К вопросу о хемосорбции диоксида углерода раствором гашеной извести Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 2_

УДК 544.723.3

М.В. Куликов*, Е.А. Дмитриев, А.М. Трушин, Т.А. Тарасова, А.В. Дмитриев

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, дом 9 * e-mail: [email protected]

К ВОПРОСУ О ХЕМОСОРБЦИИ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА РАСТВОРОМ ГАШЕНОЙ ИЗВЕСТИ

Аннотация

Предлагается очистка биогаза от двуокоси углерода хемосорбцией раствором гашеной извести. Процесс проводится с помощью керамических мембран.

Ключевые слова: хемосорбция, биогаз, абсорбент, сепарационная колонна, массообмен.

При получении биогаза одной из основных операций является его очистка от углекислого газа. Существуют 5 наиболее распространенных методов по отделению углекислого газа от метана, используемых в настоящее время [1]:

Физическая абсорбция водой - метод, основанный на различном растворении углекислого газа и метана в воде. Процесс проходит при высоких давлениях (6-12 бар). Чистота полученного метана составляет порядка ~ 94%.

Химическая абсорбция различными

абсорбентами (хемосорбция) - метод, основанный на химическом взаимодействии углекислого газа с абсорбентом. В качестве абсорбентов используют моноэтаноламин, диэтаноламин и др. Однако в данном случае необходима регенерация абсорбента, связанная с большими энергетическими затратами. Чистота метана на выходе ~99%.

Поглощение без химической реакции - метод на основе поглощения различными растворителями, но при этом химическая реакция не протекает. В качестве растворителей используют селексол, ректизол и др. Здесь так же, как и в предыдущем методе, необходимо регенерировать растворитель с большими энергетическими затратами. Чистота метана -93-98%.

Адсорбция. Метод основан на селективной адсорбции молекул углекислого газа такими адсорбентами, как цеолиты или активированный уголь, из-за меньшего размера молекул СО2 по сравнению с молекулами метана. Требуется обязательнаяпредварительная очистка от Н2Б, так как при поглощении уже невозможно регенерировать адсорбент. Степень чистоты метана ~98%.

Мембранное разделение. Метод на основе селективных мембран, позволяющих разделять

гомогенные смеси. Степень очистки ~90-97%. При использовании многоступенчатого разделения можно достичь чистоты порядка ~99%, но это сопряжено с дополнительными энергетическими и капитальными затратами.

Выбор способа сепарации углекислого газа зависит от состава биогаза, производительности, энергетических затрат, степени очистки и пр.Одним из перспективных методов является хемосорбция, как по степени выхода метана, так и по энергетическим затратам [1].

Ранее [2,3] нами были выполнены исследования процессов физической абсорбции и хемосорбции углекислого газа в мембранном микробарботажном аппарате. В качестве абсорбента при хемосорбции использовались растворы едкого натра с концентрацией 0,03-0,07 кмоль/мЗ. Диспергирование газовой фазы проводилось с помощью керамических мембран со средним диаметром пор 0,5 и 2,6 мкм при инерционном воздействии жидкой фазы. Скорость абсорбента в канале мембраны изменялась от 0,5 до 3,6 м/с. В силу малых размеров образующихся пузырьков (20-70 мкм), развивалась большая поверхность контакта фаз и межфазный поток углекислого газа достигал величин 4-11 • 10-4 моль/м2с.

Использование растворов гашеной извести в качестве хемосорбента представляется

перспективным как в технологическом, так и в экологическом аспектах. Во-первых, не требуется регенерации абсорбента, а во-вторых, практически отсутствуют проблемы с утилизацией образующегося карбоната кальция. Эксперименты проводятся на установке, представленной на рис. 1.

Рис.1 Установка для исследования процесса хемосорбции углекислого газа.

Установка состоит из мембранного модуля, в котором располагается керамическая мембрана, центробежного насоса для подачи жидкости, компрессора для подачи воздуха и баллона для подачи углекислого газа. В качестве жидкой фазы используется насыщенный раствор гидроксида кальция. В качестве газовой фазы - смесь воздуха и диоксида углерода вразличныхпропорциях. Скорость жидкости находится в пределе 1,5-2,5 м/с. Расходы газовой фазы для мембраны с порами 2,6 мкм составляютот 26.5 л/ч до 101.4 л/ч (при рабочих давлениях 8,6 бар иТ=293 К). Измерение концентрации Са(ОН)2 проводится в 2 местах: на выходе из мембранного модуля и после прохождения через сепарационную колонну. В колонке располагается металлическая сетка, предназначенная для быстрого отделения газа от жидкости. На выходе из емкости с Са(ОН)2 установлен фильтр для очистки раствора от взвешенных частиц СаСО3, образовавшихся в результате реакции с углекислым газом. Концентрация углекислого газа измеряется на выходе из колонки с помощью газоанализатора.

Данный процесс включает две последовательные реакции:

ТО2 + ОН" = НСОз"

НСОз" + ОН" = СО32" + H2O

Таким образом, суммарная реакция протекает по уравнению:

СО2 + 2OH" = ТО32" + H2O

процесс лимитируется первой реакцией, скорость которой определяется выражением:

^ = k2 • [ГО2] • ^"]

(1)

Определение распределения размеров микропузырьков в данной работе основано на анализе скорости всплытия микропузырьков из столба газожидкостной суспензии. При исследовании по данному методу экспериментально получают зависимость снижения уровня газожидкостного слоя от времени - АН = X?), где величина АН - равна разности между начальной высотой слоя Но и высотой слоя в произвольный момент времени Н может быть описана функцией вида:

АН = Ш „

?

? + ?

(2)

о

в которой АН» и ?0 - экспериментально определяемые константы.

Исследование межфазного массообмена базировалось на использовании зависимости (2). При этом мольный поток поглощенного СО2 в данной работе экспериментально определяется по изменению концентрации гидроксида кальция в растворе и рассчитывался по уравнению:

М

СН

сК V

(3)

При достаточном избытке извести вторая реакция протекает практически мгновенно, поэтому

Сн

В и С в - начальная и конечная концентрации

гидроксида кальция соответственно;Уь - объем протекающей жидкости через мембрану; уь -

стехиометрический коэффициент в реакции: уаЛ +

УъБ ^

Цель исследований состоит в определении оптимального соотношения жидкостного и газового

потоков, коэффициентов массоотдачи и эффективности дополнительного массообмена в сепарационной колонне.

Куликов Михаил Витальевич аспирант кафедры процессов и аппаратов химической технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Дмитриев Евгений Александрович д.т.н., профессор, заведующий кафедрой процессов и аппаратов химической технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Трушин Александр Михайлович к.х.н., доцент кафедры процессов и аппаратов химической технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Тарасова Татьяна Александровна к.т.н., доцент кафедры процессов и аппаратов химической технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Дмитриев Алексей Валерьевич студент-дипломник кафедры процессов и аппаратов химической технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Литература.

1. Jakub Niesner, David Jecha, Petr Stehlik. Biogas Upgrading Technologies: State of Art Review in European Region// Chem. Eng. Transactions, 2013, v. 35, p.517-522.

2. А.М. Трушин, Е.А. Дмитриев, В.В. Акимов. Механика образования микропузырьков при диспергировании через поры микрофильтрационных мембран// Теор. основы хим. технол., 2011, т. 45, №1, с. 28-34.

3. В.В. Акимов, Е.А. Дмитриев, А.М. Трушин. Исследование массообмена при хемосорбции СО2 в мембранном микробарботажном аппарате// Теор. основы хим. технол., 2011, т. 45, №6, с. 621-627.

M.V. Kulikov*, E.A. Dmitriev, A.M. Trushin, T.A Tarasova, A.V. Dmitriev,

D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: [email protected]

ABOUT THE CARBON DIOXIDE SEPARATION FROM BIOGAS BY THE SOLUTION OF SLAKED LIME

Abstract

The CO2 separation from biogas by the solution of Ca(OH)2 is proposed. The experiments will be carried out with ceramic membranes.

Keywords: chemisorption, biogas, absorbent, separation column, mass transfer.