Recovery of Carbon Dioxide by using MEA solution as an absorbent in Rotating Packed Bed

中国环境学会  2011年 06月22日

  許秀菱*,陳璟豐

  龍華科技大學化工與材料工程系( Department of Chemical and Materials Engineering, Lunghwa University of Science and Technology),No.300, Sec. 1, Wanshou Rd., Gueishan Shiang, Taoyuan County 333, Taiwan, R.O.C.Email: rosslynhsu@hotmail.com,

   

  中文摘要

 

  二氧化碳為溫室氣體最主要成分之一,為了有效利用過多的二氧化碳及其對地球傷害,本研究以錯流式旋轉填充床連續進料,一級醇胺(MEA)為吸收劑進行回收二氧化碳之研究。探討改變MEA濃度、錯流式旋轉充填床轉速以及pH值等變數對二氧化碳吸收之影響,研究結果發現在連續進料操作中MEA濃度在1M錯流式旋轉填充床轉速在1500 RPM時吸收二氧化碳效率將近100%

   

  關鍵字:二氧化碳回收、一級醇胺(MEA)、旋轉填充床

   

  Abstract

   

  Carbon dioxide as we all know is the main component of greenhouse gases, in order to take advantage of excess carbon dioxide and its impact on the damage of Earth, the purpose of this study is to recovery of carbon dioxide by using MEA solution as an absorbent in rotating packed bed with continuous feeding operation. The process operating variables are MEA concentration, rotary speed, and the pH of solution etc. The study results were found that the maximum absorption rate of carbon dioxide efficiency close to 100% in continuous feeding operation, MEA concentration of 1 M in 1500 rpm Rotating Packed Bed.

   

  Keywords: carbon dioxide recovery, MEA, rotating packed bed


        一、前言

   

  聯合國氣候變化政府間專門委員會IPCC最新報告指出,全球二氧化碳濃度已由工業革命前的280 ppmv,增加至現今的380 ppmv;而台灣的二氧化碳總排放量,每人平均年排放量超過12噸,是全球平均值的三倍,排名往前上升至21名,以土地面積平均來說竟然是世界第一。台灣在1990年二氧化碳排放量約1.13億噸,到了2005年,排放量已高達約2.7億噸,總排放量倍數成長達110%以上,是全球成長值的4倍速度。東京議定書中可瞭解,目前要以研究及開發降低CO2氣體技術為首要務。

  有效吸收二氧化碳的方法常見的有化學吸收法與物理吸收法,物理吸收法是將二氧化碳吸附在固體表面稱之為吸附法;化學吸收法是吸收劑與二氧化碳發生化學反應來達到回收二氧化碳,並利用其逆反應進行吸收劑再生,因此化學吸收法是最有效率的回收二氧化碳的方法,其能獲得高的二氧化碳脫除率且適合於處理二氧化碳分壓低的混合氣體。在石化工業、合成氣體及天然氣工業中傳統上最常使用之化學吸收劑為醇胺水溶液,種類包含有:一級醇胺如乙醇胺(MonoethanolamineMEA);二級醇胺如二乙醇胺(DiethanolamineDEA)二異丙醇胺(DiisopropanolamineDIPA);三級醇胺如三乙醇胺(TriethanolamineTEA)甲基二乙醇胺(N-MethyldiethanolamineMDEA);立體障礙醇胺如2-胺基-2-甲基-1-丙醇(2-amino-2-methyl-1-propanolAMP)。醇胺在1930年開始被應用在酸性氣體吸收劑;TEA為第一種商業上使用之酸性氣體吸收劑。其餘之醇胺陸續被引進市場當酸性氣體吸收劑。而MEA具高溶液吸收量(由於低分子量)、高鹼性、價格低廉等優點,為最常使用之吸收溶劑(Versteeg et al., 1996; Mandal et al., 2001 )。由於投入成本仍高,故如何考量提升吸收速率、提升CO2之回收效率以及降低處理成本為工業上重要的標的。

  在化學工業中一般都使用填充床來做為分離設備,例如應用在吸收、氣提及蒸餾等。為了增加氣液接觸面積,往往會再填充床裡堆積許多填充物,但是填充床只靠重力的作用,使得液體向下流動緩慢,液膜厚度較厚,造成填充床的體積要做的很大才可以達到理想的吸收效果。所以將填充床高速旋轉所產生的離心力來增加重力場強度,使得混合與分離更能達到強化質傳的效果,藉著這種想法所誕生出來的設備就叫做超重力旋轉充床。超重力旋轉充床的結構主要是由固定的外殼加上旋轉的同心圓筒所構成,在圓筒內會裝有填充物來增加氣液的接觸面積,圓筒藉由馬達帶動旋轉;從氣液的接觸方式可將旋轉填充床分為逆流式旋轉充床和錯流式旋轉充床兩種,這兩種旋轉充床的液體都是從填充床的中心流入藉由液體分佈器噴出只圓筒內緣,再藉由離心力甩至填充床外緣,逆流式旋轉充床的氣體是從填充床的側邊進入,沿著徑向流動經過填充物和液體作逆流式接觸,然後從填充床上方離開,而錯流式旋轉充床的氣體是由填充床的底部進入,沿著軸向流動經過填充物和液體以交錯得方式接觸。因為錯流式的氣液是交錯式接觸,使得氣體的阻力較小,所以液體不會受氣體流量影響產生溢流現象,此設備適合用於處理較高流量的質傳操作程序。

  本研究目的主要探討以MEA為吸收劑於錯流式旋轉充床進行二氧化碳吸收效率之研究。

   

  二、實驗

   

  2.1實驗裝置

  如圖2-1為旋轉填充床裝置,氮氣及二氧化碳由鋼瓶(1)(2)流到氣體混和瓶(9)充分混合兩種氣體,混合氣體經流量計(3)調整流量,由旋轉填充床下方流入,經過吸收後由旋轉填充床上方流出,經乾燥瓶(6)後流入CO2偵測器(7)偵測二氧化碳含量。MEA倒入進料槽(4)內再經由幫浦及流量計(3)控制流量由旋轉填充床上方流入,進行二氧化碳吸收之後由旋轉填充床下方流出,運用pH(8)量測pH值。為能控制pH值於連續進料設備之間增加pH平衡控制器(10) pH偵測器(8)之偵測數據會傳遞給pH平衡控制器(10),以補充新鮮的MEA提升溶液pH值。

 

  2-2 實驗藥品及設備

  實驗用藥品MEA 為純度99%以上之Panreac quimica Ferak Makuert試藥級溶劑。實驗設備有PH計,購自集廣企業有限公司,偵測範圍為0-14,準確值至小數點下1位。CO2偵測器(連續進料),廠牌Guardian Plus,偵測範圍0%-60%,準確值至小數點下1位;另一CO2偵測器(作為控制pH值用),廠牌Bacharach,偵測範圍0%-40%,準確值至小數點下2位。

   

  2-3實驗步驟

  本研究的操作可分為連續進料操作及批次操作,進行實驗前先進行 CO2偵測器及pH計之校正,然後進行不同操作條件實驗。如表2-1 為固定CO2-N2混合比例與流量、固定MEA溶液進料流率及連續進料操作,改變旋轉充床之轉速之CO2­吸收實驗。表2-2為固定CO2-N2混合比例與流量、MEA溶液進料流率設為200 ml/min之連續式操作實驗條件,實驗步驟如下:

  1. 先將MEA溶液配製好倒入進料槽。

  2. 打開CO2­鋼瓶與N2­鋼瓶,調節適當的CO2-N2混合比例,先通入氣體

      5-10分鐘,將旋轉充床內原先氣體趕出。

  3. 將二氧化碳偵測器與氣體出口端連接,並觀察二氧化碳偵測器偵測到的含量是否與通入CO2含量相符。

  4. 將已校正之pH計,放置液體出口端。將CO2偵測器裝置於氣體出口端。

  6. 準備妥當,啟動幫浦,啟動旋轉充床,調整至適當轉速。

  7. 開始記錄液體出口pH濃度與氣體CO2出口含量(每隔30秒記錄)

  8. 製作各變數之關係圖,並計算CO2  移除效率。  

  2-2 連續式操作實驗(固定CO2-N2混合比例與流量、MEA溶液進料流率設為200 ml/min)

  

  

室溫

N2流量

L/min

CO2流量

L/min

充床轉速

rpm

MEA濃度

M

MEA流量

(mL/min)

pH平衡器開始運作pH

1

23.3

4.00

0.40

1500

0.5

200

10.32

2

23.3

4.00

0.40

1200

0.5

200

10.35

3

16.7

4.00

0.40

1000

0.5

200

10.82

4

16.7

4.00

0.40

600

0.5

200

10.80

5

17.6

4.00

0.40

1500

1.0

200

10.58

6

17.6

4.00

0.40

1200

1.0

200

10.58

7

17.5

4.00

0.40

1000

1.0

200

10.70

8

17.5

4.00

0.40

600

1.0

200

10.50

9

23.3

4.00

0.40

1500

1.0

200

10.45

   

  三、結果與討論

   

  3-1 不同MEA濃度在各轉速及操作條件下影響

  如圖3-1至圖3-2為分別以固定0.5M0.1M  MEA溶液濃度,在不同轉速如600rpm1000rpm1200rpm1500rpm的連續進料操作之實驗結果。圖3-3及圖3-4為加入pH值控制考量,在MEA 濃度為0.5M1M,轉速為600rpm1000rpm1200rpm1500rpm 之操作結果,其pH值、CO2 out體積%及移除效率等之影響。

  最大CO­2移除效率η %CO­2 入口及出口含量差與入口CO­2含量比值,即

       移除效率%=(入口CO­2含量 - 出口CO­2含量)/ 入口CO­2含量x 100%

    η % = (yin - yout )/ yin  x 100%      

  最大移除效率結果整理如下表3-1 所示。如圖3-5為各條件之最大CO2移除效率與轉速之關係圖,在相同MEA濃度條件下,轉速越高移除效率就越高,且隨著MEA濃度提高移除效率也越高,由圖3-6表示.相同轉速濃度越高移除效率也越高及持續進料的方式較控制pH的操作方式可達到較高的CO2移除效率。轉速越高移除效率增加的斜率會較小,由結果顯示當MEA濃度達1M時,轉速1500rpm二氧化碳吸收量可達到移除效率100%        

  3-1相同濃度之最大移除效率

  連續進料

MEA濃度0.5M

MEA濃度1M

 

最大CO­2

移除效率%

最小CO2

out體積%

最大CO­2

移除效率%

最小CO2

out體積%

600 rpm

76.27%

1.87

92.64%

0.50

1000 rpm

79.97%

1.63

94.61%

0.39

1200 rpm

91.46%

0.76

94.79%

0.36

1500 rpm

95.45%

0.43

100%

0.00

控制pH

MEA濃度0.5M

MEA濃度1M

 

最大CO­2

移除效率%

最小CO2

out體積%

最大CO­2

移除效率%

最小CO2

out體積%

600 rpm

69.11%

3.79

83.70%

2.38

1000 rpm

72.54%

3.57

85.56%

2.11

1200 rpm

76.07%

3.40

84.71%

2.11

1500 rpm

78.41%

2.90

87.78%

1.92

    

  3.2 不同吸收劑種類於旋轉填充床操作之比較

     本實驗比較在旋轉充床中MEANaOH最大移除效率,如下表4-3及圖4-7所示為最大CO­2移除效率之比較,當於相同轉速與操作型式下,MEA1M移除效率就可以達到100%,而NaOH濃度為1.5M才能達到100%。顯示MEACO­2吸收效率較NaOH為佳。

    3-2 不同吸收液種類及濃度最大CO­2移除效率之比較

  溶液及濃度

最大CO­2移除效率%

連續進料0.5M MEA

95.45%

連續進料1 M MEA

100%

控制pH0.5M MEA

78.41%

控制pH 1 M MEA

87.78%

*0.5M NaOH

86.69%

  *1M NaOH

85.7%

*1.5M NaOH

100%

                      * [林秀樺2007]

  3.3 相同吸收劑於旋轉填充床與氣泡塔操作之比較

  如表4-3及圖4-8為本實驗在旋轉充床中以連續進料或控制pH值之操作與氣泡塔操作之最大CO­2移除效率之比較,可明顯看出以MEA為吸收劑在旋轉填充床的操作在MEA濃度為1M時可達到最大CO­2移除效率100%,而氣泡塔之操作當MEA濃度為1.4 M時最大CO­2移除效率當只有44.53%,因此,旋轉填充床之操作有助於提升CO­2 之吸收效益。

  3-3 不同儀器之最大CO­2移除效率

  溶液及濃度

最大CO­2移除效率%

連續進料旋轉填充床  0.5M MEA

95.45%

連續進料旋轉填充床  1 M MEA

100%

控制pH值旋轉填充床  0.5M MEA

78.41%

控制pH值旋轉填充床 1 M MEA

87.78%

*氣泡塔操作 1.4M MEA

44.53%

                   *[林志威,2007]比較

   

  四、結論

 

  由本研究之進行可以發現隨著轉速的提高二氧化碳的移除效率也跟著上升。隨著MEA濃度的提高二氧化碳的移除效率也跟著提升。轉速在1500rpmMEA濃度在1M時移除效率接近100%

  MEA當吸收劑比較NaOH在旋轉填充床的操作穩定。在相同濃度及轉速,MEA的對二氧化碳的移除效率大於NaOH

  相同吸收劑在旋轉填充床的移除效率遠大於在氣泡塔中的移除效率。旋轉填充床的操作可達到最高二氧化碳吸收效率的時間比氣泡塔快速許多。

  控制pH值操作在MEA濃度為1M時可達到87.78%之二氧化碳的移除效率,雖然移除效率沒連續進料來的好,但當於操作系統中pH值下降可立即補充新鮮的MEApH值恢復設定值,並可充分運用MEA吸收二氧化碳為其優點。

   

  五、參考文獻

  Versteeg, G. F., L. A. J. Van Dijck, w. P. M. van Swaaij, “On the kinetics between CO2 and Alkaloamines both in aqueous and non-aqueous solutions. An overview,”Chem. Eng. Comm., 144, 113(1996).

  Mandal, B. P., M. Guha, A. K. Biswas, S. S. Bandyopadhyay, “Removal of carbon dioxide by absorption in mixed amines: modelling of absorption in aqueous MDEA/MEA and AMP/MEA solutions”, Chem. Eng. Sci., 56, 6217(2001).

  Lin, C. C., W. T. Liu, C. S. Tan, ”Removal of Carbon Dioxide by Absorption in a Rotating Packed Bed”, Ind. Eng. Chem. Res., 42, 2381(2003).

  Chen, P. C., Welly Shi, Ruby Du, Vanessa Chen, “Scrubbing of CO2 green-house gases, accompanied by precipitation in a continuous bubble-column scrubber” Ind. Eng. Chem. Res., 47, 6336-6343(2008).

  Mandal, B. P., M. Guha, A. K. Biswas, S. S. Bandyopadhyay, “Removal of carbon dioxide by absorption in mixed amines: modelling of absorption in aqueous MDEA/MEA and AMP/MEA solutions”, Chem. Eng. Sci., 56, 6217(2001).

  戴鳳冠等人,以定酸氣泡塔吸收二氧化碳之吸收效率與結晶過程的探討,龍華科技大學,2001

  蘇慧倫等人,以氣泡塔吸收CO2氣體之操作特性研究---質傳與吸收, 龍華科技大學,2004

  林志威等人,以苯基胺為固定活性劑增強醇胺在氣泡榙中回收二氧化碳之吸收特性研究,龍華科技大學,2007

  林姿菁等人,以MEA/BaCl2溶液在氣泡塔中吸收CO2及資源回收研究,龍華科技大學,2007

  鄭仲恩,以超重力技術自排放氣體中移除二氧化碳,清華大學,2004

  許宜群,錯流式旋轉填充床之特性研究,台灣大學,2004

  陳敬銘,錯流式旋轉填充床中質傳之研究,台灣大學,2006

  陳柏志,錯流式旋轉填充床應用於二氧化碳吸收之研究,長庚大學,2007

  林秀樺等人,以錯流式旋轉填充床吸收二氧化碳之吸收率與質傳係數之探討,龍華科技大學,2007

  王順鴻,連續式與批式定酸氣泡塔吸收二氧化碳之吸收效率與質傳係數的探討,龍華科技大學,2003

  李夢輝,氣體淨化處理,化工,1996, 43, 78-88.

  李夢輝,自排放氣中回收二氧化碳之技術,化工技術, 2004, 12, 171-185.

  

 
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