一种微液滴强化二氧化碳吸收系统及方法与流程

1.本发明涉及二氧化碳吸收技术领域，具体而言，涉及一种微液滴强化二氧化碳吸收系统及方法。

背景技术：

2.目前，二氧化碳的捕集技术主要包括：化学吸收、物理吸收、变压吸附、膜分离等。与其它技术相比，目前以mdea为主溶剂的化学吸收技术占主导地位，该技术使用的二氧化碳捕集装置普遍采用填料塔作为吸收塔，尽管各种新型填料层出不穷，但填料塔本身易发生液泛、雾沫夹带、塔腐蚀及单位体积塔设备处理能力低等现象的弊病仍然难以根除，二氧化碳和液体原料在反应釜内无法得到充分混合，吸收效率较低。
3.有鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

4.本发明的第一目的在于提供一种微液滴强化二氧化碳吸收系统，该系统基于微液滴反应强化技术，通过微液滴雾化组件将催化剂液滴破碎成微米级液滴，并分散到二氧化碳氛围中形成微界面体系，以数十倍地提高反应釜内的气液相界面积，大幅提高气相向反应液的传质速率及宏观反应速率，从而解决了现有技术中由于二氧化碳和液体原料在反应釜内无法得到充分混合，导致反应系统效率低下的问题。
5.本发明的第二目的在于提供一种微液滴强化二氧化碳吸收方法，该方法通过采用上述系统，能够提高二氧化碳的吸收率，提高反应效果。
6.为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
7.本发明提供了一种微液滴强化二氧化碳吸收系统，包括：反应釜和微液滴雾化组件；所述微液滴雾化组件包括雾化器和控制器，所述雾化器的喷头深入到所述反应釜内部；所述反应釜连接有催化剂输送管道和二氧化碳输送管道；
8.所述反应釜外侧设置有循环管道，所述循环管道进口与所述反应釜底部相连，出口与所述雾化器的进口连接，所述循环管道内循环的液体经所述雾化器分散破碎成微液滴后进入所述反应釜中。
9.优选的，所述反应釜内设置有气体喷射管，所述气体喷射管沿所述反应釜内壁由上到下螺旋设置，所述气体喷射管的管壁上均匀设置有多个喷气孔；所述气体喷射管顶部进气口与所述二氧化碳输送管道相连。
10.优选的，所述喷气孔朝向所述反应釜内部且所述喷气孔倾斜向上设置。
11.优选的，所述喷气孔的直径小于10mm。
12.优选的，所述雾化器安装在所述反应釜的顶部，所述雾化器的喷头通过所述反应釜顶壁深入到所述反应釜内。
13.优选的，所述雾化器安装在所述反应釜的底部，所述雾化器的喷头通过所述反应釜底壁深入到所述反应釜内。
14.优选的，所述反应釜侧壁连接有成品输送管道，所述成品输送管道连接有成品储罐。
15.优选的，还包括气源储罐和气体储罐，所述气源储罐与所述气体储罐相连，所述气体储罐经所述二氧化碳输送管道将二氧化碳输入到所述气体喷射管中。
16.优选的，所述气体喷射管底部出口与所述气体储罐相连。
17.优选的，所述反应釜内设置有盘管，所述反应釜外设置有夹套。
18.本发明还提供了一种应用上述微液滴强化二氧化碳吸收系统的方法，包括以下步骤：
19.将催化剂分散破碎成微液滴后与二氧化碳混合，对二氧化碳进行吸收。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
21.本发明的微液滴强化二氧化碳吸收系统通过雾化装置将液滴破碎成微米级液滴，并分散到二氧化碳氛围中形成微界面体系，以数十倍地提高反应釜内的气液相界面积，大幅提高气相向反应液的传质速率及宏观反应速率，达到解决现有技术中由于二氧化碳和液体原料在反应釜内无法得到充分混合，导致反应系统效率低下的问题；同时，通过在反应釜内设置气体喷射管，利用气体的喷射动力减少微液滴碰壁，同时增加二氧化碳与微液滴接触的时间，进一步提高了吸收效率。
附图说明
22.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
23.图1为本发明实施例1提供的微液滴强化二氧化碳吸收系统的结构示意图；
24.图2为本发明实施例1提供的气体喷射管的结构示意图；
25.图3为本发明实施例2提供的微液滴强化二氧化碳吸收系统的结构示意图。
26.其中：
27.1-催化剂储罐；
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2-催化剂输送管道；
28.3-循环管道；
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4-反应釜；
29.5-气体喷射管；
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501-喷气孔；
30.6-雾化器；
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7-控制器；
31.8-二氧化碳输送管道；
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9-气体储罐；
32.10-气源储罐；
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11-成品输送管道；
33.12-成品储罐；
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13-循环泵。
具体实施方式
34.下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂
或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
35.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
36.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.为了更加清晰的对本发明中的技术方案进行阐述，下面以具体实施例的形式进行说明。
38.实施例1
39.参阅图1-2所示，本实施例提供了一种微液滴强化二氧化碳吸收系统，包括：反应釜4和微液滴雾化组件；微液滴雾化组件包括雾化器6和控制器7，雾化器6的喷头深入到反应釜4内部；反应釜4连接有催化剂输送管道2和二氧化碳输送管道8；
40.反应釜4外侧设置有循环管道3，循环管道3进口与反应釜4底部相连，出口与雾化器6的进口连接，循环管道3内循环的液体经雾化器6分散破碎成微液滴后进入反应釜4中。
41.本实施例的微液滴强化二氧化碳吸收系统用于二氧化碳的化学吸收，该系统将微界面技术与二氧化碳吸收技术相结合，通过设置雾化器6能够将离子液体催化剂破碎成直径为小于500nm的微液滴，使得催化剂能够以微液滴的形式与二氧化碳接触，进入的每一个微液滴都可以看作是一个微反应场所，在每个微反应场所均形成一次微界面体系，以实现液相在以气相为介质的前提下微反应场所，起到加强吸收的效果，同时提高体积传质系数，提高气相向反应液的传质速率及宏观反应速率，从而克服了现有技术中由于二氧化碳和液体原料在反应釜4内无法得到充分混合，导致反应系统效率低下的问题。
42.本实施例中所使用的微液滴雾化组件中的雾化器6在安装时，可以使用连接杆对其进行固定，以保障其整体的稳定性与安全性。微液滴雾化组件可选用苏州索尼克超声科技有限公司生产的型号为jy-w50的超声波雾化机，其能够通过控制器7调节电流，改变雾化器6的振幅，从而破碎液滴。当然，也可以根据需要选择其他类型的雾化装置，本发明并不对其做具体限制，只要其能够满足微米级别的雾化效果即可。
43.本实施例所使用的催化剂为离子液体催化剂，具体为咪唑碳酸氢盐离子液体的双功能催化剂，当然催化剂的种类并不限定，只要能够确保吸收二氧化碳进行即可。
44.如图2所示，反应釜4内设置有气体喷射管5，气体喷射管5沿反应釜4内壁由上到下螺旋设置，气体喷射管5的管壁上均匀设置有多个喷气孔501；气体喷射管5顶部进气口与二氧化碳输送管道8相连。二氧化碳经气体喷射管5的喷气孔501向反应釜4内部喷射，一方面能够通过向内部喷射的方式可以减少微液滴在运动过程中碰到反应釜4内壁问题，另一方面通过对二氧化碳进行喷射也能够增加其与催化剂液体间的接触面积，进而进一步提高吸收效率。
45.其中，喷气孔501朝向反应釜4内部且喷气孔501倾斜向上设置。这样二氧化碳气体能够在反应釜4内壁形成向上和向内的推力，不仅能够防止微液滴附着在反应釜4内壁，还能够减缓微液滴的下降速度，增加其与二氧化碳气体的接触时间，从而进一步提高吸收效率，同时由于二氧化碳本身具有动力，能够防止微液滴沿喷气孔501进入气体喷射管5中。
46.为进一步提高气液接触面积，喷气孔501的直径应设置的尽可能小一些，其孔径最好小于10mm。
47.实际使用时，雾化器6可根据需要设置多个，其位置也可设置在反应釜4顶部、底部或侧壁。在本实施例中，雾化器6安装在反应釜4的顶部，雾化器6的喷头通过反应釜4顶壁深入到反应釜4内。
48.如图1所示，反应釜4侧壁连接有成品输送管道11，成品输送管道11连接有成品储罐12。
49.本实施例还包括催化剂储罐1、气源储罐10和气体储罐9，其中，催化剂储罐1与催化剂输送管道2相连，气源储罐10与气体储罐9相连，气体储罐9经二氧化碳输送管道8将二氧化碳输入到气体喷射管5中。气体喷射管5底部出口与气体储罐9相连。之所以要设置气体储罐9，是因为气源储罐10通常为钢瓶，不易改造，设置气体储罐9则能够将气源储罐10提供的二氧化碳与经气体喷射管5循环回的二氧化碳混合后再次进入气体喷射管5参与反应。
50.为保证反应温度的恒定，可设置盘管和夹套等组件，具体的，在反应釜4内设置有盘管，反应釜4外设置有夹套。使用时可根据需要向盘管和夹套中输入相应媒介。夹套与盘管均为本领域常用组件，其具体安装方式为常规技术手段，本实施例不对其做赘述。
51.本实施例中，反应釜4顶部预留有排气口。排气口上设置有阀门。为保证液体或气体的输送压力，在各罐体之间均设置有循环泵13。
52.反应时，将催化剂分散破碎成微液滴后与二氧化碳混合，对二氧化碳进行吸收。具体的，反应釜4内的液体催化剂经循环管道3循环到雾化器6中雾化成微液滴后，分散到反应釜4中，与此同时，二氧化碳气体从气体喷射管5的喷射孔喷射到反应釜4中，形成二氧化碳氛围，微液滴分散到二氧化碳氛围中，并在反应釜4中吸收二氧化碳，吸收后的成品排入到成品储罐12中。
53.具体反应条件为：向反应釜4中加入已经均匀混合的400mmol环氧氯丙烷和5mol％催化剂([c1c2im][i]/phoh，1-乙基-3-化咪唑鎓/苯酚)，通过气源储罐10向反应釜4中充入co2气体约10分钟，期间不断从反应釜4顶部排出气体，以全部置换出反应釜4中原存的空气。关闭顶部排气口阀门，同时停止通入co2气体，此时反应釜4内部为常压。启动循环泵13，雾化器功率44w，带有催化剂的反应液通过雾化器产生微米尺度液滴，从反应釜4顶部自上而下喷出。反应过程中定时取液相样标注保存，通过gc进行定量分析，转化率可达85％。
[0054]
实施例2
[0055]
本实施例与实施例1的区别在于雾化器6的安装位置不同，如图3所示，本实施例中雾化器6安装在反应釜4的底部，雾化器6的喷头通过反应釜4底壁深入到反应釜4内。此时微液滴向上喷射，能够在一定程度上抵消重力，从而能够减缓其下落时间，增加接触时间，从而有利于二氧化碳的吸收。其喷头在设置时，最好使其喷头向上延伸至反应釜4顶部，这样能够延长催化剂的下落路径，延长反应路径，有利于进一步提高二氧化碳的吸收效率。
[0056]
本例中的反应条件为：向反应釜4中加入已经均匀混合的400mmol环氧氯丙烷和5mol％催化剂([c1c2im][i]/phoh，1-乙基-3-化咪唑鎓/苯酚)，通过气源储罐10向反应釜4中充入co2气体约10分钟，期间不断从反应釜4顶部排出气体，以全部置换出反应釜4中原存的空气。关闭顶部排气口阀门，同时停止通入co2气体，此时反应釜4内部为常压。启动循环泵13，雾化器功率44w，带有催化剂的反应液通过雾化器产生微米尺度液滴，从反应釜4顶部自上而下喷出。反应过程中定时取液相样标注保存，通过gc进行定量分析，转化率可达87％。
[0057]
实施例3
[0058]
本实施例与实施例2的区别在于不使用气体喷射管5。
[0059]
本例中的反应条件为：向反应釜4中加入已经均匀混合的400mmol环氧氯丙烷和5mol％催化剂([c1c2im][i]/phoh，1-乙基-3-化咪唑鎓/苯酚)，通过气源储罐10向反应釜4中充入co2气体约10分钟，期间不断从反应釜4顶部排出气体，以全部置换出反应釜4中原存的空气。关闭顶部排气口阀门，同时停止通入co2气体，此时反应釜4内部为常压。启动循环泵13，雾化器功率44w，带有催化剂的反应液通过雾化器产生微米尺度液滴，从反应釜4顶部自上而下喷出。反应过程中定时取液相样标注保存，通过gc进行定量分析，转化率可达71％。
[0060]
对比例1
[0061]
本实施例与实施例2的区别在于不使用微液滴雾化组件，循环管道3出口直接通入反应釜4顶部。
[0062]
本例中的反应条件为：向反应釜4中加入已经均匀混合的400mmol环氧氯丙烷和5mol％催化剂([c1c2im][i]/phoh，1-乙基-3-化咪唑鎓/苯酚)，通过气源储罐10向反应釜4中充入co2气体约10分钟，期间不断从反应釜4顶部排出气体，以全部置换出反应釜4中原存的空气。关闭顶部排气口阀门，同时停止通入co2气体，此时反应釜4内部为常压。启动循环泵13，带有催化剂的反应液进入反应釜4。反应过程中定时取液相样标注保存，通过gc进行定量分析，转化率可达87％。
[0063]
对比例2
[0064]
向史莱克瓶中加入400mmol环氧氯丙烷和5mol％催化剂，密封后，用co2气体置换反应体系三次排出里面的空气，然后在史莱克瓶上面连接co2气球，在相同压力下进行反应，设置搅拌转速为400rpm。反应期间定时取液相样标注保存，通过gc进行定量分析，环氧氯丙烷的转化率为27％。
[0065]
通过对比实施例1-3及对比例1-2的数据，可以看出实施例1-3的环氧氯丙烷转化率明显优于对比例1-2，说明采用本技术的方案能够有效提高二氧化碳的捕集吸收效果。其中，对比实施例1-3，可以看出实施例2的效果最好，这是因为相较于实施例1，实施例2中液体下落速度较慢，在二氧化碳氛围中停留时间长，从而效果更好；同样的，相较于实施例3，实施例2通过将二氧化碳喷射的方式提高了微液滴的停留时间，进而提高了整体的反应效果。
[0066]
总之，本发明的微液滴强化二氧化碳吸收系统能够有效提高二氧化碳的吸收效率，具有良好的实用性。
[0067]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽
管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：

1.一种微液滴强化二氧化碳吸收系统，其特征在于，包括：反应釜和微液滴雾化组件；所述微液滴雾化组件包括雾化器和控制器，所述雾化器的喷头深入到所述反应釜内部；所述反应釜连接有催化剂输送管道和二氧化碳输送管道；所述反应釜外侧设置有循环管道，所述循环管道进口与所述反应釜底部相连，出口与所述雾化器的进口连接，所述循环管道内循环的液体经所述雾化器分散破碎成微液滴后进入所述反应釜中。2.根据权利要求1所述的微液滴强化二氧化碳吸收系统，其特征在于，所述反应釜内设置有气体喷射管，所述气体喷射管沿所述反应釜内壁由上到下螺旋设置，所述气体喷射管的管壁上均匀设置有多个喷气孔；所述气体喷射管顶部进气口与所述二氧化碳输送管道相连。3.根据权利要求2所述的微液滴强化二氧化碳吸收系统，其特征在于，所述喷气孔朝向所述反应釜内部且所述喷气孔倾斜向上设置。4.根据权利要求2所述的微液滴强化二氧化碳吸收系统，其特征在于，所述喷气孔的直径小于10mm。5.根据权利要求1所述的微液滴强化二氧化碳吸收系统，其特征在于，所述雾化器安装在所述反应釜的顶部，所述雾化器的喷头通过所述反应釜顶壁深入到所述反应釜内。6.根据权利要求1所述的微液滴强化二氧化碳吸收系统，其特征在于，所述雾化器安装在所述反应釜的底部，所述雾化器的喷头通过所述反应釜底壁深入到所述反应釜内。7.根据权利要求1所述的微液滴强化二氧化碳吸收系统，其特征在于，所述反应釜侧壁连接有成品输送管道，所述成品输送管道连接有成品储罐。8.根据权利要求2所述的微液滴强化二氧化碳吸收系统，其特征在于，还包括气源储罐和气体储罐，所述气源储罐与所述气体储罐相连，所述气体储罐经所述二氧化碳输送管道将二氧化碳输入到所述气体喷射管中。9.根据权利要求8所述的微液滴强化二氧化碳吸收系统，其特征在于，所述气体喷射管底部出口与所述气体储罐相连。10.一种应用权利要求1-9任一项所述的微液滴强化二氧化碳吸收系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：将催化剂分散破碎成微液滴后与二氧化碳混合，对二氧化碳进行吸收。

技术总结

本发明提供了一种微液滴强化二氧化碳吸收系统，包括：反应釜和微液滴雾化组件；所述微液滴雾化组件包括雾化器和控制器，所述雾化器的喷头深入到所述反应釜内部；所述反应釜连接有催化剂输送管道和二氧化碳输送管道；所述反应釜外侧设置有循环管道，所述循环管道进口与所述反应釜底部相连，出口与所述雾化器的进口连接，所述循环管道内循环的液体经所述雾化器分散破碎成微液滴后进入所述反应釜中。本发明的微液滴强化二氧化碳吸收系统能够有效提高二氧化碳的吸收效率，具有良好的实用性。具有良好的实用性。具有良好的实用性。