[发明专利]一种多段膜吸收脱除二氧化碳的方法及装置

权利要求书

1.一种多段膜吸收空气脱除二氧化碳的方法，其特征在于，包括如下步骤：

第1步，对含有CO₂的气体采用疏水性多孔膜进行膜吸收方法初步脱除CO₂；

第2步，对第1步处理后的气体采用亲水性多孔膜进行膜吸收方法进一步脱除CO₂。

2.根据权利要求1所述的多段膜吸收空气脱除二氧化碳的方法，其特征在于，在一个实施方式中，上述的第1步或第2步中的膜吸收过程中，吸收液采用无机碱或者胺类化合物作为吸收剂；

在一个实施方式中，所述的无机碱选自NaOH或者KOH；

在一个实施方式中，无机碱的质量浓度范围是1-30wt％。

3.根据权利要求1所述的多段膜吸收空气脱除二氧化碳的方法，其特征在于，在一个实施方式中，胺类化合物选自包括甲基二乙醇胺在内的一级醇胺、二级醇胺、三级醇胺、空间位阻胺和环状有机胺等中的一种或多种；

在一个实施方式中，胺类化合物的质量浓度范围可以是5-40wt％。在一个实施方式中，含有CO₂的气体中CO₂总含量为1～30wt％。

4.根据权利要求1所述的多段膜吸收空气脱除二氧化碳的方法，其特征在于，在一个实施方式中，亲水性多孔膜的孔径范围0.05～3μm，水滴接触角范围小于50°；在一个实施方式中，疏水性多孔膜的孔径范围0.05～3μm，水滴接触角范围90-170°；

在一个实施方式中，第2步中经过处理后的如上所述的胺类化合物吸收液可经过升温使CO₂从吸收液中解吸使吸收液再生。

5.一种多段膜吸收空气脱除二氧化碳装置，其特征在于，包括：

相互串联的疏水性多孔膜和亲水性多孔膜；

吸收液输送管，与亲水性多孔膜的液相一侧连接；

含CO₂的气体输入管，与疏水性多孔膜的气相一侧连接。

6.根据权利要求5所述的多段膜吸收空气脱除二氧化碳装置，其特征在于，在一个实施方式中，疏水性多孔膜的气相一侧的气体出口连接于亲水性多孔膜一侧的气体进口；

在一个实施方式中，亲水性多孔膜的液相一侧的液体出口连接于疏水性多孔膜一侧的液体进口。

7.根据权利要求5所述的多段膜吸收空气脱除二氧化碳装置，其特征在于，在一个实施方式中，还包括气体预处理装置，用于对供入亲水性多孔膜的气体进行预处理；在一个实施方式中，所述的气体预处理装置是过滤装置，用于去除气体中的颗粒物；

在一个实施方式中，亲水性多孔膜是管式陶瓷膜，管内为吸收液侧，管外为气体侧；孔径范围0.05～3μm，水滴接触角范围小于50°

8.根据权利要求5所述的多段膜吸收空气脱除二氧化碳装置，其特征在于，在一个实施方式中，疏水性多孔膜是管式陶瓷膜，管内为吸收液侧，管外为气体侧；孔径范围0.05～3μm，水滴接触角范围90-170°。

9.亲水性多孔膜联合疏水性多孔膜在用于基于膜吸收过程中用于分离气体中CO₂的应用。

10.一种CO₂膜吸收过程中的传质系数的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)疏水膜上的CO₂总传质系数通过下式计算：

其中，K_G为总传质系数(m·s^-1)，k_s、k_t、k_m分别表示壳程传质系数(m·s^-1)、管程传质系数(m·s^-1)、膜程传质系数(m·s^-1)，d_o、d_i、d_lm分别为疏水膜膜管的外径(m)、内径(m)和平均对数直径(m)，R为理想气体常数(J·mol^-1·K^-1)，H为亨利系数(m³Pa mol^-1)，T为吸收剂温度(K)，E为化学反应增强因子；

其中，壳程传质系数(k_s)通过求解以下方程得到：

Sh_s＝0.57Re_s^0.31Sc_s^0.33

其中，Sh_s为壳程谢伍德数，Re_s为壳程雷诺数，Sc_s为壳程施密特数，u_G为气体流速(m·s^-1)，v_G为氮气运动粘度系数(m²s^-1)，为CO₂在气相中的扩散系数(m²·s^-1)；

其中，管程传质系数(k_t)通过求解以下方程得到：

Sh_t＝1.62Gz_t^0.33u_L^1.86

其中，Sh_t为管程谢伍德数，Gz_t为管程格雷茨数，u_L为液体流速(m·s^-1)，L为膜管有效长度(m)，为CO₂在液相中的扩散系数(m²·s^-1)；

其中，膜程传质系数(k_m)通过求解以下方程得到：

其中，为CO₂在膜孔孔道内的扩散系数(m²·s^-1)，ε为膜管管壁的孔隙率，τ为膜管管壁的曲折因子，δ膜管管壁的壁厚(m)；

通过下式计算出：

增强因子(E)通过求解以下方程得到：

其中，Ha为Hatta数，

k_E是反应速率(m³·mol^-1·s^-1)，是CO₂在液体中的扩散速率(m²·s^-1)，c_OH-,L是吸收液中NaOH浓度(mol·m^-3)，k_L是液相传质系数(m·s^-1)；

其中，E_i代表的是瞬时反应增强因子，

是CO₂的气相浓度(mol·m^-3)，D_OH-,L是OH^-在液相中的扩散速率(m²·s^-1)。

(2)亲水膜上的CO₂总传质系数通过下式计算：

其中，K_G为总传质系数(m·s^-1)，k_s、k_t、k_m分别表示壳程传质系数(m·s^-1)、管程传质系数(m·s^-1)、膜程传质系数(m·s^-1)，d_o、d_i、d_lm分别为疏水膜膜管的外径(m)、内径(m)和平均对数直径(m)，R为理想气体常数(J·mol^-1·K^-1)，H为亨利系数(m³Pa mol^-1)，T为吸收剂温度(K)，E为化学反应增强因子；

其中，壳程传质系数(k_s)通过求解以下方程得到：

Sh_s＝0.57Re_s^0.31Sc_s^0.33

其中，Sh_s为壳程谢伍德数，Re_s为壳程雷诺数，Sc_s为壳程施密特数，u_G为气体流速(m·s^-1)，v_G为氮气运动粘度系数(m²s^-1)，为CO₂在气相中的扩散系数(m²·s^-1)；

其中，管程传质系数(k_t)通过求解以下方程得到：

Sh_t＝1.62Gz_t^0.33u_L^1.86

其中，Sh_t为管程谢伍德数，Gz_t为管程格雷茨数，Sc_t为管程斯密特数，Re_t为管程雷诺数，u_L为液体流速(m·s^-1)，L为膜管有效长度(m)，为CO₂在液相中的扩散系数(m²·s^-1)；

其中，膜程传质系数(k_m)通过求解以下方程得到：

其中，为CO₂在膜孔孔道内的扩散系数(m²·s^-1)，ε为膜管管壁的孔隙率，τ为膜管管壁的曲折因子，δ膜管管壁的壁厚(m)；

可以通过下式计算出：

其中，增强因子(E)通过下式计算得到：

Hatta数Ha通过正式计算得到：

k_E是反应速率(m³·mol^-1·s^-1)，是CO₂在液体中的扩散速率(m²·s^-1)，c_OH-,L是吸收液中NaOH浓度(mol·m^-3)，k_L是液相传质系数(m·s^-1)；

其中，E_i代表的是瞬时反应增强因子，由如下方程计算：

是CO₂的气相浓度(mol·m^-3)，D_OH-,L是OH^-在液相中的扩散速率(m²·s^-1)。