膜法解吸CO2吸收富液

当前，工业上大规模捕集CO2主要采用化学吸收法［1-2］。化学吸收法具有吸收容量大、反应速率高、选择性高等优点［3］。吸收富液的解吸是构成CO2吸收过程的重要环节。现阶段， CO2吸收富液解吸的工艺方法主要有两种：一是热解吸，通常需要将富液加热至100～120 ℃，解吸总能耗约为4 090～4 545 kJ（以每kg CO2计）［4］，热解吸过程的高温还会导致某些化学吸收剂的氧化降解［5］；二是减压解吸，该法对系统密封和耐压性要求严格，适用范围小，且同等能耗下的解吸率较低［6-7］。有学者开发了膜法解吸技术［8］，采用高传质比表面积的中空纤维膜接触器（FMC），使得CO2吸收富液在较低温度和压力下即可完成解吸。膜法解吸分离CO2过程中气、液两相不发生接触，避免了传统解吸设备存在的起泡、液泛、雾沫夹带等操作问题［9-10］。可见，膜法解吸CO2吸收富液具有良好的应用前景。

本工作采用FMC解吸吸收了CO2的N-甲基二乙醇胺（MDEA）溶液（富液），分别考察了富液的CO2负荷、富液流速、解吸温度及解吸压力等工艺条件对CO2解吸率的影响，为膜法解吸技术进入实际工业应用提供实验依据。

1 实验部分

1.1 试剂和材料

MDEA：分析纯，配制成质量分数为30%的溶液；CO2：纯度大于等于99.90%；N2：纯度大于等于99.99%；FMC：浙江凯洁膜技术公司，主体部分为聚丙烯中空纤维膜组件，孔隙率45%～55%，膜丝耐温范围0～80 ℃，膜组件有效长度46 cm，工作压力0.01～0.25 MPa，液体通量0.082 m3/h。

1.2 实验流程

膜法解吸CO2吸收富液的流程见图1。CO2吸收富液经蠕动泵送入中空纤维膜的管程，同时，N2进入中空纤维膜的外侧在壳程流动，FMC静置在恒温水浴槽内以维持解吸过程的恒温状态，采用真空泵在FMC的壳程进行真空减压操作，经解吸后的贫液再次回到储液槽循环解吸。解吸过程中，CO2从管程的吸收液中释放出来，透过膜微孔进入FMC的壳程被N2卷扫排空。

设年发电效益和年运行管理费用在泵站有效寿命内为定值，假设资金年利率为5%，设备使用年限按30年计。采用动态分析法计算江都三站3种发电运行方式净效益终值，结果见表 1。

  

图1 膜法解吸CO2吸收富液的流程

 

1 N2钢瓶；2 转子流量计；3 FMC；4 恒温水浴槽；5；6 储液槽；7 膜盒压力表；8 真空泵

1.3 分析方法

CO2解吸率（χ，%）按式（1）计算。

解吸温度是影响膜解吸过程的关键因素。在CO2负荷为0.58 mol /L、解吸压力50 kPa、富液流速0.02 m/s、N2吹扫流量100 mL/min的条件下，解吸温度对CO2解吸率的影响见图4。由图4可见：解吸温度越高，CO2解吸率越高；解吸温度从35 ℃升至75 ℃时，35 min的CO2解吸率从47.19%增至88.28%。这是因为：一方面，随着解吸温度的升高，富液热解吸的速率加快，有利于CO2的释放；另一方面，解吸温度提高，将增大吹扫N2分压，从而增加液相中CO2分压与气相中CO2分压之差，增强CO2传质推动力［13］。因此，升高解吸温度可较为明显地改善富液的解吸效果。

 

在CO2负荷为0.58 mol /L、解吸温度35 ℃、解吸压力50 kPa、N2吹扫流量100 mL/min的条件下，富液流速对CO2解吸率的影响见图3。

2 结果与讨论

2.1 CO2负荷对解吸效果的影响

在CO2负荷为0.58 mol/L、解吸温度35 ℃、富液流速0.02 m/s、N2吹扫流量100 mL/min的条件下，解吸压力对CO2解吸率的影响见图5。由图5可见：随着解吸压力的降低，CO2解吸率逐渐增大；膜两侧压差对膜纤维内外侧传质过程影响较大，减压的主要目的就是在壳程与管程之间形成负压环境，以此增大膜两侧CO2压差，提高解吸过程CO2传质推动力［14-15］。与常压的CO2解吸率（35 min内平均CO2解吸率为7%）相比，减压操作能有效提高CO2解吸率。解吸压力选择10～30 kPa较适宜。

  

图2 CO2负荷对CO2解吸率的影响

2.2 富液流速对解吸效果的影响

式中，ci、co分别为FMC进口和出口溶液中的CO2浓度，mol/L（以单位体积MDEA溶液吸收的CO2计）。

由图4还可见：随着解吸温度的升高，不同反应时间的CO2解吸率越来越接近；解吸温度75 ℃时，反应5，15，35 min的CO2解吸率分别为85.76%、87.44%和88.28%，说明此温度下，富液在FMC内仅循环5 min左右解吸过程就接近完成，这对实际工业应用具有重要意义。考虑到高温会带来吸收剂的氧化降解和高能耗等问题，解吸温度选择45～65 ℃为宜。

  

图3 富液流速对CO2解吸率的影响

由图3可见：随着富液流速的增加，CO2解吸率先增后减；当富液流速从0.02 m/s增至0.08 m/s时，反应35 min的CO2解吸率从47.19%增至63.28%；进一步增加富液流速至0.10 m/s时，CO2解吸率反而降至59.04%。这是因为，随着富液流速的增加，富液的湍流程度加剧，液相边界层厚度减小，导致传质阻力降低，CO2渗透通量增大［12］；但当富液流速过大时，由于富液在FMC内的停留时间大大缩短，富液得不到充分解吸，故CO2解吸率下降。本实验最优富液流速为0.08 m/s。

2.3 解吸温度对解吸效果的影响

实际上，这次收购行动早在2013年就出现了苗头。2013年顺丰推出重货业务之初，就有人预判，顺丰要做中国的联邦快递，快运是必走之路。顺丰的竞争对手是占市场份额相对较大的老牌快运企业，如果顺丰要冲击德邦、安能、百世的三强地位，未来一定会另起新网运行，否则多少会损伤顺丰对商业件客户的强品牌强粘性。时隔5年，时机终于到来。

自微乳给药系统（Self-microemulsifying drug delivery system，SMEDDS）是由油相、乳化剂和助乳化剂组成的均匀、澄清的液体系统。该系统在胃肠道内可通过胃肠道蠕动自发形成粒径小于100 nm的水包油（O/W）型乳剂，可作为生物利用度低、难吸收等药物的优良载体，通过增加药物的表面积和溶解度，使药物易于通过胃肠壁水化层传递到吸收部位[5-7]。为此，本研究采用Box-Behnken响应面法优化穿心莲内酯自微乳的制备工艺，旨在为开发其适用于临床的新剂型提供参考。

  

图4 解吸温度对CO2解吸率的影响

2.4 解吸压力对解吸效果的影响

在解吸温度35 ℃、解吸压力50 kPa、富液流速0.02 m/s、N2吹扫流量100 mL/min的条件下，CO2负荷对CO2解吸率的影响见图2。由图2可见：富液中CO2负荷越大，CO2解吸率越高。尽管高CO2负荷会导致富液黏性和对膜浸润性的增大，使得CO2在吸收剂中的扩散系数减小，液相传质阻力增大，但高CO2负荷同时也会增大解吸反应的化学增强因子［11］，在其他条件不变的情况下，气相和膜相传质阻力减小，富液解吸过程总传质阻力减小。从反应过程来看：0～15 min时CO2解吸率增速较大；反应进行到35 min后，3种CO2负荷的CO2解吸率均趋于稳定，说明此时解吸过程已基本完成。

4.3 精心驾驶这是提高机插秧质量和夺取高产的重要环节。在插秧作业时，一是插秧机要保持匀速前进，不能忽快忽慢或频繁停机。作业行走路线要保持直线性，行走中尽量不用捏转向手把或猛烈扳动扶手架方法来纠正插秧机前进作业的直线性，以防急弯造成漏插或重插。二是边插秧边观察，发现问题，及时解决排除。同时注意送苗辊在苗箱槽口的工作情况，若发现槽口有秧根或粘土，要及时停机清理，以免影响插秧质量。三是初装秧苗或秧苗全部插完后，必须把插秧机苗箱移到最左或最右侧，以保证栽插质量。

  

图5 解吸压力对CO2解吸率的影响

2.5 N2吹扫流量对解吸效果的影响

在CO2负荷为0.58 mol /L、解吸温度35 ℃、解吸压力50 kPa、液相流速0.02 m/s的条件下，N2吹扫流量对CO2解吸率的影响见图6。由图6可见：随着N2吹扫流量的增加，CO2解吸率逐渐增大，说明加入吹扫N2是提高膜法解吸率的有效手段；相比低N2吹扫流量，过高的N2吹扫流量（大于200 mL/min）下CO2解吸率增长缓慢。这是因为在进口富液流量一定的情况下，较小N2吹扫流量所提供的压差及传质推动力不足以使富液中CO2全部解吸，增大N2吹扫流量，其提供的压差及传质推动力能使大部分CO2从富液中解吸［16］。最优N2吹扫流量为200 mL/min。

  

图6 N2吹扫流量对CO2解吸率的影响

3 结论

a）采用FMC装置解吸吸收了CO2的MDEA溶液，富液中CO2负荷越大、解吸温度越高、解吸压力越低、富液流速越大、N2吹扫流量越大，CO2解吸率越高。

b）经综合考虑，本实验优选的工艺条件为解吸温度45～65 ℃，解吸压力10～30 kPa，富液流速0.08 m/s，N2吹扫流量200 mL/min。

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