1、1 毕业论文 开题报告 化学工程与工艺 MDEA 脱除烟道气中二氧化碳的工艺设计 一、选题的背景、意义 气体 CO2减排是目前大气污染治理的一大难题，引起了国际社会的极大关注。吸附法、膜分离法、液膜法、有机胺吸收法、离子液循环吸收法等是 CO2气体回收常用的方法。通过对各种方法的原理及研究现状介绍，深入分析了各种方法的优缺点及存在的问题，选择出合适的二氧化碳捕集工艺并用化工模拟软件 ASPEN 进行模拟。 化工流程模拟软件出现于上世纪 50年代末，现已成为进行化工过程设计的强大工具。SPEN由美国 ASPEN TECH公司 于上世纪 80年代推向市场的大型通用流程模拟系统 Aspen Plus
2、。该软件具有完备的物性数据库，备有全面、广泛的化工单元操作模型，能方便地构成各种化工生产流程，提供一套功能强大的模型分析工具，它用严格和最新的计算方法，进行化工单元和全流程的模拟运算。 二、相关研究的最新成果及动态 2.1 二氧化碳的捕集工艺 目前在二氧化碳捕集的方法中 吸附法、膜分离法、液膜法、有机胺吸收法、离子液循环吸收法等是 CO2气体回收常用的方法。 2.1.1吸附法 吸附法是利用固态吸附剂对原料混合气中的 CO2的选择性可逆吸 附作用来分离回收 CO2。吸附剂在高温 (或高压 ) 时吸附 CO2，降温 (或降压 )后解析 CO2，通过周期性的温度 (或压力 )变化 , 从而使 CO2
3、分离出来。其关键是吸附剂的载荷能力，主要决定因素是温差 (或压差 )。常用的吸附剂有天然沸石、分子筛、活性氧化铝、硅胶和 活性炭 等。目前 工业 上应用较多的是变压吸附工艺 , 它属于干法工艺，无腐蚀，整个过程由吸附、漂洗、行降压、抽真空和加压五步组成，其运系统压力在 1.26 MPa6.66 kPa 之间变化。吸附法的主要优点是工艺过程简单、能耗低、适应能力强，但此法的吸附容量有限、需要大量的吸附剂、吸附解吸频繁、自动化程度要求较高。 2 2.1.2 膜分离法 膜分离法是利用某些聚合材料制成的薄膜对不同气体的渗透率的不同来分离气体的。膜分离的驱动力是压差，当膜两边存在压差时，渗透率高的气体组
4、分以很高的速率透过薄膜，形成 渗透气流，渗透率低的气体则绝大部分在薄膜进气侧形成残留气流，两股气流分别引出从而达到分离的目的。用于 CO2气体分离的膜大多为乙酸纤维、聚砜、聚酰胺等。膜分离法是利用某些聚合材料制成的薄膜对不同气体的渗透率的不同来分离气体的。膜分离的驱动力是压差，当膜两边存在压差时，渗透率高的气体组分以很高的速率透过薄膜，形成渗透气流，渗透率低的气体则绝大部分在薄膜进气侧形成残留气流，两股气流分别引出从而达到分离的目的。用于 CO2气体分离的膜大多为乙酸纤维、聚砜、聚酰胺等。 2.1.3 液膜法 液膜法是膜技术与气体吸收技术相结 合的新型杂化膜分离过程它采用中空基质膜作为支撑体，
5、使气体与吸收液的接触面积显著增大 (约为 6001200 m2/m3)，克服了气液两相直接接触所带来的夹带现象。具有传质界面稳定、比表面积大、传质效率高、能耗低、装置体积小和操作弹性大等优势。通常膜采用疏水性微孔中空纤维，其在传质过程中起到气液两相隔膜的作用，气体从膜一侧的气相穿过膜微孔扩散到另一侧的液相，被液相吸收，膜对气相中的组分无选择性，吸收剂对组分的选择性起关键作用。膜吸法与传统的塔式吸收器相比，膜吸收器具有装填密度高、气液接触界面稳定、无泡沫、无 液泛等优点，对于处理量小、浓度低的情况，膜分离 -溶剂吸收藕合技术具有优势。但是该法目前只在实验阶段，许多技术上的问题还未解决。 2.1.
6、4 胺化合物吸收法 胺化合物吸收法主要有热钾碱法 (苯菲尔法、砷碱法及空间位阻法等 )和烷基醇胺法 (MEA 法、 DEA 法、 MDEA 法等 )。有机胺吸收法是世界上使用最广的一种方法，占 60%的份额，其优点是吸收效率高 工艺较简单，但也存在再生能耗大；传质面积较小；会产生液泛、雾沫夹带、鼓泡现象发生；气液直接接触，对设备腐蚀性大；会产生环境污染物的问题。 2.1.5 ECO2技术 最近几年 ,用氨水洗涤烟道气脱除 CO2 的技术得到了世界范围的关注。美国 Powers pan公司开发了 ECO2捕集工艺 ,可用氨水捕集电厂烟气中的 CO2。 BP替代能源公司与 Powers pan 公
7、司正在开发和验证 Powers pan 公司基于氨水的 CO2 捕集技术 ,下一步将把该技术商业化应用于燃煤电厂。与传统的 MEA 工艺相比， ECO2技术有以下优点：氨水吸收 CO2有较高的负荷能力 ,无腐蚀问题 ,在烟气环境下不会降解；再生所需能量很少 ,运行成本远低于 MEA3 法；较低的化学品成本、副产品可供销售；可实现多污染 物控制。但是， ECO2法存在吸收产物不稳定、 CO2选择性低的缺点。 2.2 化工模拟软件 ASPEN Aspen Plus 模拟系统是麻省理工学院于 70 年代后期研制开发，由美国 Aspen 技术公司80 年代初推向市场，它用严格和最新的计算方法，进行单元
8、和全过程的计算，可以提供准确的单元操作模型，还可以评估已有装置的优化操作或新建，改建装置的优化设计。 2.2.1 Aspen 主要产品和功能 （ 1） 产品具有完备的物性数据库： ASPEN PLUS 数据库包括将近 6 000 种纯组分的物性数据。该数据库收集了世界上最完备的气液平 衡和液液平衡数据，共计 25 万多套数据。同时用户也可以把自己的物性数据与 ASPEN PLUS 系统连接。 （ 2）备有全面、广泛的化工单元操作模型，能方便地构成各种化工生产流程：能够进行近 10 种气液平衡系统模拟计算，包含精馏模型、多塔模型等单元操作模块，可广泛模拟分析化工、石油化工、生物化工、合成燃料、冶
9、金等工业过程。 （ 3）提供一套功能强大的模型分析工具，最大化工艺模型的效益：能够进行收敛分析、灵敏度分析，将工艺模型与真实的装置数据进行拟合，确保精确、有效的真实装置模型。 （ 4）根据模型的复杂程度，支持规模工 作流：在整个工艺生命周期，优化工作流；回归实验数据； 用简单的设备模型，初步设计流程；用详细的设备模型， 严格地计算物料和能量平衡；确定主要设备的尺寸；在线优化完整的工艺装置；可以从简单的、单一的装置流程到巨大的、多个工程师开发和维护的全厂流程。 2.2.2 Aspen 的应用 由于 ASPEN PLUS 可广泛应用于化工设计、模拟 计算、生产优化等多领域，比国内单一的计算软件精馏
10、塔模拟计算、加热炉计算等更加优秀。早在 2001 年底，中石化集团公司购买了 ASPEN PLUS 使用、服务权，在全石化系统推广应用。作为工业生产 的基础。各高校及科研院所在日常的科学研究中逐渐注重 ASPEN PLUS 模拟软件的应用，并对其进行了改进，在不同的科研项目中取得了大量的成果。 刘保柱等利用 ASPEN PLUS 提供的精馏模型中的 DSTWU 计算模块获得不同塔板数下对应的回流比，将数据导入 Excel 进行费用计算得到最优 回流比。用 RADFRAC 模块进行严格计算，得到完整 的工艺数据，再利用自编软件即可完成塔板和换热器设计。软件的应用增强了学生的兴趣，提高了设计效率和
11、质量，使课程设计更接近工程实际，获得了良好的教学效果。 樊艳良以甲醇和醋酸的酯化反应 为例，介绍了模拟计算反应精馏过程的方法。计算初步4 确定了最佳回流比，合理的甲醇过量程度，并通过灵敏度分析得出灵敏板的大概位置。此计算结果可作为反应精馏实验的基础，在大学化工原理教学过程中起到很好的示范作用。 周金豪、陈雪莉、郭强、王玉枝四人基于 ASPEN PLUS 软件模拟平台 ,对生物质与煤气流床共气化过程进行模拟 ,考察操作条件及生物质与煤配比变化对气化性能的影响。模拟计算结果表明 :与生物质单独气化相比 ,生物质与煤共气化能提高气化温度及气化效率 ;与煤单独气化相比 ,生物质可部分替代煤且不会明显改
12、变气化效果 ,尽管气 化温度略有下降 ,但混合物灰熔点的降低能很好弥补这一变化。生物质质量分数为 20%,O/C摩尔比在 1.1 1.3 时气化效果最佳 ,气化温度约为 1250 ,有效气产率 1.92Nm3/kg,煤气热值可达 11.5MJ/Nm3,冷煤气效率 79.7%。 徐越、吴一宁、危师让三人基于 ASPEN PLUS 平台 ,提出了加压气流床气化炉的性能模拟方法。该方法利用 ASPEN PLUS 的图形化建模工具 ,与传统的煤气化过程计算方法相比 ,可以实现快速编制模拟煤气化过程的模拟软件 ,并可将气化过程与整体煤气化联合循环 (IGCC)发电系 统的优化设计过程整合。利用输入语句和
13、计算模块的灵活性 ,可以对不同的煤种进行计算。 计算结果表明 ,该计算方法可以比较好地预测干粉加压气流床的气化性能 ,为气化炉的性能模拟提供了依据。 陈汉平、赵向富、米铁、代正华他们基于 ASPEN PLUS 软件的 Gibbs 自由能最小化法 ,并利用 RGIBBS 反应器的限制平衡法修正 ,建立了生物质气化模型 .模拟花生壳气化和木粉气化 ,发现模拟值和实验值符合良好。对气化两个重要影响因素 (空气当量系数和床温 )作了灵敏度分析 ,发现产气组分主要受床温影响 ,燃气热值和气化效率主要受空气当量系数影 响。模拟分析了气化剂温度对产气组分和气化效率的影响 ,结果表明 :基于 ASPEN PL
14、US 平台的生物质气化模型能准确地模拟实际气化过程 ,具有较好的可靠性和适用性。 Aspen Plus 提供了单元操作模型到装置流程模拟。这些模型的可靠性和增强功能已经经过 20 多年经验的验证和数以百万计例子的证实。 Aspen Plus 在整个工艺装置的从研发、工程到生产生命周期中，提供了经过验证的巨大的经济效益。它将稳态模型的功能带到工程桌面，传递着无与伦比的模型功能和方便使用的组合。 三、课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、难点及预期达到的目标 3.1 研究内容 用 MDEA 捕集热电厂烟道气中二氧化碳的工艺设计。烟道气进气组成为 H2O:12%； 5 CO2:13%； N2
15、:75%（质量分数 MASS-FRAC）。工艺设计要求： 1） 年二氧化碳的捕集量为 1 万吨二氧化碳 ; 2） 二氧化碳的捕集率在 80%以上 ; 3） 做出合理的工艺流程的 ASPEN 模拟 ; 4） 吸收塔的理论板数、操作温度和压强、 MDEA 年用量 5） 解吸塔的理论板数、操作温度和压强； 6） 出口气中二氧化碳的含量和纯度。 3.2 研究方法（技术路线） （ 1） 对 5 种二氧化碳的捕集方法优缺点的比较从而选择出最合适的二氧化碳捕集方法。 （ 2） 查阅相关文献确定各设备的工艺参数。 （ 3） 用 ASPEN PLUS 对所选用的二氧化碳吸收方法进行流程模拟。 （ 4）通过 AS
16、PEN PLUS 的模拟从而得到各设备的选型。 3.3 课题的研究难点 虽然 Aspen Plus 模拟软件具有完善的模拟物系数据库和单元模型库，但是毕竟每个模拟过程都有其个体差异性，各项参数等原始数据一旦有其中的一个有误，则必须重新设置、重新进行模拟，因此在建模过程中的工作量会很大，需要十分谨慎的态度，否则将增加工作量。 用 ASPEN PLUS 对二氧化碳吸收的全工艺流程进行模拟计算时设备相当多，当各个设备连接起来进行模拟计算时可能会造成计算错误数据无法收敛，因此必须十分谨慎，检查错误时应一步步慢慢来。 在 MDEA 吸收的 模拟中有一个全程的循环，如何打通循环一直是 ASPEN PLUS
17、 的难点所在，在打循环时需要不断的对其设初值代入一步步试验，在打循环时要有耐心。 3.4 预期达到的目标 建立正确合适的 MDEA 吸收的流程，打通流程的全程循环，二氧化碳的吸收率达到 80% 四、论文详细工作进度和安排 2010 年 11 月 20 日 2011 年 1 月 14 日：根据任务书，查阅中英文文献资料 写出文献综述，完成开题报告，翻译两篇外文 2011 年 2 月 25 日 -2011 年 4 月 15 日：工艺条件的探索，确定工艺路线和条件 2011 年 4 月 15 日 -2011 年 5 月 20 日：设计及产品精制工艺路线及设备 2011 年 5 月 20 日 -201
18、1 年 6 月 5 日：撰写论文及修改 ,上交论文 ,准备答辩 6 五、主要参考文献 1王彩红，林雄超，董敏，王永刚，等 . ASPEN PLUS 在化工实验教学和科研中的应用 J.化工时刊， 2009， 23(6) P： 73-75. 2 易芳华，钟璟，叶青，王龙耀，马江权 , 现代分离技术 M. 化学工业出版社， 2009.1 P206-229. 3 孙红先，赵听友，蔡冠梁 ,等 .化工模拟软件的应用与开发 J. 计算机与应用化学， 2007，24（ 9） P： 1285-1288. 4 王师， ASPEN PLUS 在化工专业教学中的应用 J. 化工时刊， 2010， 2. 5 赵琛琛，
19、工业系统流程模拟利器 ASPEN PLUSJ . 电站系工程， 2003， 19（ 2） . 6 李铁峰， 二氧化碳（温室）气体的危害与减排措施 J . 石河子科技， 2010， 2. 7 张东明，杨晨，周海滨，二氧化碳不及技术的最新研究进展 J. 环境保护科学 2010， 36（ 5） . 8 于方，宋宝华 , 二氧化碳捕集技术发展动态研究 J. 中国环保产业， 2009， 10. 9 韩永嘉，王树立，张鹏宇，朴文英 , 化碳分离捕集技术的研究现状与进展 (会议论文 ) 2009， 8. 10 费维扬，艾宁，陈建， 温室气体 CO2 的捕集和分离 分离技术面临的挑战和机遇 J. 化工进展，
20、2005， 1. 11 郜时旺 ， 蔡铭 ， 黄斌 ， 刘练波 ，燃煤电厂二氧化碳捕集技术研究进展（会议论文） , 2009， 8. 12 赵毅，李旭，烟气中 CO2 捕集技术的研究进展 J .2008 年火电厂环境保护综合治理技术研讨会论文 集 ， 2008， 12. 13 杨向平，陆诗建， 回收延期中二氧化碳用于强化采油技术进展及可行性分析 J. 现代化工， 2009， 11. 14 Alirio ER and Mirjana M Modelling and aimulation in chemical engineering： Tools |for process innovation
21、Computers and Chemical engineering， 2005， 29： 1167-1183. 15 Wolken, Jane M. Landhusser, Simon M. Lieffers, Victor J.,Dyck, Miles F. Differences in initial root development and soil conditions affect establishment of trembling aspen and balsam poplar seedlings. Botany (19162790); Mar2010, Vol. 88 Iss
22、ue 3, p275-285. 7 16 Ebner, Armin D. Ritter, James A. State-of-the-art Adsorption and Membrane Separation Processes for Carbon Dioxide Production from Carbon Dioxide Emitting Industries. Separation Science Apr2009, Vol. 44 Issue 6, p1273-1421. 17 Plasynski, S. I. Litynski, J. T. McIlvried, H. G. Sri
23、vastava, R. D. Progress and New Developments in Carbon Capture and Storage. Critical Reviews in Plant Sciences; May/Jun2009, Vol. 28 Issue 3, p123-138. 18 Jorgenson, Andrew Clark, Brett Assessing the temporal stability of the population/environment relationship in comparative perspective: a cross-national panel study of carbon dioxide emissions, 19602005 Population Sep2010, Vol. 32 Issue 1, p27-41.
