脯氨酸钾/乙醇相变吸收剂捕集CO2的应用基础研究

摘要

吸收剂再生能耗高是传统乙醇胺水溶液捕集CO2过程的主要缺点。相变吸收剂将吸收的CO2富集在其中一相，仅再生富集相可提高能量有效利用率，有望大幅降低再生过程中热能消耗。与其它氨基酸盐水溶液沉淀体系相比，脯氨酸钾/乙醇溶液作为一种氨基酸盐贫水溶剂，具有较快的吸收速率及较宽的相变操作窗口。但是关于其吸收CO2的液固相变特性、反应机理以及动力学特征等方面仍未见报道。因此开展脯氨酸钾/乙醇溶液捕集CO2的研究对于构建高能效氨基酸盐贫水相变溶剂体系具有重要的理论价值与现实意义。
　　本论文在快速筛选装置中考察了脯氨酸钾/乙醇溶液吸收和解吸CO2的过程特性及CO2分配特征;利用密度粘度仪测量了脯氨酸钾/乙醇溶液的物性数据;在静态气液平衡装置测量了在不同温度下溶液吸收CO2的气液平衡以及N2O溶解度数据;利用13C NMR和XRD等分析技术确定了脯氨酸钾在乙醇中与CO2的反应机理及固相沉淀组成，并在改进的磁力传动搅拌反应器中测定了脯氨酸钾/乙醇溶液吸收CO2的反应动力学。
　　吸收实验结果表明脯氨酸钾/乙醇溶液具有较快的CO2吸收速率，5.954ml(3.0M)的脯氨酸钾/乙醇溶液的吸收速率约为30mass％MEA水溶液吸收速率的3倍。脯氨酸钾/乙醇溶液吸收CO2后液-固分相行为明显，大约55-60％的CO2富集于固相。通过13C NMR和XRD分析，氨基甲酸盐、碳酸氢盐及乙基碳酸酯是主要反应产物，固相以碳酸氢钾为主，分解温度为383K。吸收-解吸循环实验表明脯氨酸钾/乙醇溶液具有稳定的循环使用性能。溶液CO2吸收热数值与CO2负载量相关，在负载为0.35-0.60mol·mol-1间出现急剧降低。
　　脯氨酸钾/乙醇溶液的基础物性数据表明，溶液的密度及粘度随温度上升而降低，随ProK浓度升高而升高，获得的物性经验方程具有较高相关性;采用N2O/CO2类比法获得CO2物理溶解度数据，乙醇作溶剂时CO2物理溶解度增大，有利于吸收过程。与水溶液体系相比，CO2在脯氨酸钾/乙醇溶液中的溶解度受温度影响大，在较窄的温度变化范围内便可获得较大的循环负载容量。气液平衡曲线表明固相沉淀的产生能够降低CO2平衡分压或增加溶液的CO2负载量。
　　在对CO2快速拟一级反应条件下，动力学实验表明，随着温度以及ProK浓度的增高，总反应速率常数显著增加;脯氨酸钾在不同溶剂中的反应级数有差异性。在280.2K下，脯氨酸钾溶液中总反应速率常数大小关系为:ProK/EG＞ProK/ethanol＞ProK/water。动力学数据分别采用两性离子和三分子机理模型解释，ProK在乙醇溶液中反应级数约为2。从两性离子机理模型看出，两性离子去质子化过程反应速率慢，ProK在去质子化过程中占主要作用。乙醇作溶剂时ProK与CO2反应的活化能约为16.0kJ·mol-1。
　　综上所述，脯氨酸钾/乙醇溶液吸收CO2后具有良好的液固相变特性，固相CO2富集较高，循环使用性能稳定，同时保持着较高的CO2吸收速率和循环操作容量，是一种具有较好应用前景的相变化学吸收剂。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 相变吸收剂捕集CO2的研究现状

1．2．1 液-固相变吸收剂

1．2．2 液-液相变吸收剂

1．3 论文研究目的与内容

第2章 脯氨酸钾／乙醇溶液吸收CO2后的相变特性

2．1 实验中所用药品、仪器与溶液制备

2．2 实验装置与步骤

2．2．1 CO2吸收特征

2．2．3 CO2吸收热

2．3 分析方法

2．4．1 吸收剂的吸收速率比较

2．4．2 ProK／ethanol溶液的CO2吸收特性

2．4．3 两相组成分析

2．4．4 吸收齐IJ使用性能

2．4．5 CO2吸收反应热

2．5 本章小结

第3章 脯氨酸钾／乙醇溶液的基础物性数据

3．1 实验所用药品、仪器与溶液制备

3．2 实验装置与步骤

3．2．1 含水量测量

3．2．2 密度测量

3．2．3 粘度测量

3．2．4 N2O溶解度测量

3．3 物性经验模型

3．4 结果与讨论

3．4．1 实验装置和方法验证

3．4．2 密度与粘度

3．4．3 N2O和CO2物理溶解度

3．5 本章小结

第4章 脯氨酸钾／乙醇溶液吸收CO2的气液平衡

4．1 实验所用的药品、仪器与溶液制备

4．2 实验装置与步骤

4．3 气液平衡半经验模型

4．4 结果与讨论

4．4．1 实验装置与方法验证

4．4．2 CO2-ProK／ethanol体系的气液平衡

4．5 本章小结

第5章 脯氨酸钾／乙醇溶液吸收CO2的反应动力学

5．1 实验药品与溶液制备

5．2 反应机理与传质模型

5．2．1 吸收化学反应

5．2．2 总吸收反应速率

5．2．3 传质过程

5．3 实验装置与步骤

5．3．1 物理传质系数测定

5．3．2 气相传质的影响

5．3．3 动力学实验

5．4 结果与讨论

5．4．1 物性数据的预测

5．4．2 液相传质速率

5．4．3 气相中CO2含量对总传质速率的影响

5．4．4 反应动力学

5．5 本章小结

结论与展望

附录

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文

致谢