实验十一 MEA吸收CO2反应动力学区域的确定
1. 实验目的
CO2作为主要的温室气体为全球广泛关注，CO2的减排已刻不容缓。从资源化角度讲，CO2是一种安全丰富的碳资源，如气体CO2可用作气体肥料、杀菌气等；超临界CO2可用于食品、医药等行业中；固体CO2（干冰）可用于人工降雨、混凝土生产、环境保护等。醇胺溶液常用于CO2吸收，是工业生产中脱除CO2的常见溶剂，如MEA、DEA、MDEA等已广泛工业应用。
本实验拟采MEA（一乙醇胺，HOC2H4NH2）溶液吸收模拟烟气中的CO2并测定各条件下的吸收速率，通过本实验可以达到以下目的：
(1) 熟悉MEA吸收CO2的基本流程； (2) 掌握确定吸收反应动力学区域的方法；
(3) 了解烟气脱碳的意义及MEA溶液吸收CO2的吸收效果。
2. 实验原理
2.1 MEA吸收CO2机理
Danckwerts和McNeil认为胺在气液界面处与CO2反应后又会在溶液主体中得到再生，即该过程符合“穿梭”机理，如图1所示。
图1 “穿梭”机理示意图
CO2和MEA最主要的反应是完全水解的氨基甲酸盐的生成，随后质子和另外一个胺分子结合，下面是CO2与MEA的总反应式：
CO2 + 2HOC2H4NH2 → HOC2H4NH3+ + HOC2H4NHCOO- （1）
该过程分两步进行：
CO2 + HOC2H4NH2 → H+ + HOC2H4NHCOO- （2）
H+ + HOC2H4NH2 → HOC2H4NH3+ （3）
1
2.2 动力学区域的确定方法
由于各动力学区域的特点不同，故各种因素对它的影响也不同。采用Levenspiel提出的判断方法，具体如下：
表1 影响伴有化学反应吸收的因素
注：动力学区域A-瞬时反应；B-界面瞬时反应；C-快速反应；D-快速拟1级反应；E-中速度反应；F-拟m级中速反应；G-慢速反应；H-液相主体的极慢速反应。表中“+”表示受此因素的影响；“-”表示不受此因素的影响；“?”表示有可能受此因素的影响，但速率方程不变。
按照以下步骤来确定动力学区域：
（1）其余条件均保持不变而仅改变液相体积。若吸收速率不随液相体积而变，则为区域A到D，反之，则为E到H。
（2）若为区域A到D，可通过改变液相物理传质系数来分析。若与kL有关，为区域A或C，否则为B或D。若确定的区域为E到H，则改变两相接触界面。若有关，则为区域E到G，否则为H。
（3）改变液相主体浓度可分区域B和D，若吸收速率与CBL有关，为区域D；若无关，为区域B。而对区域A与C以及G与E，F的区分，应通过具体的速率方程来计算。
3．实验装置及实验操作
本实验采用的双驱动磁力搅拌器吸收装置的示意图见图2。吸收剂吸收CO2的过程在双搅拌釜中完成。吸收釜是一个带夹套的玻璃圆筒(内径8.0cm，高15.5cm)，并用两个不锈钢法兰固定，法兰和圆筒之间衬以O形橡皮圈。釜内放置有四根不锈钢隔板，用以降低吸收液因搅拌而产生的涡流，同时还能提高吸收液的混合效果。釜内上下各固定一对搅拌桨，上桨用以搅拌气体，下桨用来搅拌液体。循环水通过吸收釜的夹套，使吸收体系维持在设定的温度(温度波动范围±0.5℃)。釜的上下各有一个磁力搅拌器，转速可由光电测速仪测定，通过调整两个搅拌器各自的电源可以调到所需的转速。
2
3.1 实验过程
(1) 将恒温槽16设在预定温度，用调节转速控制器15控制气液相的搅拌速度，并通过加料口17把已预热的吸收液装载到吸收反应室8。
(2) 置于钢瓶1，2的高纯N2、CO2气体分别经减压阀、配气系统混合后（总流量控制在2 mL/s左右），再通过皂膜流量计测定进口流量后进入双搅拌釜反应室8，与吸收液搅拌反应，剩余气体经过另一皂膜流量计测定出口气体流量后排空。实验采用气相连续，液相为间歇过程的操作。
1,2 气体罐；3,4 气体减压阀；5 配气系统；6 三通阀；7,10 皂膜流量计；8 吸收室；9 搅拌桨；11,12 磁
力传动装置；13,14 调速电机；15 转速控制器；16 恒温水浴；17 液体进口；18,19 液体控制阀
图2 实验装置
3.2 CO2吸收速率的测定
CO2吸收速率可以通过计算进口和出口的气体流量差得到，其中进、出口气体流量由皂膜流量计测定。
吸收速率表达式：
N=P1?(VinARTVout) （4）
式中：N —— —— —— —— —— ——
CO2吸收速率，mol×m-2×s-1； 进出口流量，mL×s-1； CO2分压，kPa； 气液接触面积，m2；
摩尔气体常数，J×mol-1×K-1； 温度，K。
Vin,Vout P1
A R T
3.3 其它分析测试方法
（1）气液相搅拌速度：光电转速测量仪测定； （2）温度：量程为0～100℃的水银温度计；
3
4. 实验数据
温度= ；P＝ ；VCO2= ；VN2= 。
变 量 液相体积序号 VL(mL) 液相搅拌速率nL（rpm） 反应物浓度cMEA (mol/L) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 100 200 200 200 200 200 200 200 200 200 130 130 130 180 130 130 130 130 130 130 1 1 1 1 1 1 1 4 1 1 气相搅拌速率nG进气CO2流量 进气流量VCO2+VN2（ml/s） 出气流量（ml/s） 吸收速率 （mg/(m2·s)） （rpm） （ml/s） 250 250 250 250 250 400 250 250 250 250 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.8 5．实验前思考
5.1 本实验操作时间较长，是否能将10次实验缩成6次实验？ 5.2 本实验的操作能否按照上面表格中的顺序（1~10）进行？为什么？
6．注意事项
在测进出口流量的过程中，一定要等上次测量的皂膜走到皂膜流量计的出口时，在测下一个数据。
7．讨论
7.1 吸收过程为液相控制还是气相控制，为什么？如果要求提高吸收效果，对于两种状态分
别要求如何改善？
7.2 实验还有哪些需要改进的地方？
4
