專利名稱：一種可實現(xiàn)酸性氣體高效吸收的微反應(yīng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可實現(xiàn)酸性氣體高效吸收的微反應(yīng)技術(shù)，具體說是一種可強(qiáng)化酸性氣體吸收的微通道反應(yīng)器技術(shù)。本發(fā)明為煙道氣、合成氨、天然氣化工等工業(yè)氣體的脫碳脫硫提供了一種高效吸收的微反應(yīng)器技術(shù)。
背景技術(shù)：
酸性氣體特別是C02、&S等氣體排放已對全球氣候環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，截至 2009年12月全球已有184個國家簽署了旨在限制溫室氣體排放量以抑制全球變暖的《京都議定書》，可見溫室氣體減排意義重大，從集中排放源如燃煤電廠尾氣中分離吸收CO2是最具操作性的減排方法。在諸如合成氨(以天然氣為原料)以及天然氣化工等的工業(yè)氣體中含有大量的酸性氣體，脫除其中的酸性氣體以凈化原料氣是這些大型裝置的必要環(huán)節(jié)。目前，酸性氣體凈化主要以活化的MDEA為溶劑的化學(xué)吸收法為主，凈化裝置普遍采用填料塔作為吸收塔。而填料塔的最大弊病是易發(fā)生液泛、霧沫夾帶及塔腐蝕等現(xiàn)象，以及單位體積的塔設(shè)備能力低。專利CN 101612510A公開了一種吸收CO2的微通道吸收器，以類似于蜂窩狀的規(guī)整微通道取代常規(guī)吸收塔上的填料，提高了設(shè)備處理能力。美國專利US 20100024645涉及采用離子液體作為吸收劑在微通道中分離氣體的方法，以及提高熱效率方式——將吸收反應(yīng)熱用于解吸過程，減少附加能量。US 20060073080論述了微通道混合器中多相混合，通過微通道上的孔使兩相之一在微通道中形成一種非連續(xù)相分散于連續(xù)相之中，以獲得較高的氣液相接觸面積。上述專利所涉及的微通道反應(yīng)器中，規(guī)整微通道吸收器采用噴淋分散方式實現(xiàn)氣液兩相流體的混合，雖較常規(guī)塔式反應(yīng)器效率高，但并不能保證各通道中的氣液兩相配比均勻一致，導(dǎo)致吸收效率降低，且從所公開的內(nèi)容看，這種規(guī)整微通道無論從選材上還是制備上都將成為其大規(guī)模應(yīng)用的主要制約因素，即難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的要求；專利US 20100024645強(qiáng)調(diào)微通道分離系統(tǒng)的能量利用，US 20060073080則單一從孔大小或孔延伸的長度上強(qiáng)化混合，并且也涉及到與微通道熱沉的熱量交換，但對這種孔分布與微通道結(jié)構(gòu)協(xié)同強(qiáng)化傳質(zhì)的研究并未涉及，或至少沒有公開協(xié)同強(qiáng)化傳質(zhì)的微反應(yīng)器幾何結(jié)構(gòu)特征。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是強(qiáng)化微通道中氣液兩相混合，特別是涉及酸性氣體化學(xué)吸收的兩相反應(yīng)過程。本發(fā)明通過微通道上的孔分布與微通道結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用強(qiáng)化這一傳質(zhì)過程。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種可實現(xiàn)酸性氣體高效吸收的微反應(yīng)方法，該方法采用一種微反應(yīng)器，使待吸收的酸性氣體或其混合物與吸收液在反應(yīng)壓力0. l"7MPa下流經(jīng)該微反應(yīng)器，并在該微反應(yīng)器中的并行微反應(yīng)通道中停留0. 001-10秒鐘，完成吸收；
所述微反應(yīng)器包括一片或一片以上微混合板、和一片或一片以上微分布板，微混合板和微分布板相疊合；每片微混合板上均設(shè)有并行微反應(yīng)通道，在每一條微反應(yīng)通道中垂直于板面方向含有一個或一個以上的微孔；每片微分布板上均設(shè)有與上述微孔相互對應(yīng)、且相連通的并行分布微通道；所述流經(jīng)該微反應(yīng)器的酸性氣體或其混合物與吸收液分別流經(jīng)微分布板與微混合板，并通過微通道上的微孔接觸；接觸混合后的氣液兩相流體在微通道中發(fā)生至少一次折線流動和/或至少一次曲線流動。本發(fā)明提供的方法中，并行微反應(yīng)通道間的微孔有規(guī)律的成排分布，且至少含有一排微孔；至少含有一排孔的并行微反應(yīng)通道構(gòu)成吸收液或酸性氣體通道、及兩者混合的混合板(M板)，即所述的微混合板；而所述微分布板上不含微孔、僅包含有并行分布微通道，或簡稱分布板(D板)，由這樣的一片微混合板與一片微分布板可以構(gòu)成一小型微反應(yīng)器，由上述多片微混合板與微分布板可以構(gòu)成并行放大的微反應(yīng)器。裝配時，每一片或多片混合板介于相鄰兩片分布板之間，而每一片或兩片微分布板介于相鄰兩片微混合板間。所述微分布板上的并行分布微通道數(shù)與微混合板上的單排孔的數(shù)目相同；且分布通道延伸至微混合板上靠近并行微反應(yīng)通道軸向尾部的一排孔處。在優(yōu)選的實施方案中所述并行微反應(yīng)通道軸向上包含有多排有規(guī)律的微孔，最后一排微孔的位置在第一排微孔(物料入口處)至通道中心以內(nèi)。在構(gòu)成微反應(yīng)器的每個微混合板和微分布板上的并行微通道含有壁(本發(fā)明中所說的壁不包含單片板上并行通道間的棱壁，可理解為并行通道的底面)，每相間布置的微混合板與微分布板上的并行微通道由壁分隔，所述并行微通道上的單排孔或多排孔位于壁上，并行微反應(yīng)通道與并行分布微通道通過壁上的微孔連通。為產(chǎn)生協(xié)同強(qiáng)化兩相傳質(zhì)效果，本發(fā)明將微混合板上的通道在整個軸向方向上做成曲線或折線結(jié)構(gòu)，彎曲角或折角角度為10° -150°，最好為45° -120°，優(yōu)選的實施是 30°或45°或90°或120°或150°或其它角度。而與之相匹配的微孔分布為當(dāng)微通道彎曲角或折角角度在45°及以下時，相鄰兩排孔的間距I1大于或等于相鄰兩彎曲角或折角頂間距I2的2倍，即I1S 212，微通道彎曲角或折角角度在>45° -90°時，212>li>l2， 微通道折線或曲線角度在90°以上時，11 = 12。在具有上述特征的本發(fā)明微反應(yīng)器中，使待吸收的酸性氣體或其混合物與吸收液通過微孔、或多排微孔接觸混合，在具有特定曲線、或折線角度的并行微反應(yīng)通道中完成混合吸收，即氣液兩相流體之一經(jīng)并行分布微通道形成細(xì)小分支流，通過微孔進(jìn)入另一組分的多股細(xì)小分支流中，為避免某一流體的分支流在進(jìn)入微反應(yīng)通道前斷流，在靠近微反應(yīng)通道的入口端設(shè)置多個微孔，通道并行分布后形成多排微孔；在微孔處混合的兩相流體的多股分支流再進(jìn)一步在彎曲的、或折角的并行微反應(yīng)通道中強(qiáng)化吸收，并維持一段反應(yīng)時間。本發(fā)明所提供的強(qiáng)化CO2吸收的微反應(yīng)技術(shù)方法還包括，使待吸收的酸性氣體及其混合物和吸收液在所述微反應(yīng)器中的停留時間為0. 001-10秒，優(yōu)選物料停留時間 0. 01-0. 5秒，反應(yīng)壓力0. l_7MPa，優(yōu)選為1. 0-5. OMPa0所述待吸收的酸性氣體或其混合物來自于燃煤鍋爐的煙道氣或天然氣等工業(yè)氣體，酸性氣體可以是C02、H2S, SO2, SO3、或HCl 等，所述吸收液為有機(jī)胺類或其復(fù)合組分或添加活化劑的有機(jī)胺類，或是離子液體吸收劑及其復(fù)合組分，亦或是有機(jī)胺與離子液體的復(fù)合組分。吸收液為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的技術(shù)，并處于不斷開發(fā)完善之中，本發(fā)明目的是為提供可實現(xiàn)酸性氣體高效吸收的微反應(yīng)器技術(shù)，在所公知的各類吸收液體系中的吸收過程均可采用本發(fā)明方法進(jìn)一步強(qiáng)化。本發(fā)明微反應(yīng)器技術(shù)可強(qiáng)化酸性氣體化學(xué)吸收，對于醇胺化學(xué)吸收脫碳過程，在停留時間僅0. 01-0. 5秒，反應(yīng)壓力0. 1-5ΜΙ^的條件下，高濃度CO2脫除率可普遍高于90%， 最高可達(dá)99. 5%以上。


圖1為不同折線角度微反應(yīng)通道結(jié)構(gòu)與孔分布圖；圖2為不同角度曲線微通道結(jié)構(gòu)與孔分布圖；圖3為30°角度曲線微通道結(jié)構(gòu)單片視圖；圖4為與圖3對應(yīng)的分布通道或其板結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明微混合板M與微分布板D疊加組合形式；圖6為30°角度曲線微通道結(jié)構(gòu)內(nèi)兩相混合視圖(混合通道與分布通道疊加圖)；附圖1-6中，標(biāo)號M表示微混合(通道或板)，D表示微分布(通道或板，P表示微孔，W表示通道壁，A和B表示氣液兩相流體；圖7為本發(fā)明微反應(yīng)器內(nèi)DEA吸收(X)2反應(yīng)結(jié)果一；圖8為本發(fā)明微反應(yīng)器內(nèi)DEA吸收(X)2反應(yīng)結(jié)果二。
具體實施例方式結(jié)合技術(shù)方案詳述本發(fā)明具體實施方式
。本發(fā)明對于微反應(yīng)器或微化工領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是較為熟悉的首先本發(fā)明涉及的是微通道反應(yīng)器，即通道特征當(dāng)量尺寸為微米至毫米級，其次涉及的是微通道內(nèi)的氣液兩相混合傳質(zhì)過程。所不同的是本發(fā)明提供一種不同的微通道結(jié)構(gòu)特征，以強(qiáng)化微通道內(nèi)氣液兩相傳質(zhì)，特別是針對酸性氣體吸收反應(yīng)的反應(yīng)器技術(shù)。所述微反應(yīng)器包括相互疊合的至少一片或一片以上微混合板和至少一片或一片以上微分布板；而每片微混合板上均設(shè)置有并行微反應(yīng)通道；在微混合板每一條微反應(yīng)通道上垂直于板面方向設(shè)置均設(shè)有一個或一個以上的孔，而微分布板上設(shè)置有與上述孔相互對應(yīng)、且相連通的通道；所述流經(jīng)該微反應(yīng)器的酸性氣體或其混合物與吸收液分別流經(jīng)微分布板和微混合板，并通過微通道上的孔接觸；接觸混合后的氣液兩相流體在微通道中發(fā)生至少一次折線流動和/或至少一次曲線流動。本發(fā)明酸性氣體高效吸收的微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如附圖1、附圖2所示。圖1所示將并行微反應(yīng)通道做成折線結(jié)構(gòu)M1, M2, M3, M4, M5, M6,所對應(yīng)的折角角度分別為30°、45°、60°、 90°、120°、150°。圖2所示為具有彎曲表面結(jié)構(gòu)的微反應(yīng)通道禮’為’為’為’為’為’， M6'，所對應(yīng)的曲線部位的角度分別為0°、30°、45°、60°、90°、120°、150°。在圖1和圖 2所示的具有一定角度的并行微反應(yīng)通道上設(shè)置有多排孔P。，P1, P2，P3，P4, P5, P6,并且孔設(shè)于通道的前半部分以內(nèi)；當(dāng)微通道折角或彎曲部分角度在45°及以下時，相鄰兩排孔的間距I1大于相鄰兩折角頂?shù)拈g距I2，本發(fā)明中I1 = 212，微通道折線或曲線角度在45° -90° 時，I1 = 1.5 I2，微通道折線或曲線角度在90°及以上時，I1 = 12。
圖3所示為由具有30°角度曲線結(jié)構(gòu)的并行微反應(yīng)通道所構(gòu)成的兩相流體混合的混合板(M板)，本發(fā)明中也稱為微混合板。圖4為具有不含孔的、但包含有并行分布微通道的分布板(D板)，本發(fā)明中也稱為微分布板。將多片如圖3所示的M板與圖4所示的D 板依次疊加，構(gòu)成如圖5所示的組合形式，即每相鄰兩片M板間為一片或多片D板，同樣每兩片D板間為一片或多片M板，由這樣的若干個單元構(gòu)成本發(fā)明可應(yīng)用于放大生產(chǎn)的微反應(yīng)器。圖4中并行分布微通道作為兩相流體之一的分布通道使用，本實施中作為酸性氣體或其混合物的分布通道，其通道數(shù)與圖3中并行微反應(yīng)通道上的每一排的微孔數(shù)相同，本實施中為8條酸性氣體分布通道，對應(yīng)圖3中單排的8個分布孔(P1)；圖3中并行微反應(yīng)通道上的第一排孔與最末一排孔間距為L1, L1占通道首尾端距離L的20%，圖4中作為分布通道用的并行分布微通道的長度為L2, L2的值在設(shè)計時需略大于U。圖4中并行微通道為直線結(jié)構(gòu)，本領(lǐng)域技術(shù)人員不難推斷，當(dāng)本發(fā)明中并行微反應(yīng)通道上的多排微孔不在一條直線上時，分布通道可以直接采用微反應(yīng)通道結(jié)構(gòu)，因此分布通道結(jié)構(gòu)也在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)。圖6所示為一條微反應(yīng)通道與一條分布通道疊加示意圖。圖中示意性地標(biāo)示了兩通道間的壁(W)，以及壁上的若干分布孔(P)。圖6中微反應(yīng)通道的寬為W，高度為h，通道當(dāng)量直徑為2w · h/ (w+h)。圖6中的A和B表示氣液兩相流體，原則上，A和B可以分別對應(yīng)氣相(酸性氣體)和液相(吸收液)，也可以分別對應(yīng)液相(吸收液)和氣相(酸性氣體)，優(yōu)選的是氣體從分布通道進(jìn)入微反應(yīng)通道中。本發(fā)明強(qiáng)化兩相混合傳質(zhì)機(jī)理可簡要闡述為將直線通道改變?yōu)榫哂幸欢ń嵌鹊恼劬€或曲線結(jié)構(gòu)后，在彎曲角的通道處，氣泡或斷裂或扭曲，產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動流；同時，在彎曲的并行微反應(yīng)通道上設(shè)置多排分布孔，一方面可使氣泡對吸收液連續(xù)流動相產(chǎn)生剪切斷裂，使兩相接觸面最大化，另一方面將孔設(shè)于相鄰折角之間的直線段部分，在孔處氣液兩相同樣產(chǎn)生較大擾動流混合，再者是前述所說的避免某一分支流進(jìn)入反應(yīng)通道前斷流，強(qiáng)化了氣液兩相傳質(zhì)吸收。采用表面結(jié)構(gòu)為圖3所示的并行微反應(yīng)通道(當(dāng)量直徑400μπι)以及圖4所示的并行分布微通道所構(gòu)成的微反應(yīng)器，進(jìn)行DEA化學(xué)吸收CO2氣體混合物，在停留時間為 0. 002s-0. 5秒，反應(yīng)壓力為0. l-5MPa條件下，測試本發(fā)明微反應(yīng)器強(qiáng)化傳質(zhì)吸收效果，反應(yīng)結(jié)果分別列于圖7和圖8中，圖中反應(yīng)數(shù)據(jù)所涉及的氣體原料中(X)2體積分?jǐn)?shù)為36. 2%。
權(quán)利要求
1.一種可實現(xiàn)酸性氣體高效吸收的微反應(yīng)方法，其特征在于采用微反應(yīng)器使待吸收的酸性氣體或其混合物與吸收液在反應(yīng)壓力0. 1-7MI^下流經(jīng)該微反應(yīng)器，并在該微反應(yīng)器中的并行微反應(yīng)通道中停留0. 001-10秒，完成吸收；所述微反應(yīng)器包括一片或一片以上微混合板、和一片或一片以上微分布板；每片微混合板上均設(shè)有并行微反應(yīng)通道，在每一條微反應(yīng)通道中垂直于板面方向含有一個或一個以上的微孔；每片微分布板上均設(shè)有與上述微孔相互對應(yīng)、且相連通的并行分布微通道；所述流經(jīng)該微反應(yīng)器的酸性氣體或其混合物與吸收液分別流經(jīng)微分布板與微混合板，并通過微通道上的微孔接觸；接觸混合后的氣液兩相流體在微通道中發(fā)生至少一次折線流動和/ 或至少一次曲線流動。
2.如權(quán)利要求1所述的微反應(yīng)方法，其特征在于所述并行微反應(yīng)通道間的微孔有規(guī)律的成排分布，且至少含有一排微孔；至少含有一排微孔的并行微反應(yīng)通道構(gòu)成吸收液或酸性氣體通道、及兩者混合的混合板，即所述微混合板。
3.如權(quán)利要求1或2所述的微反應(yīng)方法，其特征在于所述微反應(yīng)器包含有至少一片微混合板和至少一片微分布板；放大制備時，所述微反應(yīng)器包含有多片微混合板和多片微分布板，除處于兩端的微混合板或微分布板之外，每一片或多片微混合板介于兩片分布板之間，每一片或兩片微分布板介于兩片微混合板間。
4.如權(quán)利要求1或2所述的微反應(yīng)方法，其特征在于每片微混合板上的并行微反應(yīng)通道間軸向上包含有2排或2排以上的有規(guī)律的微孔， 最后一排微孔的位置在第一排微孔(物料入口處)至通道中心以內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1所述的微反應(yīng)方法，其特征在于所述混合板上并行微反應(yīng)通道為曲線或折線結(jié)構(gòu)，彎曲角或折角角度為10° -150°，最好為45° -120°。
6.如權(quán)利要求1、4和5所述的微反應(yīng)方法，其特征在于當(dāng)微通道彎曲角或折角角度在45°及以下時，相鄰兩排孔的間距I1大于或等于相鄰兩彎曲角或折角頂間距I2的2倍， 即I1S 212，微通道彎曲角或折角角度在>45° -90°時，212> I1 > I2，微通道折線或曲線角度在90°以上時，I1 = 12。
7.如權(quán)利要求1所述的微反應(yīng)方法，其特征在于所述分布板上的并行分布微通道數(shù)與混合板上的單排孔的數(shù)目相同；所述微分布板上的并行分布微通道延伸至混合板上靠近并行微反應(yīng)通道軸向尾部的一排孔處，并作為氣液兩相流體之一的分布通道；構(gòu)成微反應(yīng)器的每個微混合板和微分布板上的并行微通道含有壁，每相間布置的微混合板與微分布板上的并行微通道由壁分隔；所述并行微反應(yīng)通道上的單排微孔或多排微孔位于壁上，并行微反應(yīng)通道與并行分布微通道通過壁上的微孔連通。
8.如權(quán)利要求1所述的微反應(yīng)方法，其特征在于所述待吸收的酸性氣體或其混合物與吸收液通過一排或多排微孔接觸混合，在并行微反應(yīng)通道中完成混合吸收，使待吸收的酸性氣體混合物和吸收液在該微反應(yīng)器中的停留時間優(yōu)選為0. 01-0. 5秒；反應(yīng)壓力優(yōu)選為 1. 0-5MPa。
9.如權(quán)利要求1所述的微反應(yīng)方法，其特征在于所述待吸收的酸性氣體可以是C02、 H2S, SO2, SO3、或HCl等，所述吸收液為有機(jī)胺類或其復(fù)合組分或添加活化劑的有機(jī)胺類，或是離子液體吸收劑及其復(fù)合組分，亦或是有機(jī)胺與離子液體的復(fù)合組分。
全文摘要
一種可實現(xiàn)酸性氣體高效吸收的微反應(yīng)方法提供了一種可以實現(xiàn)酸性氣體(CO2、H2S、SO2、SO3、HCl等)吸收過程強(qiáng)化的微反應(yīng)技術(shù)方法。該方法采用一種微反應(yīng)器，使待吸收的酸性氣體與吸收液在反應(yīng)壓力0.1-7MPa下流經(jīng)該微反應(yīng)器，并在其并行微反應(yīng)通道中停留0.001-10秒，完成吸收。所述的并行微反應(yīng)通道至少包含有一排微孔，流經(jīng)該微反應(yīng)器的酸性氣體與吸收液通過微通道上的微孔接觸混合；接觸混合后的氣液兩相流體在微通道中至少經(jīng)歷一次折線或曲線流動。本發(fā)明可在毫秒級物料停留時間內(nèi)，強(qiáng)化酸性氣體混合物的化學(xué)吸收過程，是一種可實現(xiàn)快速生產(chǎn)放大的微反應(yīng)技術(shù)。
文檔編號B01D53/78GK102451653SQ201010522860
公開日2012年5月16日 申請日期2010年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月27日
發(fā)明者黨敏輝, 葉春波, 李恒強(qiáng), 焦鳳軍, 袁權(quán), 趙玉潮, 陳光文 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所