二氧化碳浓度对乙烷和丙烷在水性烷醇胺溶液中溶解度的影响

《Industrial & Engineering Chemistry Research》：The Effect of CO2 Loading on the Solubility of Ethane and Propane in Aqueous Alkanolamine Solutions

本文测定了乙烷和丙烷在N-甲基二乙醇胺（MDEA）、二乙醇胺（DEA）、二(2-氨基乙氧基)乙醇（DGA）及MDEA与哌嗪混合溶液中的溶解度，涵盖25-52.5 wt%胺浓度及298-373 K温度范围。实验发现溶解度随胺浓度增加呈指数增长（盐溶效应），随CO2负载增加呈指数衰减（盐析效应），并通过Henry常数和Setschenow系数量化效应。对比ProMax模拟，实验数据验证了模型在低压力条件下的适用性，但对CO2负载胺溶液的预测存在偏差，需进一步参数优化。

　　本研究探讨了乙烷和丙烷在不同浓度的水溶液中的溶解度，包括水、乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）、N-甲基二乙醇胺（MDEA）、2-(2-氨基乙氧基)乙醇（DGA）以及MDEA与哌嗪的混合溶液（42.1 wt% MDEA + 8 wt% Pz）中的溶解行为。实验在298 K、333 K、353 K和373 K的温度下进行，并在0.8 MPa和1.6 MPa的压力条件下分别测量丙烷和乙烷的溶解度。此外，还研究了CO?载荷对乙烷和丙烷溶解度的影响，并通过亨利定律常数计算了盐析（salting-in）和盐析（salting-out）效应。研究结果与ProMax模拟工具的预测进行了比较，为工业中胺溶液的应用提供了重要参考。

在工业应用中，烷醇胺溶液被广泛用于从天然气流中去除酸性气体（如H?S和CO?）。准确了解这些气体在胺溶液中的溶解度，对于评估胺单元的排放（如闪蒸气体和再生酸性气体流）以及预测下游硫处理设施中的烃类携带问题至关重要。尽管这一信息非常重要，但目前公开文献中关于低分子量烃类（C1–C3）在胺溶液中的溶解度数据仍较为有限。因此，研究乙烷和丙烷在不同胺溶液中的溶解行为具有重要的实际意义。

本研究涉及的胺溶液种类包括MEA、DEA、MDEA、DGA以及MDEA与哌嗪的混合物。在实验中，使用了两种高压设备来测量溶解度，其设计能够满足高达473 K的温度和19 MPa的压力要求。这些设备的精确度和稳定性为实验数据的可靠性提供了保障。测量过程中，采用了快速在线采样器（ROLSI）技术，该技术允许在不干扰平衡的情况下直接从实验单元中提取样品，进一步提高了数据的准确性。样品通过气相色谱（GC）进行分析，使用了TCD（热导检测器）和FID（火焰离子化检测器）两种检测方式，以适应不同浓度范围的分析需求。

实验中，测量了乙烷和丙烷在水和不同浓度的胺溶液中的溶解度，并通过亨利定律常数和盐析效应来评估这些数据。研究发现，随着胺浓度的增加，乙烷和丙烷的溶解度呈指数增长，这表明盐析效应显著。同时，随着CO?载荷的增加，乙烷和丙烷的溶解度呈指数下降，这表明盐析效应在CO?存在的情况下起主导作用。盐析效应的计算基于亨利定律常数，通过比较不同浓度溶液和纯水中的溶解度，可以得出相应的盐析比值。这些比值用于分析盐析效应的强度和趋势，为改进相关模型提供了依据。

为了验证实验方法的可靠性，研究者首先在纯水中测量了乙烷和丙烷的溶解度，并将其与文献数据进行了对比。实验结果与文献数据的绝对平均相对偏差（AARD）在5%以内，表明实验方法具有较高的准确性。随后，研究者进一步测量了不同浓度的胺溶液中的溶解度，并将其与ProMax模拟工具的预测结果进行了比较。对于未加载CO?的溶液，ProMax的预测结果与实验数据之间的偏差相对较小，说明该模拟工具在处理这类情况时表现良好。然而，在CO?加载的溶液中，ProMax对乙烷和丙烷溶解度的预测偏差较大，尤其是在MEA、DEA和DGA溶液中，表明当前的模拟工具在处理此类情况时仍有待改进。

研究还发现，盐析比值与温度之间存在线性关系，而与胺浓度之间则呈指数关系。这种趋势表明，温度和胺浓度是影响乙烷和丙烷溶解度的关键因素。此外，不同胺溶液对乙烷和丙烷的溶解度影响各异，MDEA和MDEA/Pz溶液的盐析比值较高，而MEA和DGA溶液的盐析比值相对较低。这些发现对于优化胺溶液的配方和操作条件具有重要意义。

在实验过程中，研究者采用了严格的校准和误差分析方法，以确保数据的准确性和可靠性。所有实验数据的不确定性均进行了评估，并考虑了校准气体的误差、移液器的体积误差、回归分析的误差以及重复测量的标准差。这些不确定性分析为实验结果的解释提供了重要依据，并有助于评估模型预测的准确性。

通过本研究，得到了关于乙烷和丙烷在不同胺溶液中的溶解度数据，并揭示了盐析效应的规律。这些数据不仅能够帮助模型开发者优化热力学模型（如e-ELR和e-NRTL模型），还能够为工业界提供更准确的预测工具，以评估胺单元的性能和排放情况。此外，研究结果还为进一步研究其他酸性气体和烃类在胺溶液中的溶解行为提供了基础，有助于推动相关领域的技术发展和应用。