X511文献标志码:A文章编号:2097-2547(2023)03-123-07Experimental study on CO2 equilibrium solubility and absorption heat of MDEA/n-butanol/aqueous solutionTAN
4、G Jianfeng1,2,XU Yifei1,2,SANG Wei1,2,CHEN Jie1,2,SUN Peiyuan1,2,WANG Ming1,2(1.College of Pipeline and Civil Engineering,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,Shandong,China;2.Shandong Provincial Key Laboratory of Oil and Gas Storage and Transportation Safety,China University of
5、Petroleum(East China),Qingdao 266580,Shandong,China)Abstract:In the amine/physical solvent/water phase change absorption system,the physicochemical properties of the solution are changed because the physical solvent replaces part of the water in the phase change absorbent,which affects the thermodyn
6、amic properties of the solution.The static equilibrium method and adiabatic calorimetry method were used to analyze the CO2 equilibrium solubility and absorption heat of the physical solvent liquid-liquid phase change absorbent N-methyldiethanolamine(MDEA)/n-butanol/aqueous solution at different abs
7、orption temperatures and solution ratios.The results show that compared with the chemical solubility of CO2,the increase of absorption temperature has a greater negative effect on the physical solubility of CO2.The rich phase viscosity of the solution increases with the increase of MDEA content(mass
8、 fraction,the same below)or n-butanol content,resulting in the increase of mass transfer resistance between gas and liquid phases.When the CO2 solubility in the solution exceeds 1.0 mol/mol,the higher the content of n-butanol in the solution,the flatter the equilibrium solubility curve.The reaction
9、heat of the solution increases with the increase of the absorption temperature.When the absorption temperature exceeds 333.15 K,the reaction between MDEA and CO2 will move in the reverse direction under the action of water.When the CO2 solubility is lower than 0.3 mol/mol,the chemical absorption of
10、the solution dominates,resulting in a consistent reaction heat of the solution at different n-butanol contents.When the CO2 solubility exceeds 0.3 mol/mol,the advantage of physical solvent to dissolve CO2 is reflected,which increases the decrease of absorption heat.Keyword:phase change absorbent;CO2
11、 solubility;absorption heat;N-methyldiethanolamine;n-butanol收稿日期:2023-02-26;修回日期:2023-04-10。第一作者:唐建峰(1973),博士,教授,博士生导师,研究方向为天然气预处理、油气田地面集输,E-mail:。DOI:10.12434/j.issn.2097-2547.202300602023 年第 48 卷低碳化学与化工124化石燃料燃烧产生的大量二氧化碳(CO2)是加剧全球气候变化的主要因素之一1。为了减缓温室效应,相较于采用新能源或者改造现有能源系统等方法,CO2捕集拥有更强的操作灵活性和应用潜力2。与膜
12、分离法和物理吸附法等方法相比,化学吸收法是目前工业上较为成熟的CO2捕集方法,其原理主要是通过碱性溶液与CO2进行吸收反应,然后利用反应的可逆性以高温加热的方式实现溶液的再生3。传统的化学吸收剂为有机胺溶液,N-甲基二乙醇胺(MDEA)化学稳定性好,作为溶质不易降解变质,且溶液的发泡和腐蚀性均低于一乙醇胺(MEA)和二乙醇胺(DEA)4,因此MDEA溶液问世以来发展迅速。然而,由于吸收剂中溶剂水的比热容大和高温解吸条件下水会大量汽化5,导致再生能耗较高,大大增加了工业运行成本6。近年来,物理溶剂型相变吸收剂已成为研究热点,这类吸收剂可通过减少解吸过程中的显热和潜热7,使再生能耗显著降低8。结合
13、MDEA溶液低反应焓和高CO2溶解度的特性,YANG等9基于助溶效应开发了MDEA体系的相变吸收剂,经过对MDEA/正丁醇/水相变体系吸收和解吸性能的研究发现,其CO2解吸率最高可达 92%,且CO2循环容量较 30%(质量分数)MEA溶液提高了 76%;王莹莹10研究了加入甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇、正戊醇或正己醇对有机胺/物理溶剂/水相变体系的影响,发现正丁醇的加入对MDEA体系促进效果最明显,初始解吸速率和循环负载量分别比原体系提高了约 50%和 20%;桑伟等11发现,与亲水型物理溶剂相比,加入疏水性正丁醇的相变吸收剂具有更低的富相比例,且贫液中CO2溶解度较低。综上所述,MDEA/正
14、丁醇/水相变体系具有良好的吸收、分相和解吸性能,工业应用潜力较好。目前,对于胺/物理溶剂/水相变吸收剂的研究,主要局限于吸收剂的吸收、分相和解吸性能,针对其热力学性能的研究较少。相比于有机胺溶液的热力学性能12-13,由于胺/物理溶剂/水相变吸收剂中的物理溶剂取代了溶液中的部分水,导致溶液的物化性质发生改变,进而有可能对溶液的热力学性能产生一定影响。针对目前吸收和解吸性能均较优的MDEA/正丁醇/水相变体系,本文拟采用实验的手段研究吸收温度和溶液配比对CO2平衡溶解度和吸收反应热的影响。1实验部分1.1实验试剂与材料CO2,纯度为 99.995%,青岛天源特种气体厂产品;MDEA,分析纯,上海
15、展运化工有限公司产品;正丁醇,分析纯,国药集团化学试剂有限公司产品;硫酸(H2SO4),纯度为 98%,国药集团化学试剂有限公司产品;二次蒸馏去离子水,实验室自制。1.2实验装置与方法1.2.1气液平衡溶解度测定装置与方法气液平衡溶解度实验装置示意如图 1 所示。该实验装置主要由配气部分、循环水域、搅拌釜和数据采集系统等组成。反应釜有内外两层,内釜为溶液反应区域,外釜为水浴加热区域,实验中反应釜内温度(T)和压力(p)的变化由传感器进行监测。其中,溶液蒸汽压的测量方法为:首先通过真空泵将已吸入溶液的反应釜内的压力抽至不再变化,再开启磁力搅拌装置和循环水浴系统,当反应釜内的温度和压力达到稳定时,
16、此时反应釜内的压力即为溶液的蒸汽压。1混合气瓶;2减压阀;3恒温水浴箱;4缓冲罐;5反应釜;6磁力搅拌装置;7循环水浴装置;8数据采集电脑;9流量计;Vi针阀。图 1气液平衡溶解度实验装置示意Fig.1 Schematic diagram of gas-liquid equilibrium solubility experimental device1.2.2黏度测定溶液黏度通过安东帕MCR-2 旋转流变仪测定,该流变仪主要由黏度测试主机、水浴降温系统和空气压缩机组成。温度测试范围为-20100 C,黏度测试范围为 0.10109 mPas,测试精度为0.01 mPas。所有测试均重复 2 遍
17、以上确保黏度值的准确性。1.2.3吸收热测定为准确测定吸收剂吸收CO2过程中的反应热,基于绝热量热法原理,设计了如图 2 所示的绝热吸收实验装置。第 3 期125唐建峰等:MDEA/正丁醇/水溶液的CO2平衡溶解度和吸收热实验研究1高压气瓶;2减压阀;3手摇泵;4恒温水浴;5预热盘管;6调压阀;7调压阀;8单向阀;9绝热釜;10定功率加热棒;11磁力搅拌器;12真空表;13真空泵。图 2吸收反应热实验测量装置示意Fig.2Schematic diagram of absorption reaction heat experimental measuring device1.3实验数据处理方法1
18、.3.1CO2溶解度通入反应釜内的CO2的物质的量(nCO2,mol)由式(1)计算:(1)式中,Vbuffer是缓冲盘管加上连接管的体积,mL;Z1和Z2分别是p1(缓冲单元的初始压力,MPa)和p2(对气液平衡实验装置加压后缓冲单元的初始压力,MPa)下的压缩因子,由Peng-Robinson方程确定;TS为系统温度,K;R为气体常数,本文取值为 8.314 J/(molK)。反应釜中气液平衡时气相CO2的分压(pCO2,MPa)由式(2)计算:(2)式中,pt和pv分别为反应釜内气液平衡时的总压和MDEA-正丁醇溶液的蒸汽压,单位均为MPa。吸收后气相中CO2的物质的量(ngCO2,mo
19、l)由 式(3)计算:(3)式中,T为反应釜内温度,K;Z为气相的压缩因子,Vg为反应釜中的气相体积,mL。溶液吸收CO2的物质的量(nl CO2,mol)由式(4)计算:(4)溶液中CO2溶解度(CO2,mol/mol)由式(5)计算:(5)式中,nAmine为MDEA的物质的量,mol。1.3.2吸收热吸收剂与CO2的吸收热由式(6)计算:(6)式中,Habs为反应放出的热量,kJ;为溶液吸收CO2前后的平均质量,kg;为溶液平均定压比热容,kJ/(kgK);T1和T2分别为绝热釜内溶液的起始温度和平衡温度,K;HT为吸收反应热系统的热当量,本文以纯水对HT进行测算,得出取值为 1.22
20、kJ/K14。1.4实验条件和方法验证1.4.1实验条件基于前期溶液各组分含量(质量分数,下同)对吸收性能的影响实验,发现当MDEA、正丁醇和水的质量比为 4:3:3 时,溶液的吸收、分相和解吸性能综合最优。因此,本文参考前期实验结果进行了MDEA/正丁醇/水溶液的CO2平衡溶解度(溶液在对应压力下的CO2最大溶解度)和吸收热研究,实验条件见表 1。表 1CO2平衡溶解度和吸收热实验条件Table 1Experimental conditions of CO2 equilibrium solubility and absorption heat固定条件变动条件变动情况MDEA含量为40%,正丁
21、醇含量为30%实验温度303.15 K、313.15 K、323.15 K、333.15 K、343.15 K 实验温度为313.15 K,正丁醇含量为30%MDEA含量0%、30%、40%、50%实验温度为313.15 K,MDEA含量为40%正丁醇含量0%、10%、20%、30%、40%1.4.2方法验证在MDEA质量分数为26%,溶液温度为313.15 K 时,测量了不同压力下的CO2溶解度,得出对应压力下的CO2平衡溶解度,并且与文献结果15-16进行比较,结果如图 3 所示。在MDEA质量分数为30%,溶液温度为 323.15 K,吸收压力为 0.5 MPa时,测量了反应过程的吸收热
22、,结果如图 4 所示。并利用相对平均偏差公式(式(7))将本文实验吸收热值与文献结果17-18进行比较,得出本文实验吸收热值与参考文献值的相对平均偏差分别约为 5.08%和 2.05%。综上所述,本文的CO2平衡溶解度和吸收热与文献值比较吻合,本文的实验装置和实验方法具有良好的可靠性。2023 年第 48 卷低碳化学与化工126图 326%MDEA溶液的CO2溶解度的实验值与文献值比较Fig.3Comparison of experimental and literature values of CO2 solubility in 26%MDEA solution分子间相互作用的体现,对于大多
23、数气体来说,其在溶液中的溶解是一个放热过程,当溶液温度升高时,削弱了气体分子与溶剂分子间的吸引力,从而降低了气体在溶液中的溶解度19。从图 5 中还可以看出,当吸收温度从 313.15 K升高至 323.15 K时,相同的CO2溶解度下,平衡压力提升幅度较小(图 5 中b区间),说明在此温度区间内,溶液的化学溶解度较高,抵消了一部分由温度升高造成的物理溶解度降低的效果。吸收温度从333.15 K升高至 343.15 K,在相同的CO2溶解度下,平衡压力提升幅度较大(图 5 中a区间),说明此时温度过高,已经影响了MDEA碱催化水合反应的化学平衡,导致溶液的化学溶解度降低。因此,对于MDEA/正
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- MDEA_ 丁醇 水溶液 CO_ 282 29 平衡 溶解度 吸收 实验 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。