[发明专利]一种利用固相粒子强化膜吸收传质过程的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种膜吸收过程的传质强化方法，是一种通过在吸收剂中添加第三相粒子并使用机械搅拌或超声辐射实现第三相粒子强化传质的方法，可用于强化板式膜器或中空纤维膜器的膜吸收过程，提高吸收效率。

背景技术

温室气体对全球气候变化的影响已经受到了越来越广泛的关注。在世界范围内，实现CO₂等温室气体减排，防止全球变暖，是一项战略性课题。从长远来说，提高能源的利用效率，彻底改变能源结构是人类解决自身发展和实现环境控制的根本解决之道。但在未来相当长一段时期内，煤、石油、天然气等化石燃料仍将占据着人类能源结构中最重要的部分，因而将CO₂捕集分离和封存(CCS)是减排CO₂目前可行的主要方法，其中CO₂捕集分离所占成本约为CCS总成本的70～80％，因此，降低CO₂捕集分离的成本具有极为重要的意义。常用的CO₂分离技术有吸收-解吸、膜分离、吸附法等。

膜吸收方法是在膜分离方法的基础上发展起来的一种新型耦合技术。上世纪90年代国际能源署(International Energy Agency)研究认为膜吸收技术是脱除CO₂等温室气体最有前途的方法之一。相比于固定膜分离方法，在膜吸收方法中，使CO₂溶质在固体膜中的扩散变为在存留于膜孔中的液体(润湿型操作)或气体(非润湿型操作)中的扩散，因而扩散系数和传质效率大大提高。不同于膜分离技术，膜吸收过程的选择性主要靠溶剂的溶解度差异来实现，从而有效地解决了膜分离技术所存在的传质通量与选择性的矛盾。在膜吸收法的操作过程中，气、液两相分别在膜的两侧流动，两相流量可以在很大的范围内独立调节，因而极大的提高了吸收过程中操作弹性，并有效地避免了一般吸收操作中所存在的液泛、雾沫夹带等问题。

然而，对于板式膜器的膜吸收过程，近膜壁面处溶质浓度分布的不均性是影响传质效率的一个关键因素；而对于中空纤维膜器的膜吸收过程，由于中空纤维装填的随机性，使得中空纤维膜接触器的壳程流道极不均匀，壳程流体的流动为非理想性流动，存在沟流、短路等问题，影响了传质效果。因此，设法改变液相侧近膜壁面处溶质浓度分布的不均性以及改善壳程流体流动状态、提高吸收速率，是目前膜吸收相关研究中的一个热点问题。

文献1：Wichramasinghe S R，Semmens M J，Cussler E L. Hollow fibre modules made withhollow fibre fabric[J].J.Membr.Sci.，1993，84：1-14.Wickramasinghe等用中空纤维膜器的不同操作方式研究了氧的解吸过程，在流量相同时对比单位膜面积和单位膜器体积的性能。结果表明，不论用哪种判据，结论都是错流操作的效率比并流时要高。然而，错流式中空纤维膜器的制作工艺远比逆流式中空纤维膜器的制作工艺复杂，成本较大。

文献2：张卫东，朱慎林，骆广生等.中空纤维封闭液膜技术的传质强化研究[J].膜科学与技术，1998，18(3)：53-57。张卫东等采用鼓泡强化传质的方法，通过鼓泡抑制壳程流体“非传质沟流区”的形成。研究结果表明，将鼓泡搅拌应用于较高装填密度中空纤维膜器的膜萃取过程中，使壳程流体的非理想性得到改善，膜器的传质效率有较大提高。但是，鼓泡也会增加轴向混合，对传质带来不利影响。

文献3：薛娟琴，兰新哲等.烟气膜吸收法脱除SO₂的超声波强化处理[J].化工学报，2007，58(3)：750-754.薛娟琴研究了超声对膜吸收法脱除SO₂的过程，结果表明，超声波对膜吸收有促进作用，随着功率的增大，SO₂吸收率的下降速度变慢，从而说明超声波可以增大膜吸收通量，对气液传质有促进作用，但是功率较高时不明显。虽然超声波辐射可以在一定程度上增大吸收通量，但仅使用超声波对吸收过程的强化程度有限，且能耗也并非十分理想。