2023學年完整公開課版熱碳酸鉀法

熱碳酸鉀法主講教師：楊靈娟HotPotassiumCarbonateProcessCONTENTS發(fā)展過程01.基本原理02.工藝流程03.工藝條件04.01發(fā)展過程吸收速度慢加速吸收提溫腐蝕加入減少腐蝕活化劑

早期的熱碳酸鉀法或稱熱鉀堿法實在20世紀50年代由美國H.E.本森和J.H.菲爾特開發(fā)。防腐劑01發(fā)展過程

由于所添加的活化劑種類不同，因面出現(xiàn)了多種改良的熱碳酸鉀法，而設備上與流程上的改進，也形成了多種適應于不同要求的組合與工藝。突出的是低熱或低能耗本-菲爾工藝(LoheatProcess),其特點在于再生過程中使溶液在較低的壓力下進行閃蒸，面將閃蒸出來的蒸汽用蒸汽噴射泵或壓縮機壓縮，再送回再生塔作為再生熱源的一部分，這就節(jié)省了外供蒸汽，減少了再沸器的傳熱面積，而且貧液的冷卻負荷減輕，總體上取得了顯著的節(jié)能效果。01發(fā)展過程

近年來，本-菲爾工藝還采用了新的活化劑ACT-1以取代原來的二乙醇胺(DEA),也可以與DEA共用。

ACT-1的主要特點：（1）催化速度比DEA快，特別是CO2的分壓比較低的部位，即吸收塔的頂部與再生塔的底部。因此，凈化氣中的CO2含量可降低28%~85%。（2）可以改善溶液的氣液平衡性能，特別是在CO2的分壓比較高的部位，即吸收塔的底部。這就可提高溶液的吸收能力。據(jù)介紹，溶液的循環(huán)量可降低5%~25%，再生能耗可降低5%~15%，通氣能力可提高5%~25%。（3）ACT-1活化劑比較穩(wěn)定，它不降解，生產(chǎn)中消耗量很少。0201發(fā)展過程各種改良熱鉀堿法脫碳02基本原理CO2在苯菲爾溶液中的吸收過程，其傳質(zhì)機理屬于化學吸收范圍，即速度較慢的化學反應是整個吸收過程的控制步驟。CO2吸收及其再生的過程可用如下可逆反應式表示：（1-1）02基本原理

由于受反應速度的限制，氣體中CO2與溶液中K2CO3的反應速度較慢。為了加快CO2在K2CO3溶液中的吸收速度，通常在K2CO3溶液中又添加了一種催化劑二乙醇胺(di-ethanol-amine或R1R2NH，簡稱為DEA)。02基本原理

上（1-1）式是一可逆反應。假定氣相中二氧化碳在溶液中的溶解度符合亨利定律，則由上述反應的化學平衡和氣液相平衡關系式可得：02基本原理

以x表示溶液的轉(zhuǎn)化度，并定義為溶液中轉(zhuǎn)化為碳酸氫鉀的碳酸鉀的摩爾分數(shù)。以N表示溶液中碳酸鉀的原始濃度，并令K=KwH，將各參數(shù)代入得：

表示某濃度碳酸鉀水溶液上方的二氧化碳平均分壓與溫度和轉(zhuǎn)化度之間的關系。02基本原理

左圖為本菲爾特脫碳溶液平衡數(shù)據(jù)的測定結果。由圖可知，出塔溶液轉(zhuǎn)化度越高；若降低溫度或增加二氧化碳分壓，則出塔溶液的轉(zhuǎn)化度增加；若降低溫度或進塔溶液的轉(zhuǎn)化度，出塔氣體中二氧化碳的平衡分壓降低，凈化度高。02基本原理

單純的熱碳酸鉀溶液吸收二氧化碳的速度很慢、凈化度不佳、腐蝕性很大，尤其是吸收了二氧化碳后的富液對碳鋼的腐蝕性更大。添加活化劑以加快吸收反應、加入緩蝕劑以降低溶液對設備的腐蝕。本菲爾特法的活化劑為DEA。DEA的化學名稱為2，2二羥基二乙胺，簡寫為R2NH。其氨基與液相中的CO2進行反應，當碳酸鉀溶液中含有少量DEA時，其吸收反應過程如下：02基本原理

(a)加入活化劑DEA（2,2—二羥基二乙胺)加入DEA改變機理，反應速度提高10-100倍。

K2CO3=2K++CO3-2R2NH+CO2=R2NCOOHR2NCOOH=R2NCOO-+H+R2NCOO-+H2O=R2NH+COO-H++CO3-2=HCO3-K++HCO3-=K2HCO3碳酸鉀溶液對氣體中二氧化碳的吸收：02基本原理碳酸鉀溶液對氣體中其他組分的吸收：①吸收硫化氫

硫化氫是酸性氣體，和碳酸鉀產(chǎn)生下列反應：②吸收硫氧化碳和二硫化碳

溶液與硫氧化碳和二硫化碳的反應是：第一步硫化物在熱的碳酸鉀水溶液中水解生成硫化氫；第二步水解生成的硫化氫與碳酸鉀反應。02基本原理溶液的再生再生反應為：加熱有利于碳酸氫鉀的分解，再生壓力越低對再生越有利。再生溫度為該壓力下溶液的沸點。03工藝流程

再生后的溶液從吸收塔頂部加入，吸收二氧化碳后的溶液（富液）由塔底引出進再生塔再生。為提高氣體的凈化度，再生后溶液（貧液）通常先經(jīng)冷卻后再進吸收塔，如此反復循環(huán)。03工藝流程

實際應用較多的是兩段吸收、兩段再生流程。在吸收塔中、下部，由于氣相二氧化碳分壓較高，用再生塔中部取出的具有中等轉(zhuǎn)化度的溶液（半貧液）在較高溫度下吸收。由于有足夠的吸收推動力，又由于溫度高，反應速率快，可以將氣體中大部分的二氧化碳吸收。在塔的上部，則用再生較徹底并經(jīng)冷卻后的貧液洗滌，以保證氣體的凈化度。03工藝流程

含二氧化碳18％左右的變換氣于2.7MP、127℃下經(jīng)吸收塔底部氣體分布管進入塔內(nèi)。在塔內(nèi)中部和頂部分別用110℃的半貧液和70℃左右的貧液進行洗滌。出塔的凈化氣溫度約70℃、二氧化碳含量低于0.1％，經(jīng)分離器將夾帶的液滴及少量的冷凝液分離后，進入甲烷化系統(tǒng)。03工藝流程

富液從吸收塔底引出，經(jīng)水力透平減壓膨脹回收能量后，進入再生塔頂部。在塔內(nèi)，溶液閃蒸出部分水蒸氣和二氧化碳后，與由再沸器加熱產(chǎn)生的蒸汽逆流接觸，同時被加熱并放出二氧化碳。由塔中部引出的半貧液，溫度約112℃，經(jīng)半貧液泵送入吸收塔的中部。再生塔底部貧液約為120℃,經(jīng)鍋爐給水預熱器5冷卻到70℃左右由貧液泵6加壓進入吸收塔頂部。03工藝流程

為降低脫碳工序能耗，可將貧液在更低壓力下閃蒸并將閃蒸出來的蒸汽用蒸汽噴射泵或壓縮機重新壓縮送回再生塔直接用于再生。這樣，一方面可使溶液再生更完全，減輕再生塔的負荷；另一方面又降低了溶液溫度，減少了冷卻負荷。03工藝流程此工藝流程節(jié)能效果更顯著03工藝流程此工藝流程節(jié)能效果更好03工藝流程03工藝流程

這一流程的主要特點:兩段變壓再生和三段吸收。出吸收塔的富液經(jīng)水力透平進人閃蒸再生塔的高壓段進行部分閃蒸，其底部有熱再生塔頂部出來的、壓力相近的氣體加人，促進二氧化碳的解吸。閃蒸后的溶液減壓進入閃蒸再生塔的低壓段，低壓閃蒸后的溶液一部分通過換熱器與熱再生來的貧液換熱并循環(huán)返回塔內(nèi)。03工藝流程

由于低壓段的壓力較低，富液換熱后可達沸點，閃蒸出的蒸汽促進了二氧化碳的解吸，再與解吸后的氣體匯合，壓縮后補充加入高壓段的入口。出低壓段的半貧液經(jīng)半貧液泵后分為兩股，一股返回吸收塔下段，另一股送熱再生塔。熱再生后的貧液經(jīng)上述的換熱器與循環(huán)、再沸的半貧液換熱后也分兩股，一股引人吸收塔中部，另一股經(jīng)冷卻后送吸收塔頂部。這種流程組合可使凈化氣中的二氧化碳含量降至0.05%以下，能耗為3.6X10'4~4.2x104kJ/kmolCO2。04工藝條件1、溶液組成K2CO3/%DEA用量/%緩蝕劑（KVO3）用量/%消泡劑硅酮型、聚醚型及高級醇類開車正常生產(chǎn)27~302.5~50.7~0.80.5微量04工藝條件2、吸收壓力

提高吸收壓力可增大吸收的推動力，從而縮小吸收設備的尺寸、提高氣體的凈化度。但對化學吸收來說，溶液的吸收能力主要受溶液中反應物化學計量的限制，壓力的影響并不大，所以具體采用多大壓力，主要由原料氣組成、要求的氣體凈化度以及前后工序的壓力等來決定。天然氣為原料時，吸收壓力2.7～2.8MPa；以煤焦為原料時，吸收壓力1.8～2.0MPa；04工藝條件3、吸收溫度半貧液溫度由再生塔中部操作溫度決定，一般為110～115℃；貧液溫度由凈化氣二氧化碳含量要求決定，常為70～80℃。4、再生液的轉(zhuǎn)化度——再生好壞的標志貧液的轉(zhuǎn)化度0.15～0.25；半貧液的轉(zhuǎn)化度0.35～0.45。04工藝條件5、再生溫度及壓力

再生過程中，提高溶液溫度可加快碳酸氫鉀的分解速度，對再生有利。但生產(chǎn)上再生塔是在沸點下操作的，溶液組成一定時，再生溫度僅與操作壓力有關。為提高溶液溫度而提高壓力是不經(jīng)濟的，因壓力略為提高，解吸推動力將明顯下降，再生能耗與溶液對設備的腐蝕也將增加。而且由于熱負荷增加，傳熱推動力減小，再沸器的傳熱面也要加大，所以生產(chǎn)