超重力法清除潛艇艙室CO2實驗

張龍龍，宋光濤，周 旭，龔峻松

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所，河北邯鄲056027)

超重力法清除潛艇艙室CO2實驗

張龍龍，宋光濤，周 旭，龔峻松

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所，河北邯鄲056027)

采用旋轉(zhuǎn)填料床作為吸收裝置,醇胺溶液作為吸收液,進(jìn)行超重力法清除潛艇艙室CO2的實驗,分析吸收液種類、填料、吸收液濃度、吸收液溫度、吸收液流量等因素對CO2清除率的影響。結(jié)果表明,采用泡沫金屬填料和MEA溶液可以獲得最高的清除率;在相同的操作條件下,清除率隨著吸收液濃度的增加逐漸增加,但當(dāng)吸收液濃度增至一定值時,CO2的清除率趨于穩(wěn)定;清除率隨吸收液溫度或流量的提高均呈先增加后減小趨勢。

超重力;旋轉(zhuǎn)填料床;艙室,CO2清除

CO2清除裝置是潛艇艙室大氣環(huán)境控制和生命維持系統(tǒng)的重要組成部分,其作用是源源不斷地清除由艇員呼吸、機械設(shè)備運行、材料氧化等產(chǎn)生的CO2［1］,從而將潛艇艙室的CO2濃度控制在0.5%以下［2］,不影響艇員的身體健康乃至生命安全。目前,核潛艇CO2吸收裝置采用一乙醇胺(MEA)水溶液作為吸收劑,采用傳統(tǒng)填料塔作為CO2吸收段。但是以傳統(tǒng)填料塔作為艇用CO2吸收裝置存在吸收段吸收效率低和體積大的缺點。所謂超重力是指在比重力加速度大得多的環(huán)境下物質(zhì)所受的力,超重力技術(shù)是一種突破性強化三傳一反過程的新技術(shù),在工業(yè)上往往可以將高達(dá)幾十米的填料塔設(shè)備用高不及2 m的超重力旋轉(zhuǎn)床代替。因此,考慮將前沿的強化傳遞過程技術(shù)—超重力技術(shù)引入潛艇CO2吸收裝置,研究適合于低濃度CO2(濃度低于0.5%)清除的超重力旋轉(zhuǎn)床。目前,國內(nèi)外采用超重力法清除CO2的研究大多集中在中高濃度(10%～30%)范圍內(nèi)［3-5］,而利用超重力旋轉(zhuǎn)床清除艙室低濃度CO2還鮮見報道。為此,采用自行研制的旋轉(zhuǎn)填料床,設(shè)計超重力法清除艙室CO2實驗流程,以分析填料種類、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、吸收液濃度、吸收液溫度及液體流量等對CO2清除效率的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

自行設(shè)計加工超重力旋轉(zhuǎn)填料床,為逆流型,采用鼠籠型轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子外徑為159 mm,軸向厚度54 mm,填料分別采用:板式填料、絲網(wǎng)填料及泡沫金屬填料。其中板式填料為環(huán)形不銹鋼薄片軸向疊加制成,薄片厚0.3 mm,上有小孔,壓制后截面呈波紋狀;絲網(wǎng)填料采用絲徑0.3 mm不銹鋼RS絲網(wǎng)卷制成環(huán)形;泡沫金屬填料采用15PPI的泡沫不銹鋼,加工成環(huán)形板狀。旋轉(zhuǎn)床采用變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,液體流量和氣體流量采用轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié),采用流量控制器調(diào)節(jié)進(jìn)氣CO2濃度。實驗流程見圖1。

圖1 實驗流程示意

1.2 實驗方法

來自離心風(fēng)機的空氣與來自鋼瓶的CO2混合均勻后經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計進(jìn)入旋轉(zhuǎn)床,由轉(zhuǎn)子外環(huán)沿徑向通過填料層,從旋轉(zhuǎn)床中央排出;吸收液由泵輸送,經(jīng)過流量計后從旋轉(zhuǎn)床中央進(jìn)入,通過液體分布器噴淋到填料表面,并沿徑向由內(nèi)環(huán)向外環(huán)流動,在填料層中與氣體逆向接觸后由旋轉(zhuǎn)床底部排出,氣體的進(jìn)出口分別采用CO2紅外分析儀測定CO2濃度。

1.3 實驗數(shù)據(jù)處理

采用CO2清除率χ作為實驗評價指標(biāo)。

式中:cin,cout——旋轉(zhuǎn)床進(jìn)、出口CO2濃度。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 吸收液種類對CO2清除率的影響

采用絲網(wǎng)填料,在液體流量150 L/h、氣體流量15m3/h、醇胺溶液濃度為3 mol/L、溫度10℃的條件下,考察不同醇胺溶液對CO2消除率的影響,實驗結(jié)果見圖2。

圖2 醇胺溶液種類對清除效率的影響

由圖2可見,MEA與DEA吸收CO2的消除率要大于MDEA、AMP的消除率,這是由于在超重力旋轉(zhuǎn)床中,吸收液的停留時間很短,從而與CO2的接觸時間較短,因而在旋轉(zhuǎn)床中只有反應(yīng)速度快的物系才能得到較大的體積傳質(zhì)系數(shù)和脫除率。由于MEA為伯胺,DEA為仲胺,而伯胺與仲胺的相同之處在于氮原子上有氫質(zhì)子,他們與CO2反應(yīng)時會先生成一種兩性離子作為中間產(chǎn)物,這種兩性離子是不穩(wěn)定的,接著溶液中的堿性物質(zhì)會將這種兩性離子去質(zhì)子化,形成穩(wěn)定氨基甲酸鹽離子。這個過程是很快的,因而MEA、DEA與CO2的反應(yīng)速率很快,具有較大的消除率;而MDEA為叔胺,氮原子上無氫質(zhì)子,因而無法形成兩性離子,也就無法生成穩(wěn)定的氨基甲酸鹽離子,而是生成亞穩(wěn)態(tài)的碳酸氫鹽。這個過程就類似于CO2的物理溶解過程,因而反應(yīng)速度較慢,消除率較小。AMP自身有仲胺基團(tuán),對CO2的吸收速度明顯優(yōu)于叔胺,但實際上仍比較慢。這是因為AMP本身屬于伯胺,在水溶液中具有較強的堿性,由于與氨基相連的C原子上連有兩個甲基,使得其在與CO2反應(yīng)時不能直接生成穩(wěn)定的氨基甲酸鹽,因此影響了AMP與CO2的反應(yīng)速度,使其不具有傳統(tǒng)意義上的伯胺的吸收速率,吸收較低濃度的CO2時需要在里面添加活化劑,因而AMP的CO2消除率要小于MEA與DEA。

2.2 填料類型對CO2消除率的影響

采用MEA溶液,在液體流量150 L/h、氣體流量15 m3/h、醇胺溶液的濃度為3 mol/L、溫度10℃的條件下,考察不同填料對CO2消除率的影響,實驗結(jié)果見圖3。

圖3 填料類型對清除效率的影響

由圖3可見,CO2消除率大小排序為:泡沫金屬、絲網(wǎng)、板式填料。板式填料的CO2消除率最小,這是由于其比表面積較小;對于泡沫金屬和不銹鋼絲網(wǎng),二者本身的比表面積相差不大,泡沫金屬填料對CO2的吸收效果卻優(yōu)于不銹鋼絲網(wǎng)填料,這應(yīng)該是由于在旋轉(zhuǎn)床中,液體以液膜、液絲及液滴形式流動,這些細(xì)小液絲及液滴具有很大的比表面積,可以顯著促進(jìn)CO2的吸收。由于不銹鋼絲網(wǎng)填料為絲網(wǎng)卷制而成,編織平整,其內(nèi)部的液體通道也比較規(guī)整,從而液體在通過填料層時形成的液絲和液滴就比較少;而泡沫金屬填料為燒制成型,其內(nèi)部的液體通道為三維骨架結(jié)構(gòu),使得液體在通過填料層時形成大量的液絲和液滴,從而獲得了更大的比表面積,提高了CO2的消除效果。

2.3 吸收液濃度對CO2消除率的影響

采用泡沫金屬作為填料,吸收效果較好的MEA溶液和DEA溶液作為吸收液,在液體流量150 L/h、氣體流量15 m3/h、轉(zhuǎn)速1 200 r/min、溫度10℃的條件下考察吸收液濃度對CO2消除率的影響,實驗結(jié)果見圖4。

圖4 吸收液濃度對清除效率的影響

由圖4可見,CO2消除率隨吸收液濃度的提高而增大。這是由于MEA的濃度越高,溶液的堿性就越強,MEA與CO2反應(yīng)生成的兩性離子的去質(zhì)子化速度越快,越容易生成穩(wěn)定的氨基甲酸鹽離子,因此CO2消除率就增大。從實驗結(jié)果還可以看出,胺濃度增大至5 mol/L時,對CO2的消除率提高幫助不大,而高濃度的胺溶液會加重對設(shè)備的腐蝕。因此,總胺濃度選擇3～5 mol/L為宜。

2.4 吸收液溫度對CO2消除率的影響

采用泡沫金屬填料和MEA溶液考察溫度對CO2消除率的影響。氣體流量15 m3/h、液體流量150 L/h、轉(zhuǎn)速1 200 r/min,實驗結(jié)果見圖5。

圖5 吸收液溫度對清除效率的影響

由圖5可見,在考察的溫度范圍內(nèi),CO2消除率隨溫度的升高均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。根據(jù)擴散理論,溫度升高分子運動加劇,使得CO2分子與胺分子獲得更多的接觸機會,另外根據(jù)Arrhenius公式,反應(yīng)速率常數(shù)也隨溫度的升高而增加,加速了化學(xué)吸收過程;但是,由Henry定律,溫度升高會使CO2的溶解度減低,這對吸收不利。所以,在實驗溫度較低時,升高溫度,起主導(dǎo)作用是促進(jìn)化學(xué)吸收因素,因而CO2消除率隨溫度的升高而逐漸增大;當(dāng)溫度升高到一定值時,對吸收不利因素起主導(dǎo)作用,CO2消除率開始降低。因此,吸收液溫度應(yīng)控制在35～45℃為宜。

2.5 吸收液流量對CO2清除率的影響

考察溶液流量對CO2清除率影響,采用MEA溶液和泡沫金屬填料,氣體流量為15 m3/h、溫度為10℃、轉(zhuǎn)速1 200 r/min,實驗結(jié)果見圖6。

圖6 吸收液流量對清除效率的影響

由圖6可見,在考察的流量范圍內(nèi),隨著溶液流量的增加,CO2清除率緩慢增加后略有減小,這應(yīng)該是因為液量增大會引起填料層中液滴流速、液膜更新速度及填料潤濕程度增大,填料間隙以及外腔內(nèi)的液滴、液絲增多,提高了氣液接觸面積;另外液量增加,使得液體的湍流程度增加,從而減小了液相的傳質(zhì)阻力。但液量增加同時也減少了氣液的接觸時間,不利于吸收,從實驗結(jié)果看,在溶液流量較小時,應(yīng)該是降低傳質(zhì)阻力起主導(dǎo)作用,隨著流量的逐漸增大,減小氣液接觸時間開始逐漸占據(jù)主導(dǎo)作用。

3 結(jié)論

1)利用超重力旋轉(zhuǎn)填料床清除艙室低濃度CO2(≤0.5%)是可行的,可以得到較高(≥80%)的清除效率,為進(jìn)一步將超重力技術(shù)應(yīng)用于艇用裝備提供了數(shù)據(jù)支撐。

2)填料類型和吸收液種類對清除率均有較大的影響,采用泡沫金屬填料和MEA溶液可以獲得最高的清除率。

3)吸收液濃度、吸收液溫度或流量對CO2的清除率的影響趨勢與采用超重力法清除中高濃度CO2的趨勢相似,因此,在研制艇用超重力設(shè)備時可考慮借鑒超重力設(shè)備。

4)由于實驗采用的旋轉(zhuǎn)填料床處理量較小,某些因素的影響沒有體現(xiàn),在設(shè)計加工大處理量的旋轉(zhuǎn)床時應(yīng)進(jìn)一步考察各因素的影響。

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Experimental Study on CO2Removal from Submarine's Cabin with High Gravity Technology

ZHANG Long-long,SONG Guang-tao,ZHOU Xu,GONG Jun-song
(The 718th Research Institute of CSIC,Handan Hebei056027,China)

Removalmethod of CO2 from submarine's cabin with high gravity technology is studied,using the rotating packed bed as absorbing equipment.The influences of operation conditions,including in kind of the packed or absorbent,absorbent concentration,liquid flux,absorbent temperature on removal efficiency are investigated.The results showed that using the foamy metal packing and MEA solution can reach the highest removal efficiency.The CO2removal efficiency increases with the rise of the absorbent concentration,and then stabilizeswhen the absorbent concentration reach a certain value.With the increase of absorbent temperature or flow rate,the removal efficiency appears to have a decline trend after an initial ascent.

high gravity;rotating packed bed;cabin;CO2removal

U674.76;TQ028.8

A

1671-7953(2015)03-0045-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.011

2014-11-24

修回日期:2014-12-22

張龍龍(1985-),男,碩士,工程師

研究方向:潛艇大氣環(huán)境控制

E-m ail:zhanglonglong718@126.com