化工学报 ›› 2021, Vol. 72 ›› Issue (9): 4740-4749.DOI: 10.11949/0438-1157.20210453
收稿日期:
2021-04-06
修回日期:
2021-05-24
出版日期:
2021-09-05
发布日期:
2021-09-05
通讯作者:
肖武,吴雪梅
作者简介:
方远鑫(1996—),男,硕士研究生,基金资助:
Yuanxin FANG(),Wu XIAO(
),Xiaobin JIANG,Xiangcun LI,Gaohong HE,Xuemei WU(
)
Received:
2021-04-06
Revised:
2021-05-24
Online:
2021-09-05
Published:
2021-09-05
Contact:
Wu XIAO,Xuemei WU
摘要:
CO2对气候影响越来越严重,将其转化为甲酸能够同步实现资源化和碳减排。当前CO2加氢制甲酸的研究主要在于寻找高性能催化剂,而过程设计对甲酸实现工业化也不可或缺,但是CO2电催化加氢制甲酸的过程设计尚未见报道。利用主要成分为H2和CO2的天然气制氢变压吸附解吸气为原料,设计了气体膜分离耦合CO2电催化加氢年产3万吨甲酸的工艺,并在Unisim Design流程模拟软件中进行了模拟。随后利用灵敏度分析法对反应器中膜电极面积、阴极电势、H2膜面积、CO2膜面积、精馏塔压力和回流比等参数进行优化,在最优方案下甲酸的单位质量成本为6.37 CNY/kg,比传统的Kemiral-Leonard(KL)工艺高31.88%,但是所提出的工艺可以实现减排3.33万吨/年的CO2,具有重要的环境保护意义。最后通过成本分析,从反应器的寿命、成本和电价三个方面提出三种有效的解决方案,可以将甲酸生产成本降低到传统KL工艺的生产成本。
中图分类号:
方远鑫, 肖武, 姜晓滨, 李祥村, 贺高红, 吴雪梅. 膜分离耦合CO2电催化加氢制甲酸工艺的设计及模拟[J]. 化工学报, 2021, 72(9): 4740-4749.
Yuanxin FANG, Wu XIAO, Xiaobin JIANG, Xiangcun LI, Gaohong HE, Xuemei WU. Process design and simulation of membrane separation coupled with CO2 electrocatalytic hydrogenation to formic acid[J]. CIESC Journal, 2021, 72(9): 4740-4749.
组成 | 摩尔分数/% |
---|---|
H2 | 45 |
CO2 | 35 |
CH4 | 15 |
N2 | 5 |
表1 原料气组成
Table 1 Feed gas composition
组成 | 摩尔分数/% |
---|---|
H2 | 45 |
CO2 | 35 |
CH4 | 15 |
N2 | 5 |
膜材料 | 膜透量/GPU | ||||
---|---|---|---|---|---|
H2 | CO2 | CO | CH4 | N2 | |
PI | 300 | 20 | 2 | 1 | 1 |
PEO | 85 | 1000 | 20 | 15 | 15 |
表2 工艺中使用的膜透量数据[32]
Table 2 Membrane permeation data used in the process[32]
膜材料 | 膜透量/GPU | ||||
---|---|---|---|---|---|
H2 | CO2 | CO | CH4 | N2 | |
PI | 300 | 20 | 2 | 1 | 1 |
PEO | 85 | 1000 | 20 | 15 | 15 |
图9 加压精馏塔塔顶压力对甲酸回收率和甲酸质量分数的影响
Fig.9 The influence of the pressure at the top of the pressurized distillation column on the recovery rate of formic acid and the mass fraction of formic acid
设备 | 成本 |
---|---|
CO2电催化反应器 | 1×104 CNY/m2 |
H2膜 | 1×104 CNY/m2 |
CO2膜 | 0.3×104 CNY/m2 |
压缩机 | 0.5×104 CNY/kW |
电 | 0.75 CNY/kWh |
循环水 | 0.19 CNY/t |
高压蒸汽 | 198 CNY/t |
表3 关键设备和操作成本
Table 3 Key equipment and operating costs
设备 | 成本 |
---|---|
CO2电催化反应器 | 1×104 CNY/m2 |
H2膜 | 1×104 CNY/m2 |
CO2膜 | 0.3×104 CNY/m2 |
压缩机 | 0.5×104 CNY/kW |
电 | 0.75 CNY/kWh |
循环水 | 0.19 CNY/t |
高压蒸汽 | 198 CNY/t |
类型 | 消耗量 |
---|---|
电能 | 17217.78 kW |
冷却水 | 201.87 t/h |
水蒸气 | 31.40 kg/h |
表4 公用工程消耗量
Table 4 Utility consumption
类型 | 消耗量 |
---|---|
电能 | 17217.78 kW |
冷却水 | 201.87 t/h |
水蒸气 | 31.40 kg/h |
项目 | 数值 | 折旧年限 |
---|---|---|
98.03%(质量)甲酸产量/(万吨/年) | 3.06 | — |
CO2消耗量/(万吨/年) | 3.33 | — |
加压精馏塔/(万元/年) | 5.5 | 10年 |
常压精馏塔/(万元/年) | 4 | 10年 |
H2膜组件/(万元/年) | 180 | 5年 |
CO2膜组件/(万元/年) | 9 | 5年 |
压缩机/(万元/年) | 184.98 | 10年 |
CO2电催化反应器/(万元/年) | 8400 | 5000 h |
CO吸附装置/(万元/年) | 144.18 | 1年 |
反应器所需电能/(万元/年) | 9390.47 | — |
冷却水/(万元/年) | 32.22 | — |
饱和蒸汽/(万元/年) | 2.22 | — |
压缩机所需电能/(万元/年) | 1162.667 | — |
年度成本/(万元/年) | 19505.24 | — |
单位质量成本/(CNY/kg) | 6.37 | — |
表5 经济性评估
Table 5 Economic evaluation
项目 | 数值 | 折旧年限 |
---|---|---|
98.03%(质量)甲酸产量/(万吨/年) | 3.06 | — |
CO2消耗量/(万吨/年) | 3.33 | — |
加压精馏塔/(万元/年) | 5.5 | 10年 |
常压精馏塔/(万元/年) | 4 | 10年 |
H2膜组件/(万元/年) | 180 | 5年 |
CO2膜组件/(万元/年) | 9 | 5年 |
压缩机/(万元/年) | 184.98 | 10年 |
CO2电催化反应器/(万元/年) | 8400 | 5000 h |
CO吸附装置/(万元/年) | 144.18 | 1年 |
反应器所需电能/(万元/年) | 9390.47 | — |
冷却水/(万元/年) | 32.22 | — |
饱和蒸汽/(万元/年) | 2.22 | — |
压缩机所需电能/(万元/年) | 1162.667 | — |
年度成本/(万元/年) | 19505.24 | — |
单位质量成本/(CNY/kg) | 6.37 | — |
19 | Jia C M, Dai Y H, Yang Y H, et al. A fluidized-bed model for NiMgW-catalyzed CO2 methanation[J]. Particuology, 2020, 49: 55-64. |
20 | Wang F H, Xie H P, Liu T, et al. Highly dispersed CuFe-nitrogen active sites electrode for synergistic electrochemical CO2 reduction at low overpotential[J]. Applied Energy, 2020, 269: 115029. |
21 | Hatsukade T, Kuhl K P, Cave E R, et al. Insights into the electrocatalytic reduction of CO₂ on metallic silver surfaces[J]. Physical Chemistry Chemical Physics, 2014, 16(27): 13814-13819. |
22 | Wang H Z, Leung D Y C, Xuan J. Modeling of a microfluidic electrochemical cell for CO2 utilization and fuel production[J]. Applied Energy, 2013, 102: 1057-1062. |
23 | 周柒, 丁红蕾, 郭得通, 等. CO2催化氢化制清洁能源的研究进展及趋势[J]. 化工学报, 2020, 71(8): 3428-3443. |
Zhou Q, Ding H L, Guo D T, et al. Recent advances in catalytic methods of CO2 hydrogenation to clean energy[J]. CIESC Journal, 2020, 71(8): 3428-3443. | |
24 | Ma L, Fan S, Zhen D X, et al. Electrochemical reduction of CO2 in proton exchange membrane reactor: the function of buffer layer[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2017, 56(37): 10242-10250. |
25 | 刘得军, 刘鹤, 孟凡彬, 等. 基于VB和HYSYS的地下储气库地面井筒一体化压力计算系统[J]. 天然气工业, 2013, 33(10): 104-109. |
Liu D J, Liu H, Meng F B, et al. The VB-and HYSYS-based simulation integration of injection/withdrawal wellbore pressures with above-ground piping pressures in UGS facilities[J]. Natural Gas Industry, 2013, 33(10): 104-109. | |
26 | 金大天, 曹义鸣, 王丽娜, 等. HYSYS的二次开发及其在多组分气体膜分离过程模拟中的应用[J]. 膜科学与技术, 2012, 32(5): 87-91. |
Jin D T, Cao Y M, Wang Li N, et al. Secondary development of HYSYS and its application in the simulation of multi-component gas separation by membrane[J]. Membrane Science and Technology, 2012, 32(5): 87-91. | |
27 | Lock S S M, Lau K K, Ahmad F, et al. Modeling, simulation and economic analysis of CO2 capture from natural gas using cocurrent, countercurrent and radial crossflow hollow fiber membrane[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2015, 36: 114-134. |
28 | Huang W R, Jiang X B, He G H, et al. A novel process of H2/CO2 membrane separation of shifted syngas coupled with gasoil hydrogenation[J]. Processes, 2020, 8(5): 590. |
1 | 李志康, 商鲁伟, 聂苗苗, 等. G/O/W微分散体系实现甲酸/三辛胺-正辛醇体系萃取分离[J]. 化工学报, 2020, 71(9): 4219-4227. |
Li Z K, Shang L W, Nie M M, et al. Extraction of formic acid with G/O/W microdispersion system[J]. CIESC Journal, 2020, 71(9): 4219-4227. | |
29 | Chen W, He G H, Ge F L, et al. Effects of hydrophobicity of diffusion layer on the electroreduction of biomass derivatives in polymer electrolyte membrane reactors[J]. ChemSusChem, 2015, 8(2): 288-300. |
30 | 周天宇, 阮雪华, 陈博, 等. 利用氢气分离膜降低乙烯深冷系统制冷压缩机的功耗[J]. 化工进展, 2016, 35(5): 1555-1560. |
Zhou T Y, Ruan X H, Chen B, et al. Reducing refrigeration compressor power in chilling process of ethylene plant by using hydrogen separation membrane[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2016, 35(5): 1555-1560. | |
31 | 肖永厚, 肖红岩, 李本源, 等. 基于Aspen Adsorption的氦气/甲烷吸附分离过程模拟优化[J]. 化工学报, 2019, 70(7): 2556-2563. |
2 | Loges B, Boddien A, Gärtner F, et al. Catalytic generation of hydrogen from formic acid and its derivatives: useful hydrogen storage materials[J]. Topics in Catalysis, 2010, 53(13/14): 902-914. |
3 | Andrushkevich T V, Popova G Y, Danilevich E V, et al. A new gas-phase method for formic acid production: tests on a pilot plant[J]. Catalysis in Industry, 2014, 6(1): 17-24. |
4 | 易清风. 甲酸在钛基纳米多孔网状铂电极上的电化学氧化[J]. 化工学报, 2007, 58(2): 446-451. |
Yi Q F. Electrochemical oxidation of formic acid on novel titanium-supported nanoporous network platinum electrode[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering (China), 2007, 58(2): 446-451. | |
5 | Rostami L, Mohamad Gholy Nejad P, Vatani A. A numerical investigation of serpentine flow channel with different bend sizes in polymer electrolyte membrane fuel cells[J]. Energy, 2016, 97: 400-410. |
6 | Rizvandi O B, Yesilyurt S. A pseudo three-dimensional, two-phase, non-isothermal model of proton exchange membrane fuel cell[J]. Electrochimica Acta, 2019, 302: 180-197. |
7 | 张镇, 吴辉. 国内外质子交换膜燃料电池关键材料的性能和成本分析[J]. 电池工业, 2019, 23(6): 305-309, 326. |
Zhang Z, Wu H. A literature review on performance and cost analysis of key materials for PEMFC[J]. Chinese Battery Industry, 2019, 23(6): 305-309, 326. | |
8 | 温术来. 燃料电池的研究现状及进展[J]. 现代化工, 2019, 39(7): 66-70. |
Wen S L. Research status and progress of fuel cell[J]. Modern Chemical Industry, 2019, 39(7): 66-70. | |
9 | Aslam N M, Masdar M S, Kamarudin S K, et al. Overview on direct formic acid fuel cells (DFAFCs) as an energy sources[J]. APCBEE Procedia, 2012, 3: 33-39. |
10 | 闫国庆. 甲酸生产工艺技术及其市场应用探讨[J]. 企业技术开发, 2014, 33(3): 43-44. |
Yan G Q. Discussion on production technology market application of formic acid [J]. Technological Development of Enterprise, 2014, 33(3): 43-44. | |
11 | 宁忠培, 戴志谦, 李天文, 等. 甲酸生产工艺技术及应用[J]. 化学工程师, 2009, 23(4): 52-55. |
Ning Z P, Dai Z Q, Li T W, et al. Production processes of formic acid and its applications[J]. Chemical Engineer, 2009, 23(4): 52-55. | |
12 | Leonard J. Preparation of formic acid by hydrolysis of methyl formate: US4299981 A[P]. 1981-11-10. |
13 | Chua W X, da Cunha S, Rangaiah G P, et al. Design and optimization of Kemira-Leonard process for formic acid production[J]. Chemical Engineering Science: X, 2019, 2: 100021. |
14 | Hohenschutz H, Schmidt J E, Kiefer H, et al. Preparation of Fromic Acid: US4218568[P]. 1980-08-19. |
15 | Novita F J, Lee H Y, Lee M. Plantwide design for high-purity formic acid reactive distillation process with dividing wall column and external heat integration arrangements[J]. Korean Journal of Chemical Engineering, 2018, 35(4): 926-940. |
16 | 史建公, 刘志坚, 刘春生. 二氧化碳催化转化为甲酸的技术进展[J]. 中外能源, 2019, 24(4): 64-82. |
Shi J G, Liu Z J, Liu C S. Technology progress in catalytic conversion of carbon dioxide to formic acid[J]. Sino-Global Energy, 2019, 24(4): 64-82. | |
31 | Xiao Y H, Xiao H Y, Li B Y, et al. Optimization of helium/methane adsorption separation process based on Aspen adsorption simulation[J]. CIESC Journal, 2019, 70(7): 2556-2563. |
32 | Merkel T C, Zhou M J, Baker R W. Carbon dioxide capture with membranes at an IGCC power plant[J]. Journal of Membrane Science, 2012, 389: 441-450. |
33 | 张胜中, 张英, 范得权, 等. 炼厂氢制取燃料电池级氢气技术研究[J]. 现代化工, 2020, 40(3): 208-211. |
Zhang S Z, Zhang Y, Fan D Q, et al. Study on producing hydrogen for fuel cell from refinery hydrogen[J]. Modern Chemical Industry, 2020, 40(3): 208-211. | |
34 | Chen B, Yang T, Xiao W, et al. Conceptual design of pyrolytic oil upgrading process enhanced by membrane-integrated hydrogen production system[J]. Processes, 2019, 7(5): 284. |
35 | 周艳艳. 精馏—蒸汽渗透进行异丙醇脱水的响应面优化[D]. 大连: 大连理工大学, 2013. |
Zhou Y Y. Parameters optimization of isopropanol dehydration by hybrid distillation-vapor permeation process using response surface methodology[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2013. | |
17 | Wang W, Wang S P, Ma X B, et al. Recent advances in catalytic hydrogenation of carbon dioxide[J]. Chemical Society Reviews, 2011, 40(7): 3703-3727. |
18 | Preti D, Resta C, Squarcialupi S, et al. Carbon dioxide hydrogenation to formic acid by using a heterogeneous gold catalyst[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2011, 50(52): 12551-12554. |
[1] | 陈哲文, 魏俊杰, 张玉明. 超临界水煤气化耦合SOFC发电系统集成及其能量转化机制[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3888-3902. |
[2] | 齐聪, 丁子, 余杰, 汤茂清, 梁林. 基于选择吸收纳米薄膜的太阳能温差发电特性研究[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3921-3930. |
[3] | 郑玉圆, 葛志伟, 韩翔宇, 王亮, 陈海生. 中高温钙基材料热化学储热的研究进展与展望[J]. 化工学报, 2023, 74(8): 3171-3192. |
[4] | 文兆伦, 李沛睿, 张忠林, 杜晓, 侯起旺, 刘叶刚, 郝晓刚, 官国清. 基于自热再生的隔壁塔深冷空分工艺设计及优化[J]. 化工学报, 2023, 74(7): 2988-2998. |
[5] | 杨峥豪, 何臻, 常玉龙, 靳紫恒, 江霞. 生物质快速热解下行式流化床反应器研究进展[J]. 化工学报, 2023, 74(6): 2249-2263. |
[6] | 周小文, 杜杰, 张战国, 许光文. 基于甲烷脉冲法的Fe2O3-Al2O3载氧体还原特性研究[J]. 化工学报, 2023, 74(6): 2611-2623. |
[7] | 江锦波, 彭新, 许文烜, 门日秀, 刘畅, 彭旭东. 泵出型螺旋槽油气密封泄漏特性及参数影响研究[J]. 化工学报, 2023, 74(6): 2538-2554. |
[8] | 孙永尧, 高秋英, 曾文广, 王佳铭, 陈艺飞, 周永哲, 贺高红, 阮雪华. 面向含氮油田伴生气提质利用的膜耦合分离工艺设计优化[J]. 化工学报, 2023, 74(5): 2034-2045. |
[9] | 刘尚豪, 贾胜坤, 罗祎青, 袁希钢. 基于梯度提升决策树的三组元精馏流程结构最优化[J]. 化工学报, 2023, 74(5): 2075-2087. |
[10] | 周必茂, 许世森, 王肖肖, 刘刚, 李小宇, 任永强, 谭厚章. 烧嘴偏转角度对气化炉渣层分布特性的影响[J]. 化工学报, 2023, 74(5): 1939-1949. |
[11] | 王泽栋, 石至平, 刘丽艳. 考虑气泡非均匀耗散的矩形反应器声流场数值模拟及结构优化[J]. 化工学报, 2023, 74(5): 1965-1973. |
[12] | 张兰河, 赖青燚, 王铁铮, 关潇卓, 张明爽, 程欣, 徐小惠, 贾艳萍. H2O2对SBR脱氮效率和污泥性能的影响[J]. 化工学报, 2023, 74(5): 2186-2196. |
[13] | 张建华, 陈萌萌, 孙雅雯, 彭永臻. 部分短程硝化同步除磷耦合Anammox实现生活污水高效脱氮除磷[J]. 化工学报, 2023, 74(5): 2147-2156. |
[14] | 许文烜, 江锦波, 彭新, 门日秀, 刘畅, 彭旭东. 宽速域三种典型型槽油气密封泄漏与成膜特性对比研究[J]. 化工学报, 2023, 74(4): 1660-1679. |
[15] | 李纪元, 李金旺, 周刘伟. 不同扰流结构冷板传热性能研究[J]. 化工学报, 2023, 74(4): 1474-1488. |
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