CN107866133B - 一种氨烃基硅烷系列脱碳溶剂及脱碳方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及气体分离技术领域的一种脱碳溶剂及工艺，具体涉及一种氨烃基硅烷系列脱碳溶剂及工艺。本发明溶剂具有物理吸收和化学吸收特性，同时又兼具较高的热稳定性、高CO2吸收载荷、低解吸能量、低挥发性、高反应速度、低成本、性质温和不腐蚀设备、绿色环保等等各项优点；相应脱碳工艺操作方法简单灵活，可实现自动化运行。
Description
技术领域
本发明涉及气体分离技术领域的一种脱碳溶剂及工艺，具体涉及一种氨烃基硅烷系列脱碳溶剂及工艺。
背景技术
醇胺法脱碳技术是目前商业上最可行也是最有效的酸气捕集技术，该技术是以MEA、MDEA、DEA等有机醇胺类溶剂为代表，由于醇胺类溶剂具有优良的化学和物理性能而被广泛应用于天然气、燃煤烟气、炼厂气等气体的净化。
醇胺法脱碳工艺是典型的气-液吸收工艺。首先将含有欲脱除的酸性气体的气体混合物与醇胺溶液接触，当吸收单元中的吸收剂吸收酸性气体后成为富液；之后所述的富液被送入再生单元，富液一般经加热处理进行分离再生，成为贫液和被吸收的气体；最后，将所述的贫液循环至吸收单元。
醇胺法脱除CO2效果好，工艺成熟，但缺点也较多。醇胺溶剂易降解、易挥发，运行损耗大，醇胺吸收酸性气体后，溶液对设备腐蚀性较大，因此需要配套使用大量助剂如抗氧剂、缓蚀剂等。在此类型的气-液吸收中，运行能耗高等问题还是较为突出，且所述再生工艺的能耗占总能耗比重80%以上。这些问题难以同时被妥善解决。
随着CO2捕集技术的发展，对CO2捕集溶剂的吸收和再生性能要求越来越高，特别是对于化学稳定性、再生能耗等指标提出了更高的要求，传统的胺类溶剂在这方面由于受到其自身结构和性质的制约，在多年的配方改良以及工艺优化的工作基础上已经做到最大程度潜力的挖掘，难以再有大幅度的突破性进展。需要开发一种新型溶剂能够解决醇胺脱碳技术醇胺溶剂易降解，易挥发，醇胺吸收酸性气体后，溶液对设备腐蚀性较大，再生能耗高等缺点。
发明内容
本发明针对现有醇胺脱碳技术醇胺溶剂易降解，易挥发，醇胺吸收酸性气体后，溶液对设备腐蚀性较大，再生能耗高等缺点，旨在提供一种基于功能化的分子设计的氨烃基硅烷系列脱碳溶剂及其相应脱碳工艺，以克服现有醇胺脱碳技术的问题。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种氨烃基硅烷系列脱碳溶剂，其特征在于所述脱碳溶剂由氨烃基硅烷溶剂和共溶剂组成，所述氨烃基硅烷的结构式为A ：[NH2(CH2)m] nSiR4-n ，其中m≥1，n为1~4，R为烷基或芳基；或者氨烃基硅烷的结构式为B：[NH2(CH2)aNH(CH2)b] nSiR4-n ，其中a≥1，b ≥1，n为1~4，R为烷基或芳基；所述氨烃基硅烷溶剂为A或B中的一种或几种；所述共溶剂质量含量为10~50%。
一般地，所述共溶剂为低聚合度聚乙二醇。
所述氨烃基硅烷溶剂为NH2CH2SiMe3、(NH2CH2)2SiMe2、NH2CH2CH2SiMe3、NH2(CH2)3SiMe3、NH2(CH2)3SiMeEt2、p-NH2C4H6SiMe3、NH2C2H4NHC3H6SiMe3中的一种或几种。
本发明还提供了采用该脱碳溶剂的脱碳装置，其特征在于包括超重力吸收器、料浆收集槽、再生反应釜、料浆输送装置、脱碳溶剂循环输送及换热装置，所述超重力吸收器顶部与脱碳溶剂循环输送及换热装置相连，底部出口与料浆收集槽相连；所述料浆输送装置一端与料浆收集槽相连，一端与再生反应釜相连；所述再生反应釜与脱碳溶剂循环输送及换热装置相连。
具体地，所述超重力吸收设备为超重力机，内部设置可被带动旋转的填料和喷液口；所述料浆输送装置为螺旋输送机，，所述再生反应釜为加压再生釜；所述脱碳溶剂循环输送及换热装置包括循环泵和换热器；所述螺旋输送机的入口和出口分别与料浆收集槽的底端和加压再生釜相连；所述循环泵与加压再生釜和换热器相连。
本发明也提供了采用该脱碳溶剂的脱碳方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）氨烃基硅烷和共溶剂先加入再生反应釜内，循环泵将脱碳溶剂送至超重力吸收器顶部，烟气由超重力吸收设备底部进入，与脱碳溶剂逆流接触，脱碳溶剂吸收温度10~50 ℃；
（2）料浆和净化烟气在超重力吸收设备中被分离开来，净化气由超重力吸收器顶部排除系统外，料浆在超重力吸收器底部的料浆收集槽富集；
（3）料浆由料浆输送装置加压输送至再生反应釜，再生之后的吸收剂经换热器送至超重力吸收器继续反应，再生绝对压力为0.4 Mpa，再生温度70~100 ℃，吸收剂经换热器降温到10~50 ℃。
本发明的氨烃基硅烷脱碳溶剂能溶于一般有机溶剂，由于其N元素存在未共用电子对，可与质子结合而呈碱性，具有特殊的气味，其沸点一般在100 ℃以上，密度与水接近。
所述氨烃基硅烷系列脱碳溶剂能迅速吸收CO2，并且得到固体氨基甲酸盐，氨烃基硅烷在吸收CO2后容易以盐的形态结晶，显示其较高的CO2吸收能力。
所述氨烃基硅烷系列脱碳溶剂需要选择使用共溶剂，共溶剂需要能够有效溶解高浓度的氨基硅氧烷及其氨基甲酸盐，且具有高沸点，以减少解吸的蒸发损失热，另外还必须具有低毒性、低比热等性能。
按一定比例配制成由氨烃基硅烷以及共溶剂组成的脱碳吸收液。
所述再生反应釜为加压再生釜，再生压力为0.4 Mpa(绝对压力)。
本发明的有益效果：所述氨烃基硅烷系列脱碳溶剂种类较多选择范围广，该脱碳溶剂具有物理吸收和化学吸收特性，同时又兼具较高的热稳定性、高CO2吸收载荷、低解吸能量、低挥发性、高反应速度、低成本、性质温和不腐蚀设备、绿色环保等等各项优点。该脱碳溶剂可用于捕集各种气源中的CO2，如化石燃料尾气，化工反应尾气，天然气等，具有很好的社会效益和经济效益。
本发明氨烃基硅烷系脱碳工艺相对传统方法简单，较大幅度降低脱碳能耗，并且不影响脱碳效果。脱碳溶剂在使用过程中没有损耗，能够循环使用，且脱碳溶剂不含醇胺，无需使用缓蚀剂以及抗氧化剂，水的气化蒸发热很低，大幅度降低能耗，节约了脱碳成本。本方法操作简单灵活，将系统控制程序化可以实现自动运行。
本发明脱碳装置能较好地适应本发明脱碳溶剂相变的严苛条件，与传统的醇胺脱碳装置相比，主要区别在于使用超重力吸收器代替传统的吸收塔，料浆输送装置代替富液泵，再生反应釜代替再生塔，且不需要使用再沸器。
附图说明
图1本发明实施例所使用的装置流程示意图。
图中1—超重力吸收器；2—料浆收集槽；3—料浆输送装置；4—再生反应釜；5—循环泵；6—换热器；7-冷却水进口；8-冷却水出口；9-喷液口；10-填料。
具体实施方式
下面通过实例进一步说明本发明的脱碳溶剂及其相应脱碳工艺在降低能耗和氧化抑制方面上的特点，但本专利的保护范围并不受实施例的限制。
以下实施例采用的脱碳装置参见附图1，包括超重力吸收器1、料浆收集槽2、料浆输送装置3、再生反应釜4、循环泵5以及换热器6。
该装置中超重力吸收器1的底部出口设置料浆收集槽2；在所述吸收塔的顶部入口与再生反应釜4之间设置循环泵5和换热器6。
所述超重力吸收设备为超重力机，内部设置可被带动旋转的填料。
所述料浆收集槽2底部出口通过料浆输送装置3输送到再生反应釜4中。
所述料浆输送装置为螺旋输送机。
脱碳过程如下：氨烃基硅烷和共溶剂先加入再生反应釜4内，循环泵5将脱碳溶剂送至超重力吸收器1顶部中间的管道，超重力机带动喷液管以及填料旋转，吸收剂均匀洒下，烟气由超重力吸收设备底部进入，与脱碳溶剂逆流接触，脱碳溶剂吸收CO2后会瞬间成为含部分固体的料浆，由于强大离心力的作用，料浆和净化烟气在超重力吸收设备中被分离开来，净化气由超重力吸收器1顶部排除系统外，料浆在超重力吸收器1底部的料浆收集槽2富集，之后由料浆输送装置3加压输送至再生反应釜4，再生反应釜4由夹套加热再生脱碳溶剂，再生反应釜4内保持压力0.4 Mpa，再生温度为70~100 ℃，再生之后，由循环泵5送到换热器6中降温到10~50 ℃，之后再进入超重力吸收器1继续反应。当脱碳溶剂在系统内完成循环之后，循环泵5可关闭。
实施例1
如图1搭建模试装置，处理烟气量（干基）10 Nm3/h，二氧化碳含量12%，烟气温度45℃。氨烃基硅烷脱碳溶剂体积流量为0.05 Nm3/h，其中氨烃基硅烷为NH2CH2SiMe3，其中共溶剂低聚合度聚乙二醇质量含量为10%。釜内温度100 ℃，釜内压力0.4 MPa(绝对压力)加压再生。
经脱碳处理后，二氧化碳捕集率84.7%，二氧化碳捕集单位能耗1.14吨蒸汽/吨CO2，脱碳溶剂消耗(基本为共溶剂降解损失) 0.22 Kg/吨二氧化碳。
实施例2
如图1搭建模试装置，处理烟气量（干基）10 Nm3/h，二氧化碳含量12%，烟气温度45℃。氨烃基硅烷脱碳溶剂体积流量为0.05 Nm3/h，其中氨烃基硅烷为NH2C2H4NHC3H6SiMe3，其中共溶剂低聚合度聚乙二醇质量含量为10%。釜内温度100 ℃，釜内压力0.4 MPa(绝对压力)加压再生。
经脱碳处理后，二氧化碳捕集率81.5%，二氧化碳捕集单位能耗1.14吨蒸汽/吨CO2，脱碳溶剂消耗(基本为共溶剂降解损失) 0.22 Kg/吨二氧化碳。
实施例3
如图1搭建模试装置，处理烟气量（干基）10 Nm3/h，二氧化碳含量12%，烟气温度45℃。氨烃基硅烷脱碳溶剂体积流量为0.05 Nm3/h，其中氨烃基硅烷为NH2CH2SiMe3和NH2C2H4NHC3H6SiMe3（摩尔比1:1），其中共溶剂低聚合度聚乙二醇质量含量为10%。釜内温度100 ℃，釜内压力0.4 MPa(绝对压力)加压再生。
经脱碳处理后，二氧化碳捕集率82.4%，二氧化碳捕集单位能耗1.14吨蒸汽/吨CO2，脱碳溶剂消耗(基本为共溶剂降解损失) 0.22 Kg/吨二氧化碳。
实施例4
如图1搭建模试装置，处理烟气量（干基）10 Nm3/h，二氧化碳含量12%，烟气温度45℃。氨烃基硅烷脱碳溶剂体积流量为0.05 Nm3/h，其中氨烃基硅烷为NH2CH2SiMe3，其中共溶剂低聚合度聚乙二醇质量含量为25%。釜内温度100 ℃，釜内压力0.4 MPa(绝对压力)加压再生。
经脱碳处理后，二氧化碳捕集率81.4%，二氧化碳捕集单位能耗1.23吨蒸汽/吨CO2，脱碳溶剂消耗(基本为共溶剂降解损失) 0.46 Kg/吨二氧化碳。
实施例5
如图1搭建模试装置，处理烟气量（干基）10 Nm3/h，二氧化碳含量12%，烟气温度45℃。氨烃基硅烷脱碳溶剂体积流量为0.05 Nm3/h，其中氨烃基硅烷为NH2CH2SiMe3，其中共溶剂低聚合度聚乙二醇质量含量为50%。釜内温度100 ℃，釜内压力0.4 MPa(绝对压力)加压再生。
经脱碳处理后，二氧化碳捕集率78.7%，二氧化碳捕集单位能耗1.42吨蒸汽/吨CO2，脱碳溶剂消耗(基本为共溶剂降解损失) 0.77 Kg/吨二氧化碳。
对比例1
烟气条件和工艺方法与实施例1~3相同，溶液采用MEA质量含量30%。再生温度105℃。
经脱碳处理后，二氧化碳捕集率86.2%，二氧化碳捕集单位能耗1.79吨蒸汽/吨CO2，胺溶剂消耗1.24 Kg/吨二氧化碳。
在捕集率接近的情况下，对比例1再生能耗比实施例1~3高了20%以上，且溶剂消耗增加了35%以上。
实施例6
将200 g氨烃基硅烷脱碳溶剂，其中氨烃基硅烷为NH2CH2SiMe3，其中共溶剂低聚合度聚乙二醇质量含量为50%，加入500 mL高压反应釜中，然后迅速充入0.6 Mpa CO2，并搅拌使之完全被溶液吸收，再充入0.8 MPa O2，加热待反应温度120 ℃，开动搅拌，转速400rad/min。当氧气压力开始下降时，表明溶剂开始发生氧化降解，该时间即为初始降解时间为102 min。
实施例7
将200 g氨烃基硅烷脱碳溶剂，其中氨烃基硅烷为NH2C2H4NHC3H6SiMe3，其中共溶剂低聚合度聚乙二醇质量含量为50%，加入500 mL高压反应釜中，然后迅速充入0.6 Mpa CO2，并搅拌使之完全被溶液吸收，再充入0.8 MPa O2，加热待反应温度120 ℃，开动搅拌，转速400 rad/min。当氧气压力开始下降时，表明溶剂开始发生氧化降解，该时间即为初始降解时间为95 min。
实施例8
将200 g氨烃基硅烷脱碳溶剂,其中氨烃基硅烷为NH2CH2SiMe3和NH2C2H4NHC3H6SiMe3（摩尔比1:1），共溶剂低聚合度聚乙二醇质量含量为50%，加入500 mL高压反应釜中，然后迅速充入0.6 Mpa CO2，并搅拌使之完全被溶液吸收，再充入0.8 MPa O2，加热待反应温度120 ℃，开动搅拌，转速400 rad/min。当氧气压力开始下降时，表明溶剂开始发生氧化降解，该时间即为初始降解时间为98 min。
对比例 2
将200 g有机胺溶液，包括：MEA 100g，去离子水作溶剂，抗氧剂酒石酸钾钠及酒石酸锑钠各0.5g，加入500 mL高压反应釜中，然后迅速充入0.6 Mpa CO2，并搅拌使之完全被溶液吸收，再充入0.8 MPa O2，加热待反应温度120oC，开动搅拌，转速400 rad/min。当氧气压力开始下降时，表明胺液开始发生氧化降解，该时间即为初始降解时间为42 min。
对比例2的初始降解时间远远低于实例6~8，这说明实例6~8的氨烃基硅烷脱碳溶剂具有非常好的抗氧化降解能力。
Claims (2)
1.一种使用氨烃基硅烷系列脱碳溶剂的脱碳方法，其特征在于所述脱碳溶剂由氨烃基硅烷溶剂和共溶剂组成，所述氨烃基硅烷的结构式为：NH2C2H4NHC3H6SiMe3，所述共溶剂为低聚合度聚乙二醇，其质量含量为10~50%；
脱碳方法，包括以下步骤：
（1）氨烃基硅烷和共溶剂先加入再生反应釜内，循环泵将脱碳溶剂送至超重力吸收器顶部，烟气由超重力吸收设备底部进入，与脱碳溶剂逆流接触，脱碳溶剂吸收温度10~50℃；
（2）料浆和净化烟气在超重力吸收设备中被分离开来，净化气由超重力吸收器顶部排出 系统外，料浆在超重力吸收器底部的料浆收集槽富集；
（3）料浆由料浆输送装置加压输送至再生反应釜，再生之后的吸收剂经换热器送至超重力吸收器继续反应，再生绝对压力为0.4 Mpa，再生温度70~100 ℃，吸收剂经换热器降温到10~50 ℃。
2.根据权利要求1所述使用氨烃基硅烷系列脱碳溶剂的脱碳方法，其特征在于脱碳方法使用的脱碳装置包括超重力吸收器、料浆收集槽、再生反应釜、料浆输送装置、脱碳溶剂循环输送及换热装置，所述超重力吸收器顶部与脱碳溶剂循环输送及换热装置相连，底部出口与料浆收集槽相连；所述料浆输送装置一端与料浆收集槽相连，一端与再生反应釜相连；所述再生反应釜与脱碳溶剂循环输送及换热装置相连；所述超重力吸收设备为超重力机，内部设置可被带动旋转的填料和喷液口；所述料浆输送装置为螺旋输送机；所述再生反应釜为加压再生釜；所述脱碳溶剂循环输送及换热装置包括循环泵和换热器；所述螺旋输送机的入口和出口分别与料浆收集槽的底端和加压再生釜相连；所述循环泵与加压再生釜和换热器相连。
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