一种CO2吸收和解吸实验装置及其控制系统

一种co2吸收和解吸实验装置及其控制系统
技术领域
1.本实用新型涉及一种化学实验装置，具体涉及一种co2吸收和解吸实验装置及其控制系统。


背景技术：

2.吸收-解吸实验是化工原理课程中的重点实验项目，目的是帮助学生了解吸收装置和解吸装置的构造，以及吸收和解吸流程，了解流体温度、压力、液位、流量等过程参数的检测原理和方法，以及了解吸收解吸的基本原理并掌握其性能测定的方法。目前，国内大多数吸收与解吸教学实验设备用到的装置中都是使用co2作为气源气，但现有的co2吸收和解吸实验装置是由一系列功能相对单一、集成度相对较低、独立性相对较强的实验设备组装而成的，如吸附和解吸的实验过程需由两个独立的吸附塔和解吸塔组成，这样存在以下弊端：第一，完成一系列过程单元设备相关实验所需要的设备台套数较多，总占地面积较大；第二，现有的吸收与解吸实验装置工作不具备连续性，无法实现循环操作；第三，无法再现上述不同生产过程中经常出现的成套过程装备的情景，对培养学生的工程意识和系统思维能力不利。除此之外，现有的co2吸收和解吸实验装置缺少与化工装置配合的反馈与控制系统，无法实现重要参数的实时监控和自动运行。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种co2吸收和解吸实验装置及其控制系统。
4.为了实现上述目标，本实用新型采用如下的技术方案：
5.一种co2吸收和解吸实验装置，包括吸收单元和解吸单元，所述吸收单元包括吸收塔、第一气相子单元和第一液相子单元，所述吸收塔包括填料，所述第一气相子单元包括气源和废气，所述气源从塔底进入所述吸收塔，经所述填料后得到废气，由塔顶排出，所述第一液相子单元包括贫液和富液，所述贫液从塔顶进入所述吸收塔，经所述填料后得到富液，由塔底进入富液储罐，所述气源和贫液在所述填料表面逆流进行传质；所述解吸单元包括解吸塔、第二液相子单元和第二气相子单元，所述解吸塔包括填料，所述第二液相子单元包括所述富液储罐中的富液和贫液，所述富液从塔顶进入解吸塔，经过所述填料时释放出高纯度co2，并得到贫液，由塔底进入贫液储罐，所述贫液储罐与所述吸收单元的第一液相子单元连接，所述第二气相子单元包括所述高纯度co2，所述高纯度co2从所述解吸塔塔顶排出；所述吸收塔内在不同高度设置有多个温度传感器和co2采样点，所述co2采样点通过电磁阀与co2分析仪连接；所述解吸塔内在不同高度设置有多个温度传感器。
6.进一步地，吸收塔与解吸塔的填料均为规整不锈钢丝网波纹填料。
7.进一步地，所述第一气相子单元的气源包括co2气源和n2气源，两种气源分别经co2气体流量控制器和n2气体流量控制器后在混合器中混合模拟烟道气；所述第一气相子单元的废气经冷却器和气液分离器后，气体经干燥器排出，冷凝液回收至所述贫液储罐。
8.进一步地，所述第二液相子单元的富液由富液储罐经齿轮泵和微流量计进入预热器，再在换热器中被高温热油进一步加热后进入解析塔顶；所述第二液相子单元的贫液经齿轮泵进入所述预热器，为富液加热，再经冷却器进入贫液储罐。
9.进一步地，所述高温热油由高温油浴锅提供，经热油流量计和热油电动调节阀后进入所述换热器。
10.进一步地，所述第二气相子单元的高纯度co2经冷却器和气液分离器后，气体经干燥器和co2流量计排出，冷凝液回收至所述贫液储罐。
11.进一步地，所述贫液储罐和富液储罐均设有液位传感器，所述第一气相子单元和第二气相子单元的气路上均设有多个气压传感器，所述第一液相子单元和第二液相子单元的液路上均设有多个液压传感器。
12.进一步地，所述第一气相子单元和第二气相子单元的气路上均设有多个电磁阀，所述第一液相子单元和第二液相子单元的液路上均设有多个电磁阀。
13.一种co2吸收和解吸实验装置的控制系统，包括一种co2吸收和解吸实验装置，以及采集模块、控制模块和执行模块，所述采集模块位于所述实验装置中，用于实时采集实验参数数据并发送至所述控制模块；所述控制模块与所述采集装置信号连接，用于接收所述实验参数数据并对其进行显示和计算；所述执行模块与所述控制模块信号连接，用于接收所述控制模块的指令并进行调节。
14.进一步地，所述采集模块包括所述的多个温度传感器、co2分析仪、液位传感器、气压传感器和液压传感器；所述控制模块包括plc控制器和触控显示器；所述执行模块包括所述多个电磁阀和流量控制器。
15.本实用新型的有益之处在于：
16.（1）通过富液储罐将吸收塔的塔底与解吸塔的塔顶连接，通过贫液储罐将解吸塔的塔底与吸收塔的塔顶连接，实现了吸收和解吸的循环，实验装置占地面积更小，一体化的实验效率更高。
17.（2）应用自动化仪表实时检测温度、压力、液位、流量、co2组分等过程参数，并使用plc和计算机构成自动测控系统，实现整个系统的安全操作和实时监控，可以自动化运行并记录所有过程参数，实现对co2吸收解吸过程的性能评价和重要参数预测。
18.（3）本实用新型的装置包括储液罐、换热器、填料塔、隔膜泵等典型化工设备和机械，涉及到气体混合、液料输送、加热、冷凝、吸收、解吸等典型单元操作，传热过程、化学反应、气液平衡等化工原理基础内容，以及智能仪表和过程控制技术，既能满足实验教学还能满足科研实验。本实用新型的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种新型的
附图说明
19.图1是本实用新型一种co2吸收和解吸实验装置的工艺流程图。
20.图中附图标记的含义：
21.100-吸收塔； 200-解吸塔；1-co2气源；3-n2气源；2、4-气体流量控制器；5-混合器；6-高温油浴锅；7-热油流量计；8、20、22-冷却器；9-co2分析仪；10-富液储罐；11-热油电动调节阀；12、25-干燥器；13、23-气液分离器；14、19、21、27-泵；15、16-液体流量控制器；17-换热器；18-预热器；24-贫液储罐；26-co2流量计；t1、t2、t3、t4、t5、t6-温度传感器；g1、g2、
g3、g4、g5、g6-co2采样点；p1、p2-气压传感器；p3、p4-液压传感器；l1、l2-液位传感器；m1、m2、m3、m4、m5、m6、m7、m8、m9、m10
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电磁阀
具体实施方式
22.以下结合附图和具体实施例对本实用新型作具体的介绍。
23.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
24.实施例1
25.结合图1，本实用新型提供一种co2吸收和解吸实验装置，包括吸收单元和解吸单元，吸收单元包括吸收塔100、第一气相子单元和第一液相子单元，吸收塔100包括填料，第一气相子单元包括气源和废气，气源从塔底进入吸收塔100，经填料后得到废气，由塔顶排出，第一液相子单元包括贫液和富液，贫液从塔顶进入吸收塔100，经填料后得到富液，由塔底进入富液储罐10，气源和贫液在填料表面逆流进行传质；解吸单元包括解吸塔200、第二液相子单元和第二气相子单元，解吸塔200包括填料，第二液相子单元包括富液储罐中的富液和贫液，富液从塔顶进入解吸塔200，经过填料时释放出高纯度co2，并得到贫液，由塔底进入贫液储罐24，贫液储罐24与吸收单元的第一液相子单元连接，第二气相子单元包括高纯度co2，高纯度co2从解吸塔200塔顶排出；吸收塔100内在不同高度设置有多个温度传感器t1-t6和co2采样点g1-g6，co2采样点通过电磁阀m1-m6与co2分析仪连接，检测得到co2浓度。电磁阀可以切换气路每次接通一路进行循环检测，降低成本。
26.解吸塔200内在不同高度设置有多个温度传感器。通过富液储罐10将吸收塔100的塔底与解吸塔200的塔顶连接，通过贫液储罐24将解吸塔200的塔底与吸收塔100的塔顶连接，实现了吸收和解吸的循环，实验装置占地面积更小，一体化的实验效率更高。
27.其中吸收塔100与解吸塔200的填料均为规整不锈钢丝网波纹填料。该填料由于其独特的波纹结构使之具备更高的比表面积，同时利用了丝网的毛细作用，使得填料具备更好的分离效果。
28.第一气相子单元的气源包括co2气源1和n2气源2，两种气源分别经co2气体流量控制器2和n2气体流量控制器4后在混合器5中混合模拟烟道气。第一气相子单元的废气经冷却器8和气液分离器13后，气体经干燥器12排出，冷凝液回收至贫液储罐24。
29.第二液相子单元的富液由富液储罐10经齿轮泵14和微流量计15进入预热器18，再在换热器17中被高温热油进一步加热后进入解析塔顶；第二液相子单元的贫液经齿轮泵19进入预热器18，为富液加热，再经冷却器进入贫液储罐24。其中高温热油由高温油浴锅6提供，经热油流量计7和热油电动调节阀11后进入换热器17。贫液从解吸塔塔底途径预热器18进入贫液储罐24，进而进入吸收塔顶，不仅实现了解吸塔200与吸收塔100的液相循环，同时利用了贫液的热量为富液加热，实现了热量的再利用。
30.第二气相子单元的高纯度co2经冷却器22和气液分离器23后，气体经干燥器25和
co2流量计26排出，冷凝液回收至贫液储罐。co2流量计26对排出的co2进行计量。
31.这其中，贫液储罐和富液储罐均设有液位传感器l1和l2，第一气相子单元和第二气相子单元的气路上均设有多个气压传感器p1和p2，第一液相子单元和第二液相子单元的液路上均设有多个液压传感器p3和p4。第一气相子单元和第二气相子单元的气路上均设有多个电磁阀m9、m10，第一液相子单元和第二液相子单元的液路上均设有多个电磁阀m7、m8。
32.实施例2
33.本实用新型提供一种co2吸收和解吸实验装置的控制系统，包括一种co2吸收和解吸实验装置，以及采集模块、控制模块和执行模块，采集模块位于实验装置中，用于实时采集实验参数数据并发送至控制模块；控制模块与采集装置信号连接，用于接收实验参数数据并对其进行显示和计算；执行模块与控制模块信号连接，用于接收控制模块的指令并进行调节。
34.其中采集模块包括的上述的多个温度传感器t1-t6、co2分析仪、液位传感器l1和l2、气压传感器p1和p2、液压传感器p3和p4；控制模块包括plc控制器和触控显示器；执行模块包括多个电磁阀和流量控制器2、4、15、16。
35.本实用新型提供一种co2吸收和解吸实验装置的控制系统应用自动化仪表实时检测温度、压力、液位、流量、co2组分等过程参数，并使用plc和计算机构成自动测控系统，实现整个系统的安全操作和实时监控，可以自动化运行并记录所有过程参数，实现对co2吸收解吸过程的性能评价和重要参数预测。
36.实施例3
37.由于单乙醇胺（mea）溶液具有良好的反应动力学和较低的成本，因此以mea作为吸收剂为例进行实验过程详述。
38.吸收过程中，气源使用co2和n2，经气体流量控制器2和4和混合器5模拟烟道气（co2典型占比为15%），从塔底进入吸收塔100，而贫液由塔顶进入吸收塔100，气液两相在填料表面逆流进行传质，吸收过程既有物理吸收又有化学吸收。吸收溶剂为5 mol/l 的mea水溶液，从贫液罐24经隔膜泵21和液体流量控制器16进入吸收塔顶。吸收塔内随高度增加，co2逐渐被mea溶液吸收，浓度减小，组分占比沿塔高设置6个采样点g1-g6，采样点g1-g6经电磁阀与co2分析仪9连接，检测得到co2浓度。电磁阀可以切换气路每次接通一路进行循环检测，降低成本。废气最后由塔顶排出，经冷却器8冷却，经气液分离器13和干燥器12排出系统。塔底液相吸收co2后成为富液，经泵27打入富液储罐10储存，可从罐底采样检测液相co2负载。
39.解吸过程中，富液从富液储罐10经齿轮泵14和微流量计15，进入预热器18由解吸塔200的贫液加热，再在换热器17中被高温热油进一步加热后进入解吸塔顶。在约120℃的高温环境下，co2逐渐释放，mea得以再生。高温热油由高温油浴锅6提供，温度可设定，最高200℃，利用热油流量计7和热油电动调节阀11可调节热油流量，进而控制换热器17的富液出口温度在120℃。解吸塔顶气体为高纯度co2，经冷却器22、气液分离器23和干燥器25后，由co2流量计26对排出co2进行计量。而塔底贫液经泵19泵入预热器18后再经冷却器20，最后排入贫液储罐24。
40.启动控制系统，可在触控显示屏上查看实验装置的总体工艺流程图，以及通过触控操作控制各个电磁阀。如选择“吸收操作”进入吸收塔单塔运行界面；旋转泵27后针阀调整流量大小，待各点温度和co2浓度数据平稳，记录显示屏上显示的塔顶压力（绝对压力）、6
个测温点温度和6个测量点co2浓度。解吸操作同理。
41.综上所述，本实用新型提供的一种co2吸收和解吸实验装置及其控制系统，包括储液罐、换热器、填料塔、隔膜泵等典型化工设备和机械，涉及到气体混合、液料输送、加热、冷凝、吸收、解吸等典型单元操作，传热过程、化学反应、气液平衡等化工原理基础内容，以及智能仪表和过程控制技术，既能满足实验教学还能满足科研实验。
42.在本实用新型的描述中，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实用新型中的具体含义。
43.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
44.以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本实用新型，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。