一种超重力旋转床装置及在二氧化碳捕集纯化工艺的应用的制作方法

专利名称：：一种超重力旋转床装置及在二氧化碳捕集纯化工艺的应用的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种气体分离净化装置及应用，具体涉及一种超重力旋转床装置及在分离、解吸工艺的应用，特别适用于流程工业尾气或油田伴生气中的二氧化碳的捕集纯化过程。
背景技术：
：超重力旋转床是利用旋转产生的离心力模拟超重力环境，来强化传递和反应过程，可以大幅度地提高传递与反应过程的效率，关于超重力装置在早期的专禾lJ(申请号91109255.2，91111028.3，ZL95215430.7等)中已经公开。目前该技术从最初应用于分离、解吸的物理过程己经扩展应用到化学反应、超微颗粒制备等诸多领域(详见中国专利92102061，93104828.1、95105344.2、2004100378859等)。旋转床装置主要包括密闭的壳体，内有一个旋转的转子，转子上有环形填料层，不同的流体从壳体相应的入口流入旋转床，在旋转的填料层中的离心力场下(即超重力环境)进行传质过程，传质速率比传统的塔器中提高13个数量级，大大提高传质效率。对旋转床强化传质过程原理的一般认识是流体在离心力场环境下被撕裂成细小的液滴、液丝或液膜，产生大量的快速更新的表面积，大大强化传质和混合过程。然而随着对旋转床技术研究的深入，发现在紧靠转子内缘的一个较小的区域内(该区域填料体积约为总体积的10%)，由于液体喷入的方向和填料旋转方向不同，在该区域内因液体与填料产生强烈地碰撞而变形、破碎，产生大量的新表面，其传质和混合效果最高，该区域称为端效应区。与之相比，占填料总体积约为90%的主体区的填料对传质和混合的贡献只有端效应区的1/5~1/3。如何更充分地利用端效应进一步强化现有旋转床的传质效率，对旋转床技术的发展及应用都有重要的意义。如在一些分离体系中，需要分离的组分含量低，而因分离困难需要更强的传质分离效率，典型的是混合气体中二氧化碳捕集纯化过程。二氧化碳是引起温室效应最主要的温室气体。统计表明，流程工业中因燃烧化石燃料从尾气中排放到大气的二氧化碳占二氧化碳总排放量的四分之三左右。另外，石油开采过程中的伴生气也是产生二氧化碳的重要来源。二氧化碳捕集纯化方法包括化学吸收法、变压吸附法、膜分离法和低温分馏法等。其中化学吸收法是回收尾气中二氧化碳成本最低的方法，一般包括二氧化碳吸收、二氧化碳解吸等过程。传统吸收法所采用的是以吸收塔为核心设备的传统工艺方法，存在气液比低、液体用量大、操作弹性低、设备庞大、开停车难等问题。特别是在现有流程工业技术中，如果采用塔式设备为核心的二氧化碳捕集纯化工艺会因占地面积大以及空间占用多而难以实施。而对于油田伴生气中二氧化碳的捕集纯化来说，由于油田中采油井的数量多、分布范围广，如果采用传统塔式设备的二氧化碳捕集纯化工艺，塔式设备需要安装在坚实的基础上来承受风载等载荷，一旦建造安装完成后就不能移动，操作弹性小，难以满足油田的工业现场要求。旋转填充床技术为解决流程工业及油田伴生气二氧化碳捕集回收提供了高效的途径，但是采用一般结构的旋转填充床，由于二氧化碳含量较低，传质与反应推动力小，需要的填料层厚度很大，或需要多台旋转床串联，增加设备的体积及投资运行成本。所以目前在二氧化碳排放最多的流程工业及油田采油领域，对排放的二氧化碳的捕集和利用率还很低。
发明内容本发明基于旋转床传质过程端效应原理，通过设置强化端效应的结构，强化旋转床的传质过程，从而提供一种传质效率更高，流体分布合理的旋转床装置；并且提供一种以该装置为核心的二氧化碳捕集纯化工艺，该工艺不仅可以解决流程工业尾气及伴生气中二氧化碳捕集纯化现场回收问题，而且二氧化碳捕集纯化效率高、投资成本低、操作弹性大、运行稳定、占地面积小。本发明提供的旋转床装置包括在密闭的壳体中装有转子，转子上有填充层，壳体上开有液体进、出口，气体进、出口，液体进口设有延伸到转子中心空腔中的液体分布器，其中转子上的填充层是由填料层与叶片层沿径向呈同心环形式间隔排列组成，高速旋转的转子中的填料层对流体进行分割、破碎、撕裂、使流体产生大量新的表面积，转子中的叶片层可以调控流体流动方向，使流体进入下一层填料时形成端效应区。上述的装置中，叶片层的叶片可以是直叶片、后弯叶片及前弯叶片。可以根据调控流体流动方向的需要采用不同的叶片形式。上述的装置中，填料层的填料采用通常的丝网型填料或整体结构型填料，优选丝网填料。上述的装置中，优选的结构是在转子外侧的壳体空腔内安装有环形挡板，该环形挡板可以改善气体分布同时也充分利用被转子甩出来的液滴的动能，形成了一个强化传质与混合的区域。挡板结构为开孔型挡板、逆流栅板型挡板、并流栅板型挡板或丝网型挡板。上述的装置中，壳体优选结构是通过支腿安装于带有吊耳的底座上，形成整体结构，便于吊装和移动。本发明提供一种二氧化碳捕集纯化工艺，该工艺主要包括二氧化碳吸收、二氧化碳解吸、气液分离工序，其中吸收、解吸工序是在本发明提供的旋转床装置中完成。在吸收工序中，将含有二氧化碳的混合气(工业尾气或伴生气)送入吸收旋转床气体进口，来自吸收液配制罐的贫液(吸收液)泵入吸收旋转床液体进口，通过液体分布器将吸收液从转子中心喷向转子填充层，依次通过间隔布置在转子上的填料层、叶片层与气体逆流接触，进行化学反应或物理吸附，将二氧化碳气体转移到液相中，吸收过程中控制进入旋转床的气液的体积流量比为50200:1，完成吸收过程的贫液成为富液由吸收旋转床液体出口流入富液罐，由富液泵送到解吸工序作为二氧化碳解吸过程的原料，处理后的混合气由吸收旋转床气体出口外排；在解吸工序中，将来自吸收工序的富液由富液泵送入解吸旋转床液体进口，在解吸旋转床层内依次经过间隔布置在转子上的填料层、叶片层，与来自气体进口的低压水蒸汽逆流接触，完成解吸过程，解吸过程中控制气液的体积流量比为50200:1，将富液中的二氧化碳解吸为气体并由解吸旋转床的气体出口流出，富液成为贫液并由解吸旋转床液体出口流入吸收液配制罐，用贫液泵送到吸收工序作为吸收液，解吸得到的含有水蒸汽的二氧化碳，经冷凝器后送入气液分离器，二氧化碳气体由气液分离器采出，冷凝液由气液分离器流体出口流到吸收液配制罐，在系统中循环使用。上述工艺方法中，吸收或解吸过程中贫液或富液在填充层中经过填料层强化传质，对流体进行分割、破碎、撕裂、使流体产生大量新的表面积，叶片层调控流体流动方向，使流体进入下一层填料时形成端效应区。从而在整个转子中形成多个强化传质与混合的端效应区，填料层及叶片层的层数可根据二氧化碳的进口浓度和处理要求确定。上述吸收过程的压力为常压，温度在6085'C，解吸过程温度在75140°C。本发明工艺中吸收液与含有二氧化碳的混合气体在经过旋转床后，二氧化碳的吸收率大于80%。吸收了二氧化碳后的吸收液成为富液，进入富液罐，作为二氧化碳解吸过程的原料。解吸后得到的二氧化碳气体纯度大于99%，满足工业应用的要求。本发明工艺中所用的吸收液是工业上常用的添加活化剂的热钾碱溶液或醇胺类水溶液。当采用添加活化剂的热钾碱溶液为吸收液时，所用的活化剂包括但不局限于二乙醇胺、ACT-1等。其中，热钾碱溶液的质量百分比浓度为2040%,优选2535%，尤其优选2732%，活化剂的质量百分比浓度为15%，优选1.54%，尤其优选23.5%。当采用醇胺类水溶液为吸收液时，醇胺的摩尔浓度0.2mol/L15mol/L，优选lmol/L10mol/L，最优1.5mol/L5mol/L。本发明工艺中，旋转床转子的转速为1003000转/分钟，优选为3002000转/分钟，最优选为4501500转/分钟。发明效果本发明超重力旋转床装置的转子中，通过设置叶片层改变流体的流动方向，使流体流动方向与相邻的下一层填料的旋转方向不同，进而形成端效应区。通过在径向上间隔设置填料层和叶片层，在转子中形成多个强化传质和混合的端效应区。大大强化旋转床的气液传质过程，提高传质效率，减小设备体积，且本装置操作弹性大、运行稳定、便于移动。以本发明旋转床用于流程工业尾气及油田伴生气二氧化碳的捕集纯化工艺，吸收或解吸过程中液体在填充层中经过填料层强化传质与混合以及叶片层的调控流体流动方向，形成多个强化传质与混合的端效应区，大大提高二氧化碳的捕集纯化效率，与传统的塔设备为核心设备的二氧化碳捕集纯化工艺相比，在达到相同吸收、解吸效果的情况下，设备投资可节约30%，占地面积可减小50%，运行操作费用可降低10%。并且该工艺自身形成贫、富液及冷凝水的循环利用，充分发挥出工艺系统效能，回收的二氧化碳可被直接利用在油田三次采油用二氧化碳驱油过程中，具有工业使用的实际价值。图l本发明旋转床结构示意图2是直叶片型转子结构示意图3是后弯叶片型转子结构示意图；图4是前弯叶片型转子结构示意图；图5是开孔型挡板结构示意图；图6逆流栅板型挡板结构示意图；图7并流栅板型挡板结构示意图；图8丝网型挡板结构示意图；图9本发明二氧化碳捕集纯化工艺流程图；具体实施例方式本发明的旋转床装置是对现有的超重力旋转床装置(如申请号91109255.2、91111028.3、200520100685.3、01268009.5、02114174.6、200510032296.6等专利中公开的超重力旋转装置)进行的改进。如图1所示，在密闭的壳体9中有一个由轴5带动的转子，转子由转子压盖17、螺栓19、转鼓20、填料层21和叶片层18组成，转子填料层与叶片层沿径向呈同心环形式间隔排列，轴5与外壳9之间设有机械密封8来使壳体内外分隔开，轴5安装于轴承箱6上，轴的下端有从动皮带轮4，通过皮带26、主动皮带轮25和电机24的轴相连接，构成传动系统。在壳体上部有上盖14，其上有液体进口13，液体进口的另一端设有延伸到转子中心空腔中的液体分布器16，液体物料由液体分布器喷到转子内层，在离心力的作用下向外流动，依次通过转子中同心环状填料21以及叶片层18。上述的叶片层采用的叶片结构可以是如图2-4所示的直叶片型、后弯叶片型及前弯叶片型。在同一转子上可以用不同叶片结构的叶片层排列组合。转子中的填料提供高比表面积，转子中的叶片可以调控液体流动方向，以便在液体进入下一层填料时形成端效应区。这样液体在由内向外的流动过程中形成多个端效应区，将液体分散为大量微小的液滴，暴露出大量且快速更新的表面积，有利于气液反应与传质过程。在壳体内转子外周安装有固定于縮口法兰12的挡板10，挡板10可以改善气体分布，同时被转子的甩出的液滴以较高的速度撞击到挡板，利用被转子甩出来的液滴的动能来强化传质过程，其中，挡板具有不同的结构型式，包括如图5-8所示的开孔型挡板、逆流栅板型挡板、并流栅板型挡板或丝网型挡板。挡板下部设有液体回流口23，使液体最终可以汇集到壳体下部并由液体出口7流出，气体由设置于壳体上的气体进口22进入，由于在上盖14与转子压盖17之间设有气体密封ll，气体只能由外向内依次通过挡板10和转子填料层，与液体进行逆流接触，并从气体出口15流出。壳体9通过支腿2安装于带有吊耳3的底座1上，形成整体结构，便于吊装和移动。本发明的二氧化碳捕集纯化工艺流程如图9所示，包括吸收、解吸、冷凝纯化等工序。在吸收工序中，将含有二氧化碳的混合气(流程工业尾气或油田伴生气)通入具有一定转子转速的吸收旋转床27，并使其从转子的外缘进入转子，来自贫液罐(吸收液配置罐)34的吸收液经贫-富液热交换器31和冷却器30，由旋转床的液体进口通入吸收旋转床转子中心，吸收液在离心力的作用下由转子内缘依次经过填料层、叶片层、填料层......流向转子外缘，与气体在旋转床转子填充层内逆流接触完成二氧化碳的吸收过程，气液的体积流量比为50200:1，优选50150:1，尤其优选80100:1。吸收液与含有二氧化碳的混合气体在经过旋转床转子充分接触后，吸收了二氧化碳后的吸收液成为富液，进入富液罐28，泵入贫-富液热交换器31，作为二氧化碳解吸过程的原料，送入解吸工序。在解吸工序中，将二氧化碳吸收工序所产生的富液由液体进口通入解吸旋转床29，富液在离心力的作用下由转子内缘流向转子外缘，与来自旋转床气体进口的低压蒸汽在旋转床内逆流接触并进行反应，完成二氧化碳解吸过程。气液的体积流量比为50200:1，优选100180:1，尤其优选120160:1，解吸时系统的温度在75140°C。解吸得到的二氧化碳和低压蒸汽的混合气体经冷凝器32冷凝并经气液分离过程进行分离纯化。具体来说是将由旋转床气体出口得到的二氧化碳和低压蒸汽的混合气体送入冷凝器32，低压蒸汽冷凝为液体，经气液分离器33实现二氧化碳气体与液体的分离，分离后的液体水回到贫液罐34，在系统中循环应用，得到的二氧化碳气体纯度大于99%，满足工业应用的要求。下面结合实施例对本发明的实施方案进一步说明。但是本发朋不限于所列出的实施例。实施例l:采用本发明的装置和工艺，原料气为流程工业尾气，原料气中二氧化碳体积含量^为13.2%。吸收液为质量浓度^,为32%的碳酸钾溶液，质量浓度>^为2.5%的二乙醇胺作为活化剂。吸收工序系统温度r。为70°C，解吸工序系统温度7;为115°C。吸收旋转床和解吸旋转床的转子结构为直叶片型转子，转子填充层为4层填料层和3层直叶片自内向外沿径向间隔排列。在吸收工序中，将流程工业尾气通入转子转速500r/min的吸收旋转床，经设置在壳体内的开孔型挡板分布后，由转子的外缘进入转子填充层。吸收液由旋转床的液体进口通入吸收旋转床转子中心，经液体分布器均匀分布在转子内缘，吸收液在离心力的作用下由转子内缘依次经过填料层、叶片层、填料层......流向转子外缘，与气体在旋转床转子填充层内逆流接触，并且由转子外缘尼出的液滴碰撞在开孔型挡板上，与气体进行进一步接触，完成二氧化碳的吸收过程，气液的体积流量比/7。为100。吸收液与含有二氧化碳的混合气体在经过吸收旋转床转子充分接触后，吸收了二氧化碳后的吸收液成为富液，进入富液罐，作为二氧化碳解吸过程的原料，进入解吸工序。在解吸工序中，将二氧化碳吸收工序所产生的富液由液体进口通入转速500r/min解吸旋转床。富液由旋转床的液体进口通入解吸旋转床转子中心，经液体分布器均匀分布在转子内缘，吸收液在离心力的作用下由转子内缘依次经过填料层、叶片层、填料层......流向转子外缘，并且由转子外缘甩出的液滴碰撞在开孔型挡板上，自气体进口进入的低压蒸汽经挡板分布并与富液进行接触，然后自转子外缘进入旋转床转子填充层内与富液进行逆流接触完成富液中二氧化碳的解吸过程，气液的体积流量比/^为120。采用红外线气体分析仪在线分析吸收工序的旋转床出口及解吸工序气液分离器气体出口的气体中二氧化碳的体积含量为1.68%和99.3%。实施例2-22:工艺流程及步骤同实施例1，各实施例的工艺条件和操作条件以及相应的实验结果详见表1。表i各实施例的工艺条件及实验结果<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表中参数吸收系统温度7;，解吸系统温度z;，吸收剂质量或摩尔浓度^或c,，活化剂质量浓度w，原料气体中二氧化碳体积含量K，吸收后二氧化碳体积含量K，解吸后二氧化碳体积含量^，吸收过程气液比7。，解吸过程气液比W。权利要求1、一种超重力旋转床装置，在密闭的壳体中装有转子，转子上有填充层，壳体上开有液体进、出口，气体进、出口，液体进口设有延伸到转子中心空腔中的液体分布器，其特征在于，转子上的填充层是由填料层与叶片层沿径向呈同心环形式间隔排列组成。2、根据权利要求1的旋转床装置，其特征在于，所述的叶片层的叶片是直叶片、后弯叶片或前弯叶片。3、根据权利要求1的旋转床装置，其特征在于，所述的填料层的填料为丝网型填料、整体结构型填料。4、根据权利要求1的旋转床装置，其特征在于，在所述的转子外侧的壳体空腔内安装有环形挡板。5、根据权利要求4的旋转床装置，其特征在于，所述的环形挡板结构是开孔型挡板、逆流栅板型挡板、并流栅板型挡板或丝网型挡板。6、一种把权利要求1的旋转床装置用于二氧化碳捕集纯化的工艺方法，主要包括二氧化碳吸收、解吸过程，其特征在于，在吸收工序中，将含有二氧化碳的混合气送入吸收旋转床气体进口，同时将来自吸收液配制罐的吸收液泵入吸收旋转床液体进口，通过液体分布器将吸收液从转子中心喷向转子填充层，并依次通过间隔布置在转子上的填料层、叶片层与混和气逆流接触，进行化学反应或物理吸附，吸收过程中控制进入旋转床的气液的流量比为50200:1，完成吸收过程的贫液成为富液由吸收旋转床液体出口送入富液罐，泵送到解吸工序作为二氧化碳解吸过程的原料，处理后的混合气由吸收旋转床气体出口外排；在解吸工序中，将来自吸收工序的富液送入解吸旋转床液体进口，在解吸旋转床层内依次经过间隔布置在转子上的填料层、叶片层，与来自气体进口的低压水蒸汽逆流接触，完成解吸过程，解吸过程中控制气液的流量比为50200:，将富液中的二氧化碳解吸为气体并由解吸旋转床的气体出口流出，富液成为贫液并由解吸旋转床液体出口流入吸收液配制罐，用贫液泵送到吸收工序作为吸收液，解吸得到的含有水蒸汽的二氧化碳，经冷凝器后送入气液分离器，二氧化碳气体由气液分离器采出，冷凝液由气液分离器液体出口流到吸收液配制罐，在系统中循环使用。全文摘要本发明涉及一种超重力旋转床装置及在二氧化碳捕集纯化工艺应用，该装置转子中的填充层是由填料层与叶片层沿径向呈同心环形式间隔排列组成，转子中的填料层使流体产生大量新的表面积，转子中的叶片层可以调控流体流动方向，使流体进入下一层填料时形成端效应区。在二氧化碳捕集纯化工艺中，二氧化碳的吸收、解吸过程在本发明的旋转床装置中进行，使流程工业尾气及伴生气中二氧化碳得到高效的捕集纯化现场回收，与传统的用塔设备进行二氧化碳捕集纯化工艺相比，在达到相同吸收、解吸效果的情况下，设备投资可节约30％，占地面积可减小50％，运行操作费用可降低10％。设备操作弹性大，运行稳定，具有工业使用的实际价值。文档编号B01J19/00GK101549274SQ20081010323公开日2009年10月7日申请日期2008年4月1日优先权日2008年4月1日发明者初广文,邹海魁,陈建峰申请人:北京化工大学;北京中超海奇科技有限公司