CN102908801A - 一种从含co2混合气体中分离co2的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种从含CO₂混合气体中分离CO₂的装置，该装置由压气机、第一风管、分离器、积聚容器以及第二风管构成，其中第一风管包括第一缩放管、导流叶片、中心体和导流槽，导流叶片和中心体设置在第一缩放管的尾部，所述的导流槽位于第一风管的尾部，第二风管包括第二缩放管和蒸汽喷射器；所述的压气机的出风口与第一风管的进风口连接，第一风管的出风口连接第二风管的进风口，分离器的进料口与导流槽连接，积聚容器连接在所述的分离器的出料口。本发明装置简单廉价、良性运行条件、不需要化学添加剂、不需要更换膜及吸附剂、只需将含CO₂混合气体压缩和起初的蒸汽喷射、启动时只需少量的蒸汽，本装置的气体分离技术将会成为最有前景的分离技术之一。

Description

一种从含CO2混合气体中分离CO2的装置

技术领域

本发明提出了一种从含CO₂混合气体中分离CO₂的装置，特别适用于气体分离场合。

背景技术

温室效应的严重性迫使越来越多的国家和国际机构表示出对CO2排放问题的关切。我国在CO₂排放方面正面临着日益增加的巨大压力,预计2030年前后CO2排放问题有可能成为制约我国经济增长最主要的约束之一。CO2排放问题的最终解决需要依靠技术创新。除调整能源结构,重点开发低碳无碳能源(生物质能、核能、太阳能、风能等)与提高能源利用效率外,当前控制CO₂排放的主要对策是积极发展CO2的分离捕捉封存技术。目前有多种可选择的技术用于烟气中CO2的分离捕捉。一些传统的分离方法例如化学吸收法,已经在工业中应用多年,对传统分离方法的改进研究也一直在进行,新型的分离技术目前还都处在实验阶段。由于分离CO2而导致能耗的上升对CO2减排来说无异于雪上加霜,其综合结果必然是严重加剧化石能源的消耗,增加CO2排放量。因此，CO2分离技术特别需要注意的是这些分离技术的能耗问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种超低能耗从含CO₂混合气体中分离CO₂的装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种从含CO₂混合气体中分离CO₂的装置，其特征在于：该装置由压气机、第一风管、分离器、积聚容器以及第二风管构成，其中第一风管包括第一缩放管和导流槽，所述的导流槽位于所述的第一风管的尾部，第二风管包括第二缩放管和蒸汽喷射器；所述的压气机的出风口与所述的第一风管的进风口连接，第一风管的出风口连接所述的第二风管的进风口，所述的分离器的进料口与所述的导流槽连接，积聚容器连接所述的分离器的出料口。

所述的第一缩放管包括喉部以及出口，所述的喉部面积A^*、出口面积A₂以及长度L分别为：

A^*=q_m/(ρ^* a^*)；

$A_2=q_m/({\mathrm{\ρ}}_0{(P_2/P_0)}^{1/k}\·\sqrt{\frac{2k}{k-1}{R}_g{T}_0[1-{\left(\frac{P_2}{P_0}\right)}^{\frac{k-1}{k}}});$

$L=\frac{(d2-d^{*})/2}{\tan \mathrm{\θ}/2};$

其中：q_m为气体流量、k为绝热指数，ρ^*为临界状态下混合气体的密度，a^*为临界音速，P₀ 、T₀ 和ρ₀分别为滞止状态下混合气体的压力、温度和密度， R_g为常温下气体常数287.1 J/(kg·K)，P₂为背压，d^*为喉部的直径，d₂为出口的直径，θ为渐放部分的顶锥角，一般取6°~12°。

在所述的第一缩放管的出口还设置有一导流叶片和一中心体。

本发明第一缩放管各参数值由流体力学相关知识计算得到。由工程流体力学知：

$\frac{P^{*}}{P_0}={\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k}{k-1}}---\left(1\right)$

$a^{*}=a_0\sqrt{\frac{2}{k+1}}---\left(2\right)$

$a_0=\sqrt{k{R}_g{T}_0}---\left(3\right)$

$V_2=\sqrt{\frac{2k}{k-1}{R}_g{T}_0[1-{\left(\frac{P_2}{P_0}\right)}^{\frac{k-1}{k}}]}---\left(4\right)$

${\mathrm{\ρ}}^{*}={\mathrm{\ρ}}_0{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{1}{k-1}}---\left(5\right)$

上述各式中： k绝热指数，P^*、ρ^*分别为临界状态下混合气体的压力、密度，a^*临界音速，P₀、T₀和ρ₀分别为滞止状态下混合气体的压力、温度和密度， a₀滞止音速，R_g常温下气体常数287.1 J/(kg·K)，P₂背压，V₂出口流速。

由公式（1）结合假设条件得P^*> P₂，说明在喉部已达临界状态，采用缩放喷管可得到超音速气体。

，由公式（2）（3）得临界音速a^*，喉部临界速度V^*=a^*，由公式（4）得出口流速V₂，喉部面积A^*=q_m/(ρ^*V^*)，将公式（5）带入上式得喉部面积A^*，从而计算出喉部直径d^*，出口面积A₂= q_m/(ρ₂V₂)，其中ρ₂=ρ₀（P₂/P₀）^1/k，将已知数据代入得A₂，从而计算出出口直径d₂，长度，出口温度T₂和背压P₂具有如下关系：

，所以由T₂可确定P₂的值。

本发明压气机的作用就是调整进入第一风管的混合气体压力，使得进入第一缩放管的混合气体能在喉部达到临界状态，从而可完成后续的CO₂分离和收集。

一种从含CO₂混合气体中分离CO₂的方法，其特征在于含CO₂混合气体通过压气机得到一定压力（2~4bar），这里的一定压力就是滞止状态下混合气体的压力P₀。混合气体后进入第一风管，该混合气体通过第一缩放管增速到超音速状态降压降温，通过导流叶片平缓进入中心体区域，在该状态下，CO₂凝结成干冰，CO₂冰粒沿着导流槽随着一股气流进入分离器，实现CO₂分离，分离出的CO₂冰粒收集在积聚容器中，其余气体从分离器顶部排出送入第二风管，而脱除CO₂后的主流混合气体经第二缩放管减速增压后同上述气体在第二风管尾部混合后排出。

本发明装置由压气机、第一风管、分离器、积聚容器、第二风管构成。第一风管之前设有压气机，用于将初始含CO₂混合气体加压；第一缩放管可将含CO₂混合气体达到增速降压降温的作用，使得气态的CO₂降温成冰粒，导流叶片可使含CO₂混合气体平滑流过，避免产生涡流现象，导流槽用于将CO₂冰粒引入分离器中；分离器可充分分离出进入其中气流中的CO₂冰粒；积聚容器用于收集CO2冰粒，容器内的CO2冰粒经过蒸发过程排出容器，便于储存；第二缩放管可将脱除CO₂的混合气体达到减速增压作用，蒸汽喷射器用于使第二风管尾部起初具有一定背压。

本发明装置的主要特点为：简单廉价、良性运行条件、不需要化学添加剂、不需要更换膜及吸附剂、只需将含CO₂混合气体压缩和起初的蒸汽喷射、启动时只需少量的蒸汽，本装置的气体分离技术将会成为最有前景的分离技术之一。

附图说明

图1为：一种从含CO₂混合气体中分离CO₂的装置图。

图2为：缩放管的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，该装置由压气机1、风管2、分离器3、积聚容器4、风管5构成，其中风管2包括缩放管2-1、导流叶片2-2、中心体2-3和导流槽2-4，风管5包括缩放管5-1和蒸汽喷射器5-2。风管2之前设有压气机1，用于将初始含CO₂混合气体加压；缩放管2-1包括喉部6和出口7，可将含CO₂混合气体达到增速降压降温的作用，导流叶片2-2可使含CO₂混合气体平滑流过，避免产生涡流现象，导流槽2-4用于将CO₂冰粒引入分离器3中；分离器3可充分分离出进入其中气流中的CO₂冰粒；积聚容器4用于收集CO2冰粒，容器4内的CO2冰粒经过蒸发过程排出容器，便于储存；缩放管5-1可将脱除CO₂的混合气体达到减速增压作用，蒸汽喷射器5-2用于使风管5尾部起初具有一定背压。

一种从含CO₂混合气体中分离CO₂的方法，含CO₂混合气体通过压气机1得到一定压力（2~4bar）混合气体后进入风管2，该混合气体通过缩放管2-1增速到超音速降压降温，通过导流叶片2-2平缓进入中心体2-3区域，在该状态下，CO₂凝结成干冰，CO₂冰粒沿着导流槽2-4随着一股气流进入分离器3，实现CO₂分离，分离出的CO₂冰粒收集在积聚容器4中，其余气体从分离器4顶部排出送入风管5，而脱除CO₂后的主流混合气体经缩放管5-1减速增压后同上述气体在风管5尾部混合后排出。

实例：

假设绝热指数k=1.4，滞止参数 P₀=0.4MP_a，T₀=290K，背压P₂=0.1MP_a，气体流量q_m=1kg/s。

由工程流体力学知：

$\frac{P^{*}}{P_0}={\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k}{k-1}}---\left(1\right)$

$a^{*}=a_0\sqrt{\frac{2}{k+1}}---\left(2\right)$

$a_0=\sqrt{k{R}_g{T}_0}---\left(3\right)$

$V_2=\sqrt{\frac{2k}{k-1}{R}_g{T}_0[1-{\left(\frac{P_2}{P_0}\right)}^{\frac{k-1}{k}}]}---\left(4\right)$

${\mathrm{\ρ}}^{*}={\mathrm{\ρ}}_0{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{1}{k-1}}---\left(5\right)$

上述各式中： k绝热指数，P^*、ρ^*分别为临界状态下混合气体的压力、密度，a^*临界音速，P₀、T₀和ρ₀分别为滞止状态下混合气体的压力、温度和密度，

a₀滞止音速，R_g常温下气体常数287.1 J/(kg·K)，P₂背压，V₂出口流速。

由公式（1）结合假设条件得P^*=0.211MP_a > P₂，说明在喉部已达临界状态，采用缩放喷管可得到超音速气体。

${\mathrm{\ρ}}_0=\frac{P_0}{R_g{T}_0}=4.8\mathrm{kg}/m^3.$

由公式（2）（3）得a^*= 311.67m/s。

喉部临界速度V^*=a^*= 311.67m/s。

由公式（4）得V₂=436.59m/s。

喉部面积A^*=q_m/(ρ^*V^*)，将公式（5）带入上式得A^*=0.001054m²。

出口面积A₂= q_m/(ρ₂V₂)，其中ρ₂=ρ₀（P₂/P₀）^1/k，将已知数据代入得A₂=0.001284m²。

喉部直径d^*=0.0366m。

出口直径d₂=0.0404m。

取渐放部分的顶锥角θ=10°

$L=\frac{(d2-d^{*})/2}{\tan \mathrm{\θ}/2}=0.0217m$

出口温度

在该温度下可将混合气体中的CO₂成分凝结为冰粒，从而实现分离的目的。

Claims (3)

1.一种从含CO₂混合气体中分离CO₂的装置，其特征在于：该装置由压气机（1）、第一风管（2）、分离器（3）、积聚容器（4）以及第二风管（5）构成，其中第一风管（2）包括第一缩放管（2-1）和导流槽（2-4），所述的导流槽（2-4）位于所述的第一风管（2）的尾部，第二风管（5）包括第二缩放管（5-1）和蒸汽喷射器（5-2）；所述的压气机（1）的出风口与所述的第一风管（2）的进风口连接，第一风管（2）的出风口连接所述的第二风管（5）的进风口，所述的分离器（3）的进料口与所述的导流槽（2-4）连接，积聚容器（4）连接所述的分离器（3）的出料口。

2.根据权利要求1所述的从含CO₂混合气体中分离CO₂的装置，其特征在于：所述的第一缩放管（2-1）包括喉部以及出口，所述的喉部面积A^*、出口面积A₂以及长度L分别为：

A^*=q_m/(ρ^* a^*)；

$A_2=q_m/{\left({\mathrm{\ρ}}_0(P_2/P_0\right)}^{1/k}\·\sqrt{\frac{2k}{k-1}{R}_g{T}_0[1-{\left(\frac{P_2}{P_0}\right)}^{\frac{k-1}{k}}])};$

$L=\frac{(d2-d^{*})/2}{\tan \mathrm{\θ}/2};$

其中：q_m为气体流量、k为绝热指数，ρ^*为临界状态下混合气体的密度，a^*为临界音速，P₀ 、T₀ 和ρ₀分别为滞止状态下混合气体的压力、温度和密度， R_g为常温下气体常数287.1 J/(kg·K)，P₂为背压，d^*为喉部的直径，d₂为出口的直径，θ为渐放部分的顶锥角，θ为6°~12°。

3.根据权利要求2所述的从含CO₂混合气体中分离CO₂的装置，其特征在于：在所述的第一缩放管（2-1）的出口还设置有一导流叶片（2-2）和一中心体（2-3）。

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