超重力旋轉(zhuǎn)填充床脫除CO2體積傳質(zhì)系數(shù)的研究

劉 歡，李芳芹，張繼發(fā)，姬海剛，張曉峰，劉繼勇

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090)

化石能源系統(tǒng)中CO2的大量排放被認(rèn)為是造成全球氣候變暖、溫室效應(yīng)加劇的主要原因.根據(jù)經(jīng)濟(jì)合作發(fā)展組織(OECD)和國際能源署(IEA)數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)有電廠 CO2排放量約1.06×1010t，占全世界CO2總排放量的40.6%，其中燃煤電廠為 7.6 × 109t，占發(fā)電行業(yè)排放量的 72% .[1]因此，燃煤電廠高效利用煤炭資源的同時(shí)，采取有效措施來減少CO2量的排放顯得尤為重要.

燃煤電廠CO2的捕集技術(shù)分為燃燒前捕集、燃燒中捕集和燃燒后捕集3種，其中燃燒后捕集應(yīng)用于火電廠尾部煙氣脫碳，捕集方法包括化學(xué)吸收法、物理吸收法、膜分離法、吸附法、低溫分離法等.[2]

目前，普遍認(rèn)為燃燒后捕集在火電廠碳捕集中最為切實(shí)可行，因?yàn)椴捎萌紵竺撎技夹g(shù)對(duì)現(xiàn)有電廠進(jìn)行改造，投資少且CO2的吸收量大，根據(jù)常規(guī)燃煤電廠煙氣溫度高、煙氣中CO2分壓低、煙氣流量大、惰性氣體含量大等特點(diǎn)，通常采用化學(xué)吸收法進(jìn)行尾部煙道CO2的吸收.[3]其中，最常用的是有機(jī)胺溶液吸收法.[4]

超重力指的是在超出地球重力加速度g(g=9.8 m/s)的環(huán)境下，附加在物體上力的作用.[5]超重力技術(shù)是一種突破性的過程強(qiáng)化新技術(shù)，目前已在化工、環(huán)保、超細(xì)粉體制備以及氣液固三相分離等工業(yè)過程中得到了應(yīng)用.[6-7]其主要特點(diǎn)在于氣液兩相在反應(yīng)器內(nèi)逆向接觸，在強(qiáng)大的離心力作用下，相間與相內(nèi)強(qiáng)烈混合與分散，過程得到極大強(qiáng)化，因而在工業(yè)上有著廣闊的發(fā)展前景.[8]

影響化學(xué)法捕集CO2效率的兩個(gè)主要因素是氣液傳質(zhì)速率和溶劑吸收速率.[4]體積傳質(zhì)系數(shù)的物理意義是在推動(dòng)力為一個(gè)單位的情況下，單位時(shí)間單位體積填料層內(nèi)所吸收溶質(zhì)的量，它是衡量填料塔性能高低的重要參數(shù)，可以直接用于設(shè)計(jì)填料塔設(shè)備，對(duì)研究化學(xué)過程有著重要意義.[9]本文主要研究填料轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、氣體流量、吸收液液體流量、吸收液的溫度，以及不同的胺液配比比例等因素對(duì)超重力機(jī)中氣液間體積傳質(zhì)系數(shù)的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

圖1為超重力脫碳裝置系統(tǒng).

本實(shí)驗(yàn)中的吸收藥品為乙醇胺.首先，將質(zhì)量流量計(jì)、氣體分析儀、電機(jī)、循環(huán)泵進(jìn)行開機(jī)預(yù)熱，同時(shí)使用高純氮對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)氣體管路進(jìn)行排空.然后，按照設(shè)計(jì)的參數(shù)，利用控制軟件控制3種氣體的體積流量，以達(dá)到所需的配比體積濃度及速率.打開氣體回路閥門，使混合氣體從超重力機(jī)的氣體入口進(jìn)入，此時(shí)循環(huán)泵應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，尚沒有吸收液進(jìn)入超重力機(jī).

在超重力機(jī)的出口處接好氣體分析儀并使測(cè)定的CO2濃度與設(shè)定的濃度相同后，啟動(dòng)電機(jī)并調(diào)至所需的轉(zhuǎn)速待反應(yīng)器轉(zhuǎn)速穩(wěn)定.打開循環(huán)泵，將吸收液送入超重力機(jī)中與氣體進(jìn)行吸收反應(yīng)，此時(shí)的時(shí)間記為零時(shí)刻，實(shí)驗(yàn)開始，建立記錄煙氣分析儀的數(shù)據(jù)并加以保存.

圖1 超重力脫碳裝置系統(tǒng)示意

2 模型建立

2.1 模型假設(shè)

在超重力場(chǎng)中，由于旋轉(zhuǎn)床的離心轉(zhuǎn)動(dòng)使得氣液受到的力遠(yuǎn)大于自身重力，這使氣液在運(yùn)動(dòng)的過程中具有較高的速度，在填料內(nèi)的停留時(shí)間也變的很短，基本無返混現(xiàn)象的產(chǎn)生，因此在推導(dǎo)的過程中可作出如下假設(shè):[10]

(1)氣相在運(yùn)動(dòng)的過程中為平推流的形式;

(2)液相在軸向和徑向的方向上沒有返混;

(3)氣體沿著徑向和軸向的壓力一致;

(4)在填料內(nèi)分別取G，L，KL為常數(shù);

(5)不考慮端效應(yīng)的影響.

2.2 計(jì)算推導(dǎo)

填料床是連續(xù)接觸式設(shè)備，氣液濃度沿著徑向和軸向不斷變化，導(dǎo)致傳質(zhì)推動(dòng)力也沿著徑向和軸向不斷變化，即在填料層的不同截面上傳質(zhì)推動(dòng)力也不同.因此，在橫向和縱向以填料層的微分厚度分別進(jìn)行計(jì)算.圖2為填料層微元物料衡算圖.

圖2 填料層微元物料衡算示意

設(shè)r1為填料內(nèi)半徑，r2為填料外徑，dr為填料的徑向微元的厚度，H為整個(gè)填料層的軸向厚度，x為液相進(jìn)出微元填料的摩爾分?jǐn)?shù)，y是氣相進(jìn)出微元填料的摩爾分?jǐn)?shù)，G為氣相的傳質(zhì)流速，L為液相的傳質(zhì)流速.

根據(jù)圖2所示填料層微元圓環(huán)內(nèi)溶質(zhì)傳質(zhì)速率和質(zhì)量平衡方程，本實(shí)驗(yàn)主要采用的計(jì)算體積傳質(zhì)系數(shù)的設(shè)計(jì)方程如下.[11-15]

質(zhì)量守恒方程為:

氣相中減少的二氧化碳量=反應(yīng)后液相中增加的甲酸根離子量

氣液間傳質(zhì)量=Nco2×a2πrdHdr

根據(jù)物料衡算平衡方程可得:

將式(2)代入式(1)中化簡(jiǎn)并積分得到:

在旋轉(zhuǎn)床內(nèi)，KGa是關(guān)于填料層高度H的函數(shù)，對(duì)式(3)右側(cè)進(jìn)行積分整理可得:

設(shè)定:HO為傳質(zhì)單元高度，NO為傳質(zhì)單元數(shù)，其表達(dá)式分別為:

對(duì)式(6)積分可得:

由于進(jìn)口液相中不含CO2，因此

由CO2與胺溶液的傳質(zhì)過程可知，反應(yīng)主要在液膜內(nèi)完成.為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可以將出口處的液相主體中的CO2含量視為零，即:

將式(8)、式(9)代入式(7)中可得:

由式(4)、式(5)及式(10)可得:

3 結(jié)果與討論

3.1 超重力機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

實(shí)驗(yàn)研究了超重力機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)的影響.實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的電機(jī)頻率為10～50 Hz，即轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)為300～1 500 r/min.

實(shí)驗(yàn)中采用的電機(jī)功率與超重力機(jī)的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速如表1所示.

表1 電機(jī)頻率與轉(zhuǎn)速對(duì)照

假定溫度為常溫，壓力為常壓，液體流量為10 L/h，氣體流量為2 m3/h，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后所得結(jié)果如圖3所示.

圖3 超重力機(jī)頻率對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

從圖3可以看出，在本實(shí)驗(yàn)條件下，超重力機(jī)中氣液反應(yīng)的體積傳質(zhì)系數(shù)隨著電機(jī)頻率的增加也呈不斷增加的趨勢(shì)，即體積傳質(zhì)系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增加而不斷變大.在電機(jī)頻率為10～35 Hz的情況下，傳質(zhì)系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的增大比較明顯，這是由于超重力機(jī)中的轉(zhuǎn)子在電機(jī)頻率增大的情況下，轉(zhuǎn)速相應(yīng)地增大，從而使得物料在旋轉(zhuǎn)填料床中獲得更大的加速度，進(jìn)而使物料在填料床運(yùn)動(dòng)的過程中湍流程度加強(qiáng)，氣液間的混合程度得以加強(qiáng)，氣液相間面積擴(kuò)大，CO2的脫除率得到提升.

但當(dāng)電機(jī)頻率超過40 Hz，即轉(zhuǎn)速大于1 200 r/min的情況下，傳質(zhì)系數(shù)總體變化比較平緩.這是由于轉(zhuǎn)速的提高、速度的提升使得物料在填料床中反應(yīng)的時(shí)間減少，從化學(xué)反應(yīng)效果考慮，反應(yīng)時(shí)間的減少將不利于反應(yīng)的正向進(jìn)行，轉(zhuǎn)速過快也會(huì)對(duì)反應(yīng)造成不利影響，而轉(zhuǎn)速的提升也意味著電機(jī)消耗的電耗也在不斷地增加，所以在實(shí)際過程中超重力機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定應(yīng)進(jìn)行綜合考慮.

3.2 液體流量對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

實(shí)驗(yàn)研究了液體流量對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)的影響.設(shè)溫度為常溫，壓力為常壓，液體流量為5～30 L/h，氣體流量為2 m3/h，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后所得結(jié)果如圖4所示.

圖4 液體流量對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

由圖4可知，在本實(shí)驗(yàn)條件下，體積傳質(zhì)系數(shù)隨著液體流量的增加而不斷變大，并且增加的幅度較大.這是因?yàn)橐后w流量的增加會(huì)使得相同條件下的液膜厚度與液膜的流速相應(yīng)增加，填料中的液體充滿程度相應(yīng)增加，填料間隙以及外腔中的液體也隨之增加，從而使得填料中的有效比表面積增大，體積傳質(zhì)系數(shù)增大.

3.3 氣體流量變化對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

實(shí)驗(yàn)設(shè)定條件如下:溫度為常溫，壓力為常壓，液體流量為10 L/h，氣體流量分別為1 m3/h，1.2 m3/h，1.4 m3/h，1.6 m3/h，1.8 m3/h，2 m3/h.將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后所得結(jié)果如圖5所示.

由圖5可知，在本實(shí)驗(yàn)條件下，超重力機(jī)中氣液間的體積傳質(zhì)系數(shù)隨著氣體流量的增加而逐漸減小.從化學(xué)反應(yīng)影響因素的角度考慮，增加反應(yīng)物濃度有利于反應(yīng)向正向進(jìn)行，但是在液體流量和轉(zhuǎn)速不變的情況下，填料上液膜的厚度及液膜的更新速度也會(huì)保持一定值不變，氣體流量的增加雖然會(huì)使氣體的速度增加，降低了氣相傳質(zhì)阻力，但氣體速度的增加也使氣液間的接觸時(shí)間減小，從而直接影響了氣液間的傳質(zhì)，直接導(dǎo)致傳質(zhì)系數(shù)降低.在本實(shí)驗(yàn)條件下，傳質(zhì)阻力和接觸時(shí)間兩種因素的共同作用中，氣液接觸時(shí)間占主導(dǎo)地位.

圖5 氣體流量變化對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

3.4 溫度變化對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

實(shí)驗(yàn)設(shè)定條件如下:溫度為20～60℃，壓力為常壓，液體流量為10 L/h，氣體流量為2 m3/h，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后所得結(jié)果如圖6所示.

圖6 溫度變化對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

由圖6可知，在本實(shí)驗(yàn)條件下，超重力機(jī)中氣液間的體積傳質(zhì)系數(shù)隨著吸收液溫度的增大而呈逐漸增大的趨勢(shì).根據(jù)分子擴(kuò)散理論，吸收液溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)程度加強(qiáng)，胺分子與CO2分子發(fā)生碰撞反應(yīng)的概率增大，使得反應(yīng)程度加強(qiáng)，反應(yīng)速率加快.但CO2的溶解度會(huì)受到吸收液溫度的影響而降低，表現(xiàn)為不利于反應(yīng)的進(jìn)行.因此，本實(shí)驗(yàn)中，在反應(yīng)速率增大及溶解度降低的共同作用下，溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響占主導(dǎo)地位，故超重力機(jī)中體積傳質(zhì)系數(shù)隨溫度的升高而呈增加的趨勢(shì).

4 結(jié)語

(1)在填料轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為300～1 200 r/min的情況下，氣液間的體積傳質(zhì)系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增加而不斷增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過1 200 r/min時(shí)，體積傳質(zhì)系數(shù)的增加量比較平緩，所以在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)及工藝條件等因素來選擇超重力機(jī)的轉(zhuǎn)速;

(2)在氣體流量為1～2 m3/h的范圍內(nèi)，氣液間的體積傳質(zhì)系數(shù)隨著氣體量的增加而減小，并且在氣體量增加和接觸時(shí)間兩者對(duì)傳質(zhì)系數(shù)的共同作用中，氣液間接觸時(shí)間為主要因素;

(3)氣液間的體積傳質(zhì)系數(shù)隨著吸收液液體流量的增加而不斷增大，增加程度比較明顯;

(4)在吸收液溫度為20～60℃內(nèi)，氣液間的體積傳質(zhì)系數(shù)隨著溫度的升高而顯著增加.

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