新型两相胺吸收耦合多级液-液相分离捕集二氧化碳

The biphasic CO2 absorption process employs a biphasic solvent that forms dual phases during CO2 capture, with the absorbed CO2 concentrated in one phase and the lean in the other. Since only the CO2-enriched solvent phase needs to be regenerated, this novel process can effectively reduce the solvent volume required for regeneration and finally reduce the energy consumption. In this proposal, the alkanolamine will be used as an activator to enhance the biphasic process. Meanwhile, the process features multiple stages of liquid-liquid phase separation during CO2 absorption to maximize the CO2 absorption kinetics and minimize the increase in solvent viscosity to achieve efficient performance on CO2 capture. The optimal proportion, CO2 absorption and desorption property of this new absorbent will be investigated. Based on the results of characterization, the chemical reaction mechanism between the new system and CO2 will be clarified. On the basis of the classic theory of mass transfer (two-film theory), the mass transfer model of this new system would be established, and some important kinetic parameters such as the reaction rate constant and the enhancement factor would be obtained. Finally, the process parameters of CO2 capture by liquid-liquid phase separation will be optimized, and the economy and stability of this process will be assessed and compared with traditional aqueous amine system. The results of this proposal will provide a new absorbent for CO2 capture.

两相胺是近年来研发出的一类新型CO2吸收剂，该类溶剂在吸收CO2前与水组成均相溶液，吸收CO2后可实现液-液分相。由于CO2主要富集于其中一相，再生时仅需将含CO2的富液相送至再生塔解吸。由于需再生的液量减少，进而降低了再生能耗。本项目以传统两相胺为基础，选用醇胺作为活化剂，组成新型两相胺体系，结合多级液-液相分离吸收工艺，突破现有工艺吸收剂浓度和CO2吸收负荷不能太高的限制，有效提高体系对CO2的捕集性能。通过优化新型两相胺的组成和配比，筛选适宜的相变吸收体系；考察CO2在不同相中的形态及分布规律，重点分析该两相胺体系捕集CO2的反应机理及动力学特性，建立传质-反应动力学模型；优化多级相分离的工艺参数，探讨多级相分离工艺对两相胺溶液捕集CO2的调控机制，并与解吸过程集成，考察基于多级相分离的两相胺溶液捕集CO2的吸收-解吸性能，全面评价该工艺的技术经济特性。

本项目研究了新型两相胺吸收剂用于CO2捕集，并从新型两相胺的CO2捕集性能、反应机理、动力学特性、调控剂调控机制以及再生能耗等方面展开探索。主要研究工作和结果如下：（1）二乙烯三胺（DETA）和五甲基二乙烯三胺（PMDETA）可用于构建两相胺体系。DETA-PMDETA（5 mol/L，1:4）两相胺的CO2负荷可达0.613 mol CO2/mol胺，其中99.7%的CO2富集于溶液下层，且下层体积仅占吸收剂总体积的57%。反应机理研究表明，DETA在作为CO2吸收促进剂的同时决定了体系的吸收容量，PMDETA主要参与反应中的去质子化过程。相变机制表明，CO2产物在PMDETA中溶解度有限，且其密度大于PMDETA，因而迁移至溶液下层，PMDETA则迁移至上层。（2）引入2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）作为调控剂对两相胺进行调控时，通过组分优化，确定了0.5 M DETA+1.5 M AMP+3M PMDETA（0.5D1.5A3P）为最佳两相胺体系。基于多种表征手段，探明了AMP对两相胺的调控机制：在DETA-PMDETA体系中，CO2吸收产物主要为DETA-氨基甲酸盐。引入AMP，可使大量产物以HCO3-/CO32-形式存在。HCO3-/CO32-不易形成氢键，且比DETA-氨基甲酸盐易分解。因此，有效降低两相胺富液粘度并提高其再生性能。此外，由于AMP的存在，吸收剂在再生时自由质子可通过多种途径产生，促进了DETA-氨基甲酸盐的分解。（3）测定了DETA、AMP、PMDETA溶液及两相胺溶液在不同条件下的物性参数，包括密度、粘度和N2O亨利系数，并利用相关经验模型拟合了各体系的物性参数数据。建立了单组分DETA、AMP、PMDETA溶液和DETA-AMP-PMDETA两相胺吸收CO2的动力学模型。与单组分胺溶液吸收CO2的动力学对比，发现在DETA-AMP-PMDETA两相胺体系中，CO2反应速率主要由DETA、AMP决定。另外，两相胺体系中PMDETA分子会发生群聚而形成PMDETA簇，PMDETA群簇的形成对体系吸收CO2有一定限制作用。模型预测得到的总反应速率常数kov, mix与实验值具有良好的吻合度。（4）对再生能耗进行评估，发现0.5D1.5A3P两相胺可将再生能耗降至1.83 GJ/ton CO2，相比于传统MEA吸收剂降低了52%。