專利名稱：空氣中二氧化碳吸收裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種空氣中二氧化碳吸收裝置，尤指一種利用一全新設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)填 充床取代傳統(tǒng)填充塔，以進(jìn)行化學(xué)吸收法回收二氧化碳的裝置。
背景技術(shù)：
溫室氣體造成全球暖化的問題日益嚴(yán)重，溫室氣體之中以二氧化碳(C02)的含量 最多，占有最大比例，約為55%，對于溫室氣體的減量控制與處理技術(shù)的研發(fā)，儼然已成為 世界趨勢。因此，如何有效率的吸收空氣中的二氧化碳，為本實(shí)用新型主要討論的主題。目前已有化學(xué)吸收法來回收二氧化碳。而化學(xué)吸收法是以吸收劑與二氧化碳發(fā)生 化學(xué)反應(yīng)來達(dá)到回收二氧化碳的目的，并且利用其逆反應(yīng)進(jìn)行吸收劑再生。化學(xué)吸收法為目前最有效率的回收二氧化碳方法，其能獲得較高的二氧化碳去除 率，且適合于處理二氧化碳分壓低的混合氣體。此法可得到純度較高的二氧化碳，并且吸收 速度快、可處理較大量的氣體。但是化學(xué)吸收法缺點(diǎn)有以下三點(diǎn)1.溶劑與其它氣體(如02、SOx或COS)發(fā)生 不可逆的化學(xué)反應(yīng)，使吸收劑的再生次數(shù)減少，因而增加操作成本；2.由于吸收劑多為堿 性溶液，會對吸收塔、再生塔及周邊管線造成腐蝕作用；3.操作變量較多，因此操作較為繁 瑣。在現(xiàn)有成熟的技術(shù)中，一般使用傳統(tǒng)填充塔進(jìn)行二氧化碳的吸收。在此傳統(tǒng)填充 塔中，若欲增加吸收效率，通常都需要龐大的設(shè)備或增加吸收劑量才能達(dá)到需求，這將使得 成本大為提高，不符合經(jīng)濟(jì)效益，不利市場的競爭。在現(xiàn)有技術(shù)中，于公元1981年，自從英國ICI公司的Ramshaw與Mallinson成功 地開發(fā)高效率氣液質(zhì)傳技術(shù)(即氣體與液體之間的質(zhì)量傳遞)以來，引起工業(yè)界的密切關(guān) 注。他們所開發(fā)的設(shè)備常被稱為旋轉(zhuǎn)填充床(RotatingPacked Bed)，其主要利用離心的方 式將填充床高速旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生超重力場，在此力場中液體產(chǎn)生高度分散現(xiàn)象，以增加氣體與 液體的接觸面積與碰撞機(jī)率，進(jìn)而提升氣體與液體之間的質(zhì)量傳遞效率，并達(dá)到快速混合、 分離及反應(yīng)等目的。此新穎技術(shù)具有低液泛、高處理量、較小空間需求、高質(zhì)傳效率、低能源耗用及低 投資與操作成本等優(yōu)點(diǎn)。此技術(shù)可廣泛地應(yīng)用于蒸餾、吸收、氣提及具有擴(kuò)散控制的氣液反 應(yīng)等程序，所以不僅能適用于化學(xué)工業(yè)，更能應(yīng)用于其它產(chǎn)業(yè)相關(guān)程序，如環(huán)保產(chǎn)業(yè)等。此旋轉(zhuǎn)填充床分為兩種類型，即逆流式旋轉(zhuǎn)填充床和錯流式旋轉(zhuǎn)填充床。逆流式旋轉(zhuǎn)填充床，如圖1所示，系在一封閉的外殼91側(cè)面設(shè)有一氣體入口 92、頂 面中心設(shè)有一氣體出口 93及一液體入口 94、且底面設(shè)有一液體出口 95 ；外殼91內(nèi)設(shè)有一 以轉(zhuǎn)軸96趨動旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)筒97，而轉(zhuǎn)筒97以填充物98填充。 液體自液體入口 94經(jīng)管線末端的液體分布器99而送入轉(zhuǎn)筒97的中心；氣體自氣 體入口 92經(jīng)填充物98而進(jìn)入轉(zhuǎn)筒97的中心。使液體與氣體在轉(zhuǎn)筒97的中心交匯以進(jìn)行 化學(xué)吸收程序。[0012]此種逆流式旋轉(zhuǎn)填充床的內(nèi)外環(huán)流體通道，由于截面積差異大，以致氣體速度變 化過大，如此將使氣體所受阻力提升，不適合用于氣體流量高的氣液質(zhì)傳交換程序如吸收寸。為了在氣體流量高的氣液質(zhì)傳交換程序中引入離心力場強(qiáng)化質(zhì)傳，一些研究者開 始研發(fā)不同于逆流式的錯流式旋轉(zhuǎn)填充床，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，其系在一密封的外殼81底 面設(shè)有多個氣體入口 82及一液體出口 83，而頂面中心設(shè)有一氣體出口 84及一液體入口 85 ；而外殼81內(nèi)設(shè)有一以轉(zhuǎn)軸86驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的填充物87，而填充物87上方設(shè)有一氣體封軸 88。液體自液體入口 85經(jīng)管線末端的液體分布器89而送入填充物87的中心；氣體自 氣體入口 82經(jīng)填充物87而進(jìn)入中心。使液體與氣體在填充物87的中心交匯以進(jìn)行化學(xué) 吸收程序。錯流式旋轉(zhuǎn)填充床中由于氣體流道截面積固定，因此氣體速度恒定，且氣體沿旋 轉(zhuǎn)床軸向流動，無需克服離心阻力，故氣體阻力遠(yuǎn)比逆流式小，適合氣體流量高的氣液接觸 程序，且可改善目前常使用洗滌塔壓損過高的缺點(diǎn)，如此可大幅地減少操作過程中所使用 的能源耗用量。若能妥善利用此二種旋轉(zhuǎn)填充床設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于空氣中二氧化碳的吸 收，可大幅增加吸收效率。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種能大幅增加吸 收效率的空氣中二氧化碳吸收裝置。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是一種空氣中二氧化碳吸 收裝置，其包括一旋轉(zhuǎn)填充床，具有一密封外殼，該外殼上設(shè)有一空氣入口及一吸收劑出口，且頂 面中心設(shè)有一空氣出口及一吸收劑入口，而內(nèi)部設(shè)有一以一馬達(dá)帶高速旋轉(zhuǎn)的填充物，而 該填充物中心設(shè)有一與該吸收劑入口連通的液體分布器；空氣泵，將空氣自該空氣入口打入該外殼內(nèi)；一吸收劑儲槽，用以儲存自該吸收劑出口流出的吸收劑；及一抽水泵，將該吸收劑儲槽中的吸收劑自該吸收劑入口打入該外殼內(nèi)。本實(shí)用新型使用時，空氣泵將空氣自空氣入口打入外殼內(nèi)，吸收劑儲槽用以儲存 自吸收劑出口流出的吸收劑，抽水泵將吸收劑儲槽中的吸收劑自吸收劑入口打入外殼內(nèi)， 吸收劑自吸收劑入口經(jīng)管線末端的液體分布器而送入填充物的中心；而空氣自空氣入口經(jīng) 填充物而進(jìn)入中心；吸收劑經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)于100G以上的超重場受離心力噴射而出與空氣中 的二氧化碳于填充物的中心交匯，以進(jìn)行化學(xué)吸收程序，將空氣中的二氧化碳吸收，并使剩 余氣體自空氣出口排出，而吸收二氧化碳的吸收劑回收至吸收劑儲槽中。本實(shí)用新型利用旋轉(zhuǎn)填充床進(jìn)行化學(xué)吸收程序，將可以縮減設(shè)備大小，降低傳統(tǒng)填充 塔內(nèi)吸收劑輸送至塔頂所需能源；而利用旋轉(zhuǎn)填充床的耗能減量，使其在應(yīng)用上更具競爭力， 進(jìn)而大幅降低成本，故以經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)來看，此旋轉(zhuǎn)填充床將會是高效率的二氧化碳去除設(shè)備。以下將依據(jù)圖式所示，詳細(xì)說明本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及使用功效。

圖1為一種逆流式旋轉(zhuǎn)填充床簡圖，圖2為一種錯流式旋轉(zhuǎn)填充床簡圖，圖3為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。標(biāo)號說明旋轉(zhuǎn)填充床1密封外殼11空氣入口 12吸收劑出口 13空氣出口 14吸收劑入口 15馬達(dá)16填充物17液體分布器18空氣泵2吸收劑儲槽3抽水泵4夕卜殼81氣體入口 82液體出口 83氣體出口 84液體入口 85轉(zhuǎn)軸86填充物87氣體封軸88液體分布器89外殼91氣體入口 92氣體出口 93液體入口 94液體出口 95轉(zhuǎn)軸 96轉(zhuǎn)筒97填充物98液體分布器99
具體實(shí)施方式
請參照圖3所示，本實(shí)用新型提供一種空氣中二氧化碳吸收的裝置，主要由一旋 轉(zhuǎn)填充床1、空氣泵2、一吸收劑儲槽3及一抽水泵4所構(gòu)成。[0061]本實(shí)用新型的旋轉(zhuǎn)填充床1具有一密封外殼11，該外殼11上設(shè)有一空氣入口 12 及一吸收劑出口 13，且頂面中心設(shè)有一空氣出口 14及一吸收劑入口 15，而內(nèi)部設(shè)有一以一 馬達(dá)16帶動高速旋轉(zhuǎn)的填充物17，而該填充物17中心設(shè)有一與該吸收劑入口連通的液體 分布器18。空氣泵2將空氣自該空氣入口 12打入外殼11內(nèi)。吸收劑儲槽3則用以儲存自該 吸收劑出口 13流出的吸收劑。抽水泵4將吸收劑儲槽3中的吸收劑自吸收劑入口 15打入 外殼11內(nèi)。實(shí)際操作過程中，吸收劑自吸收劑入口 15經(jīng)管線末端的液體分布器18而送入填 充物17的中心；而空氣自空氣入口 12經(jīng)填充物17而進(jìn)入中心；吸收劑與空氣在填充物17 的中心交匯以進(jìn)行化學(xué)吸收程序，將空氣中的二氧化碳吸收，并使剩余氣體自該空氣出口 14排出，而吸收二氧化碳的吸收劑回流至該吸收劑儲槽3中。本發(fā)明中的旋轉(zhuǎn)填充床1可以是逆流式旋轉(zhuǎn)填充床，也可以是錯流式旋轉(zhuǎn)填充 床。表1為本發(fā)明中以逆流式旋轉(zhuǎn)填充床實(shí)際操作的規(guī)格及操作范圍表1逆流式旋轉(zhuǎn)填充床的規(guī)格及操作
逆流式旋轉(zhuǎn)填充床操作參數(shù)填充物內(nèi)半徑Ri (cm)2.0填充物外半徑R。(cm)8.0軸向高度Zb (cm)2.9液體分布器孔洞數(shù)8吸收劑濃度(mol/L)0.2 10馬達(dá)轉(zhuǎn)速(rpm)500、’ 3000液體流量Ql (L/min)0. 1 …10空氣流量Qg (L/min)10 、 100本發(fā)明中，旋轉(zhuǎn)填充床1中的填充物17于高速旋轉(zhuǎn)下，在其中心產(chǎn)生強(qiáng)大的離心 力，而增加重力場強(qiáng)度，大幅提升空氣及吸收劑的流速及接觸面積，在液體界面急速更新的 情況下與氣體以極高的相對速度在填充物中接觸，達(dá)到強(qiáng)化質(zhì)傳的效果，促使吸收效率提升。由于二氧化碳為酸性氣體，故一般選用具有堿性的吸收劑，常使用吸收劑的比較 如表2所示，常用方法如下簡述(1)碳酸鉀吸收法此法最初是在美國開發(fā)利用煤合成液體燃料方案中的一部分發(fā)展而起的，主要是
利用碳酸鉀溶液吸收二氧化碳反應(yīng)產(chǎn)生碳酸氫鉀。再生方面，將已吸收二氧化碳的碳酸鉀
溶液加熱到碳酸氫鉀的分解即可發(fā)生逆反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳并將反應(yīng)生成的碳酸鉀再使用。此法發(fā)展為活化熱碳酸鉀法，即將吸收二氧化碳的溫度提升至105 120癍及壓力提高 至2. 3MPa，且在同溫度下采用降壓的方法來再生吸收劑，其結(jié)果是增加反應(yīng)速率及吸收容 量，但吸收速率仍慢，而且由于溫度的提升會造成嚴(yán)重的腐蝕，故加入活性劑來提高吸收與 再生速率并減輕腐蝕，因而稱為活化熱碳酸鉀法。常用的活性劑有無機(jī)活性劑(砷酸鹽、硼 酸鹽和磷酸鹽)和有機(jī)活性劑(有機(jī)胺和醛、酮類有機(jī)物)。(2)醇胺吸收法一般常用的醇胺類有一級醇胺(如MEA)、二級醇胺(如DEA、DIPA)及三級醇胺(如 MDEA、TEA)。一級醇胺和二級醇胺具有強(qiáng)的堿性，故其與二氧化碳反應(yīng)具有較快的速率， 但由于反應(yīng)形成的產(chǎn)物為氨基甲酸根(carbamate)，使得其吸收容量限制于0. 5mol-C02/ mol-醇胺。三級醇胺因堿性較弱而降低與二氧化碳反應(yīng)的速率，然而其吸收容量卻能達(dá)到 1.0mOl-C02/mOl-醇胺。近來，立體障礙醇胺(如AMP)被使用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)醇胺作為吸收劑， 因其具有較快的吸收速率且能如三級醇胺具有1.0mOl-C02/mOl-醇胺的高吸收容量。另 外，混合醇胺也是目前研究方向之一，因混合醇胺是溶液中混有兩種以上的醇胺溶液，綜合 各級醇胺的優(yōu)點(diǎn)，故具有快吸收速率與高吸收容量的特性，常使用的混合醇胺有MEA-MDEA、 MEA-TEA、DEA-MDEA、DEA-TEA、DEA-AMP、MEA-AMP 及 DEA-TEA-AMP 等。(3)氫氧化鈉吸收法利用強(qiáng)堿溶液作為吸收劑，氫氧化鈉是常使用的化學(xué)溶劑，已有相當(dāng)多的研究探 討氫氧化鈉濃度對C02吸收效率的影響，并也常以此系統(tǒng)比較不同氣液接觸吸收器的效能。 除了氫氧化鈉，LiOH及K0H也能被使用于吸收二氧化碳。表2各種吸收劑優(yōu)缺點(diǎn)比較
吸收劑種類優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)一級醇胺吸收速率快吸收容量低MEA價(jià)格便宜不適用于含有COS及cs2的廢氣對碳?xì)浠衔镂諛O小較具腐蝕性熱容量高容易被煙道中的so2、02毒化二級醇胺吸收速率快吸收容量低DEA、 DIPA較不具腐蝕性適用于含有cos及cs2的廢氣熱容量低三級醇胺吸收容量高吸收速率慢MDEA、 TEA熱容量低對H2S具有選擇性吸收汽提特性佳[0078] 化學(xué)吸收法可利用所使用的吸收劑種類不同或者搭配一些增加吸收二氧化碳速 率的活化劑，增加二氧化碳吸收效率。常用的活性劑有無機(jī)活性劑(砷酸鹽、硼酸鹽和磷酸 鹽)和有機(jī)活性劑(有機(jī)胺和醛、酮類有機(jī)物)。本實(shí)用新型也采用上述常用的吸收劑、活性劑及吸收方法。以下是本實(shí)用新型中，以醇胺水溶液為吸收劑來吸收二氧化碳的實(shí)驗(yàn)說明。首先，將配制適當(dāng)?shù)拇及啡芤?0.210mol/L)濃度，在正常操作下，空氣經(jīng)由空氣 泵2推入逆流式旋轉(zhuǎn)填充床1內(nèi)，從填充物17外緣流動進(jìn)入填充物17內(nèi)，最后由填充物17 上方空氣出口 14排出，以二氧化碳分析儀測得出口濃度。之后，打開馬達(dá)16轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)填充床1內(nèi)的填充物17，接著將醇胺溶液經(jīng)由抽水泵 4打入填充物17上方吸收劑入口 15，液體再經(jīng)由液體分布器18開孔噴入填充物17的中 心，液體藉由旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用向外殼11甩出流動(于100G以上的超重力場)，最后 由下方開口流出至吸收劑儲槽3，醇胺溶液持續(xù)以循環(huán)模式吸收空氣中的二氧化碳?xì)怏w。醇胺溶液與二氧化碳?xì)怏w在填充物17中以逆流的方式接觸進(jìn)行質(zhì)傳，在超重力 場內(nèi)旋轉(zhuǎn)甩出過程中，液體經(jīng)過填充物被切割成細(xì)小液滴與液膜，同時，氣體從填充物17 下方向上流入與液體接觸，以達(dá)到吸收二氧化碳的目的，最后量測空氣入口 13與出口 15濃 度，經(jīng)由計(jì)算后可求得二氧化碳去除率。本實(shí)驗(yàn)以不同濃度的醇胺水溶液吸收空氣中的二氧化碳?xì)怏w(濃度約 40(Tl000ppm)，在不同的操作變因之下(吸收劑濃度、RPB轉(zhuǎn)速、液體流量、氣體流量)，在不 同操作范圍測量進(jìn)出口處C02濃度的變化情形。在如表1參數(shù)操作下，量測C02進(jìn)出口濃度，經(jīng)過計(jì)算求得C02去除率，探討不同 的操作參數(shù)以尋求最佳的C02吸收效率。表3為本實(shí)用新型之一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表3實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù) 由上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，可得知本實(shí)用新型所提供的空氣中二氧化碳吸收裝置，確實(shí) 可達(dá)到高效率吸收空氣中二氧化碳的功能。故本實(shí)用新型完全符合實(shí)用新型專利要件，爰 依法提出申請。
權(quán)利要求一種空氣中二氧化碳吸收裝置，其特征在于包括　　一旋轉(zhuǎn)填充床，具有一密封外殼，該外殼上設(shè)有一空氣入口及一吸收劑出口，且頂面中心設(shè)有一空氣出口及一吸收劑入口，而內(nèi)部設(shè)有一以一馬達(dá)帶高速旋轉(zhuǎn)的填充物，而該填充物中心設(shè)有一與該吸收劑入口連通的液體分布器；　　空氣泵，將空氣自該空氣入口打入該外殼內(nèi)；　　一吸收劑儲槽，用以儲存自該吸收劑出口流出的吸收劑；及　　一抽水泵，將該吸收劑儲槽中的吸收劑自該吸收劑入口打入該外殼內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣中二氧化碳吸收裝置，其特征在于，所述吸收劑是醇胺 溶液、強(qiáng)堿溶液及弱堿溶液中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的空氣中二氧化碳吸收裝置，其特征在于，所述醇胺溶液是一 級醇胺、二級醇胺、三級醇胺、立體障礙醇胺中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的空氣中二氧化碳吸收裝置，其特征在于，所述強(qiáng)堿溶液是氫 氧化鈉、氫氧化鉀及氫氧化鋰中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的空氣中二氧化碳吸收裝置，其特征在于，所述弱堿溶液為氨水。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的空氣中二氧化碳吸收裝置，其特征在于，所述吸收劑中含有 增加吸收二氧化碳速率的活化劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的空氣中二氧化碳吸收裝置，其特征在于，所述活化劑是無機(jī) 活性劑及有機(jī)活性劑中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的空氣中二氧化碳吸收裝置，其特征在于，所述無機(jī)活性劑是 砷酸鹽、硼酸鹽和磷酸鹽中的一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的空氣中二氧化碳吸收裝置，其特征在于，所述有機(jī)活性劑是 有機(jī)胺和醛、酮類有機(jī)物中的一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣中二氧化碳吸收裝置，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)填充床為 逆流式旋轉(zhuǎn)填充床。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的空氣中二氧化碳吸收裝置，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)填充床 的填充物內(nèi)半徑為2. 0cm,外半徑為8. 0cm,軸向高度為2. 9cm,液體分布器孔洞數(shù)為8孔，吸 收劑流量為0. 1 10 L/min,馬達(dá)轉(zhuǎn)速為500 3000 rpm,及空氣流量為10 100 L/min。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣中二氧化碳吸收裝置，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)填充床為 錯流式旋轉(zhuǎn)填充床。專利摘要一種空氣中二氧化碳吸收裝置，主要由旋轉(zhuǎn)填充床、空氣泵、吸收劑儲槽及抽水泵構(gòu)成。此旋轉(zhuǎn)填充床具有一密封外殼，該外殼上設(shè)有一空氣入口及一吸收劑出口，且頂面中心設(shè)有一空氣出口及一吸收劑入口，而內(nèi)部設(shè)有一以馬達(dá)帶動高速旋轉(zhuǎn)的填充物，該填充物中心設(shè)有與該吸收劑入口連通的液體分布器?？諝獗脤⒖諝庾栽摽諝馊肟诖蛉胪鈿?nèi)。吸收劑自吸收劑入口經(jīng)管線末端的液體分布器送入填充物的中心；空氣自空氣入口經(jīng)填充物而進(jìn)入中心；吸收劑經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)于100G以上的超重場受離心力噴射而出與空氣中的二氧化碳于填充物的中心交匯，以進(jìn)行化學(xué)吸收程序，將空氣中的二氧化碳吸收，并使剩余氣體自空氣出口排出，而吸收二氧化碳的吸收劑回收至吸收劑儲槽中。
文檔編號C01B31/20GK201648002SQ20092030776
公開日2010年11月24日 申請日期2009年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月11日
發(fā)明者楊顯銘, 陳詠文 申請人:楊顯銘;吳蕊華