NaOH-CO2體系下并流立體旋流篩板塔傳質性能

張玉榮，唐猛，劉燕，王德武，王璐莎，張少峰

（1 河北工業(yè)大學化工學院，天津 300130；2 河北工業(yè)大學機械學院，天津 300130；3 天津市普林思瑞科技發(fā)展有限公司，天津 300130）

二氧化碳（CO2）是大氣中的主要溫室氣體，其減排問題一直備受科研工作者們的關注[1]，我國作為CO2排放大國之一，大力發(fā)展CO2捕集技術有著重要的現實意義和戰(zhàn)略作用[2-3]。目前，CO2捕集技術主要有冷凝法、吸附法[4-5]、膜分離法[6-7]和吸收法，其中吸收法的技術最成熟。根據吸收溶劑性質的不同，吸收法又分為物理吸收[8-9]和化學吸收[10-11]，物理吸收通常選擇甲醇等對CO2溶解度較大的溶液作為吸收劑，其對CO2分壓較敏感，不適于低濃度CO2的吸收；而化學吸收常用氨水、MEA、NaOH等堿性溶液，吸收效率高，在工業(yè)中應用更多。

塔設備是吸收單元操作的主要設備之一。體積傳質系數是塔設備設計的重要參數，能夠反映塔內件的傳質性能，國內外學者對CO2吸收塔的傳質系數進行了諸多研究。曾慶、唐忠利等[12-14]研究了填料塔中氨水吸收CO2的傳質規(guī)律，發(fā)現氣相體積總傳質系數KGae隨氣體流量和氨水濃度的增加而增大，傳質過程主要受液膜阻力的控制；Tsai、Yang等[15-16]在NaOH-CO2體系下對比了不同結構的金屬波紋填料的傳質性能，并擬合了有效傳質面積Ae的經驗關聯式；Liu 等[17]通過數值模擬研究了裝填不同孔隙率的鮑爾環(huán)時氨水吸收CO2的過程，得到了傳質性能與填料孔隙率服從正態(tài)分布的結論；張信等[18]通過研究發(fā)現，在甲醇脫碳塔中分段安裝MVG固閥塔板和BDH 條形浮閥塔板，能夠在保證脫碳效率的前提下降低能耗。Tan 等[19]從CO2吸收的影響因素方面進行了綜述，認為操作參數和塔內件類型均對CO2的吸收產生影響，還提出研發(fā)新型塔內件、增加氣液接觸面積并延長氣液接觸時間，能夠有效提升CO2吸收效率。與填料塔相比，傳統(tǒng)板式塔的綜合性能并不突出，開發(fā)立體結構成為近年來塔板的優(yōu)化方向[20-21]。此外，傳統(tǒng)塔設備多為逆流模式，液泛現象在一定程度上限制其處理量和傳質效率，而并流模式具有大通量、低壓降的優(yōu)勢，在化學吸收等相平衡常數較小的過程中有較高的傳質能力[22-23]，適合于化學法CO2捕集、煙氣脫硫等場合。

立體旋流篩板（tridimensional rotational flow sieve tray，TRST）是河北工業(yè)大學張少峰課題組提出的一種立體結構塔內件的新構型。其融合篩板和旋流板的結構特性，通過旋流和穿孔流的耦合作用強化傳質，在獲得較大流通面積的同時還能保證較低的壓降和較強的抗堵性能，將其與氣液并流模式有機結合，還兼具大通量和防液泛等優(yōu)勢。唐猛和王麗瑤等[24-25]對比考察了氣液并流和逆流兩種模式下TRST 的壓降、流型和液泛情況，發(fā)現TRST壓降更低、操作范圍更寬、無液泛產生，且擁有更適合氣液傳質的流型，更適用于并流模式。唐猛和劉琛等[26-28]利用CFD 技術研究了TRST 內單氣相和氣液兩相的流場結構，通過對篩孔位置流體速度矢量的判別，揭示了TRST 內氣液旋流轉變機制。Wang等[29]對簡化的立體旋流篩板單元進行了研究，準確測定了旋流和穿孔流體的比例，并提出旋流比預測模型。在傳質方面，荊瑞靜等[30]研究了TRST的海水脫硫效率，發(fā)現隨液氣比增加，脫硫率有先升后降的趨勢，同時塔板組合方式也會影響脫硫效率，但實驗的安裝塔板數較少（僅為兩塊），并且未對傳質系數規(guī)律進行深入研究。

本文作者課題組前期對TRST 流體力學性能進行了較系統(tǒng)的研究，但傳質方面研究較少。為此，本文通過實驗對氣液并流模式下立體旋流篩板塔中NaOH 溶液吸收CO2的氣相總體積傳質系數進行研究，考察塔板安裝數量及方式、氣液通量、NaOH和CO2濃度等參數的影響規(guī)律，提出塔板段總體積傳質系數的計算方法和經驗模型。研究結果可為后續(xù)TRST 的結構優(yōu)化、操作調控以及工程設計提供理論依據和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

立體旋流篩板結構如圖1(a)所示，采用立體鏤空式設計，不設降液管，主要由若干扭轉的旋流篩板以及起固定作用的內、外筒組成，中心內筒不封閉，截面積約占塔板橫截面積的1.6%，能起到一定的節(jié)流降壓作用。旋流篩板沿周向分布，表面均勻排布篩孔，如圖1(b)所示，同一篩板的上、下邊沿扭轉角度為α，相鄰篩板間夾角為β，與篩板數量（m）的關系為β=360°/m。由于旋流篩板具有順時針和逆時針兩種旋向，因此當塔內安裝多個TRST時，定義相鄰TRST篩板旋向相同時為順向安裝，相反時為逆向安裝。本實驗中所用到的TRST由3D 打印制作，樹脂材質，具體結構參數見表1。

圖1 立體旋流篩板結構示意圖

表1 立體旋流篩板結構參數

本研究在冷模氣液并流吸收塔實驗平臺上進行，以NaOH 溶液和CO2模擬煙氣作為實驗物系，主要裝置及流程如圖2所示。并流吸收塔采用透明有機玻璃制作，塔徑φ50mm×5mm，塔內共可安裝8 塊TRST（圖示為5 塊）。因為并流操作時只存在一個理論平衡級，所以需要設置一定的板間距離來提供足夠的傳質推動力。板間距過大，易導致塔體過高，增加設備成本；過小會使氣液流動不易充分發(fā)展。因此，在充分考慮流體流動狀態(tài)和參考前期流體力學研究所用并流塔設計的基礎上，本研究中TRST 的板間距為100mm。塔底設置循環(huán)水箱，里面貯存的NaOH 溶液通過離心泵從塔頂打入吸收塔，經液體分布器后通過塔內TRST 流入水箱，構成液相循環(huán)。鋼瓶中的CO2氣體與空氣在緩沖罐中混合后由風機鼓入塔頂，自上而下通過TRST 后，由塔體下方氣相出口流出，此過程中氣液兩相構成并流模式。氣液通量和CO2進氣濃度分別由渦街流量計、電磁流量計和玻璃轉子流量計測定。在各TRST 的上、下端設置CO2氣體采樣口，濃度由MGA5型紅外煙氣分析儀實時測定。實驗中所考察的操作變量見表2。

表2 操作條件參數

1.2 數據處理與分析

對于吸收操作，常采用全塔氣相總體積傳質系數（KGae）來衡量塔設備的傳質性能。依據雙膜理論和物料守恒，可推導出塔設備的傳質微分方程如式(1)。

在化學吸收過程中，由于CO2與吸收劑發(fā)生快速反應，因此液相組分中CO2分壓近似為0，即y*≈0。對式(1)在全塔范圍內積分，可得到KGae的表達式如式(2)。

因為式(2)中默認各單元高度傳質能力相同，因此更適合于填料等連續(xù)式塔內件。而對于塔板等非連續(xù)式塔內件，塔內空間存在塔板段和空塔段，雖然塔板段為主要傳質區(qū)域，但空塔段也存在一定的傳質能力，不應忽略，因此直接沿用式(2)并不能準確反映出塔板的實際傳質能力。為此，本研究除了測量安裝塔板時的傳質數據，還進行了一組空塔傳質數據的測量，然后通過式(3)對塔板段的KGae進行換算。

為了多方面衡量并流立體旋流篩板塔的傳質性能，本文還采用全塔吸收率（η）作為輔助考察指標，如式(4)所示。

此外，為便于與相近領域研究進行比較，采用表觀氣相動能因子（Fs）和噴淋密度（Lw）分別對氣、液通量進行表征，相應的換算公式見式(5)、式(6)。

2 結果與討論

2.1 出口CO2濃度隨采樣時間的變化規(guī)律

圖3 為出口CO2濃度隨采樣時間的變化規(guī)律，可以看出，在設備開啟后，出口處CO2濃度在前3min 內會大幅下降，這是因為煙氣分析儀需要一定的響應時間，此過程約3min。隨著采樣時間的延長，出口CO2濃度趨于平穩(wěn)，說明塔內吸收過程和煙氣分析儀均達到穩(wěn)定狀態(tài)。如圖3所示，在進氣CO2體積分數為4%、噴淋密度分別為80m3/(m2·h)、160m3/(m2·h)的條件下（其他操作條件如圖），出口體積分數分別穩(wěn)定在0.8%和0.3%，并且在實驗所采集的30min內一直保持平穩(wěn)。根據此規(guī)律，選取5～10min 范圍（每分鐘采集一個數據）出口CO2濃度的平均值用于后續(xù)計算。

圖3 出口CO2濃度隨采樣時間的變化

2.2 塔板安裝數量及方式對CO2吸收率和總體積傳質系數的影響

圖4匯總了不同的塔板安裝數量和不同方式下全塔的CO2吸收率，可以明顯看出，全塔吸收率隨著塔板數量的增加而增大，相較于空塔（即塔板數量為0），安裝2 塊塔板后吸收率有較大提升，這是由于TRST 的旋-穿耦合作用強化了氣液兩相的混合狀態(tài)，氣液兩相混合得更加均勻、接觸更為充分。在Lw=80m3/(m2·h)的條件下，塔板安裝數量在2～6塊范圍內時，吸收率呈線性增長；繼續(xù)增加塔板數量至8塊時，吸收率增幅有所降低。這主要是因為并流操作中隨高度的增加，傳質推動力會逐漸減弱，在安裝2～6 塊塔板時，溶液中NaOH溶質含量相對充足，能夠使吸收過程中傳質推動力維持在較高水平；增加塔板安裝數量至6～8 塊時，隨著吸收的進行，NaOH含量下降，不足以補充不斷下降的傳質推動力，故吸收率增幅放緩。在Lw為240m3/(m2·h)、400m3/(m2·h)時，吸收率隨塔板數量的增加始終保持增長趨勢，說明液量較大時溶液中NaOH 含量充足，在實驗所考察的8 塊塔板安裝情況下，均能保持對CO2較為充分的吸收。

圖4 塔板安裝數量及方式對全塔CO2吸收率的影響

由圖4還可以看出，塔板逆向安裝時的吸收率要大于順向安裝，其主要原因在于，氣液兩相在進入塔板后，由于旋流篩板的導流作用，氣液會逐漸轉變?yōu)橥Y板旋向的旋流，當旋流氣液進入下一塊旋向相同的塔板時（即順向安裝），旋流篩板的導流作用降低，此時氣液更多的是維持旋流狀態(tài)，穿孔流動相對較少，因此氣液兩相的湍流程度相對較低、傳質能力較弱。而當塔板逆向安裝時，由于氣液的旋流方向與篩板旋向相反，氣液在進入塔板后會直面撞擊篩板表面，撞擊作用使得氣液兩相被更好地分散、混合。與此同時，此過程中還伴隨著更多的氣液穿孔流動，篩板的旋-穿耦合作用也得到了顯著增強，進而促使氣液的混合與接觸更加充分，傳質能力明顯提升。

通過對實驗數據分析可知，在Lw較大[240m3/(m2·h)、400m3/(m2·h)]時，塔板采用逆向安裝較順向安裝時吸收率的提升幅度相對穩(wěn)定，不隨著塔板數量的增加產生明顯變化；Lw較小[80m3/(m2·h)]時，吸收率的提升幅度隨塔板數量的增加呈先增后減趨勢，因為低液量下液相分散相對不均勻，增加逆向安裝的塔板數量能夠促進液體更好地分散。但是隨著吸收過程的進行，NaOH消耗，傳質推動力下降，多塔板的增強作用逐漸削弱，導致吸收率提升幅度降低。整體上，塔板的逆向安裝較順向安裝時吸收率提高約9.8%，在圖4所考察的操作條件下，吸收率最高達到89.7%。將各項操作條件均調整至最優(yōu)參數，即Fs=0.24kg0.5/(m0.5·s)，Lw=320m3/(m2·h)，φCO2=6%，cNaOH=1.5mol/L，逆向安裝8 塊TRST，吸收率最高達到95.6%，可見TRST 在吸收領域具有較好的應用潛力。

圖5(a)和圖5(b)分別匯總了不同塔板安裝數量及不同安裝方式下的全塔和塔板段的總體積傳質系數。由圖5(a)可以看出，KGae的整體變化趨勢與吸收率相近，均隨塔板數量增加而增大，塔板逆向安裝時KGae較高，主要差別在于Lw分別為240m3/(m2·h)、400m3/(m2·h)時，KGae隨塔板數量的增加呈指數增長。其原因在于KGae反映了傳質速率、傳質推動力與有效傳質面積三者間的關聯，增加塔板數與改變塔板安裝方式能夠有效促進氣液混合程度，直接表現即有效傳質面積會大幅提高，而傳質速率與傳質推動力在吸收劑充足的條件下得以保持，故KGae的增幅較大。通過圖5(b)可以看出，(KGae)t明顯大于KGae，變化趨勢也有一定差異，這是因為塔板段的傳質能力強于空塔段，所以在消除空塔段的影響后，(KGae)t的數值會大幅提高，但在Lw較小時，由于塔板內持液量較低，氣液混合程度較差，因此塔板段傳質能力較空塔段的優(yōu)勢較小，消除空塔段影響后，(KGae)t隨塔板數量增加的增幅降低，并且NaOH在吸收塔上半段被較多消耗，導致塔的下半段的傳質能力下滑較大，故(KGae)t在安裝6～8 塊塔板時出現小幅下降。

圖5 塔板安裝數量及方式對KGae和(KGae)t的影響

因為(KGae)t能夠直接反映TRST的傳質性能，所以后續(xù)對Fs、Lw、φCO2和cNaOH等操作條件的考察均采用(KGae)t作為表征參數。同時，吸收塔采用逆向安裝8塊塔板的方式，傳質效果相對較好，實驗數據相對穩(wěn)定、誤差較小。

2.3 氣相動能因子和噴淋密度對總體積傳質系數的影響

圖6(a)和圖6(b)分別為不同氣液通量下(KGae)t及CO2濃度變化梯度的規(guī)律。由圖6(a)可知，(KGae)t隨氣相動能因子Fs的增加先增大后減小，隨噴淋密度Lw的增加逐漸增大，說明傳質過程同時受到氣膜和液膜的控制?？刂艶s一定，提高Lw時，塔板內持液量增加，流型逐漸由沿篩板表面的連續(xù)膜狀流轉變?yōu)槟軌虺涑馑鍍炔靠臻g的泡沫流和充分發(fā)展流，此兩種流型下塔板空間利用率得到大幅提升，強旋流伴隨著大量穿孔流，氣液湍動和混合程度顯著提高，液膜阻力降低。同時，Lw的增大也保證了吸收劑中NaOH充足，以供傳質過程持續(xù)進行，傳質速率及推動力也得以維持在較高水平，因而(KGae)t會隨之增大。控制Lw一定，提高Fs時，氣速和氣相中CO2總量都隨之增大。由式(2)可知，傳質系數與氣速呈正相關，與進出口的CO2濃度變化梯度呈負相關。這是因為氣速的提高增強氣相的初始動能，液相在氣相的沖擊下能夠更好地分散，一定程度上有效降低氣、液膜之間的阻力，從而提高傳質效率。然而，由于Lw一定，能接觸到的氣相有限，故持續(xù)增大Fs時必然有更多CO2無法有效地與吸收劑接觸傳質，進而使得CO2濃度變化梯度持續(xù)降低，如圖6(b)。在以上兩方面此消彼長的作用下，造成(KGae)t呈現出先增后減的趨勢，在圖6所示條件下，不同液量的(KGae)t均在Fs為0.72kg0.5/(m0.5·s)時達到峰值，最高可達12.18kmol/(m3·h·kPa)[Lw=400m3/(m2·h)]。

圖6 氣相動能因子和噴淋密度對(KGae)t和CO2濃度變化梯度的影響

2.4 CO2濃度對總體積傳質系數的影響

圖7 為(KGae)t隨CO2濃度變化的規(guī)律，可以看出，在Fs和NaOH 濃度一定時，不同Lw下的(KGae)t均隨著CO2濃度的增大而減小。因為提高CO2的濃度相當于增大了CO2的總體積量，而相同Lw下液相中NaOH 含量固定，所以其對CO2的吸收能力也相對恒定。在反應后期，CO2分壓降低，NaOH 含量減少，導致氣、液膜阻力增大，相界面間傳質推動力下降，CO2難以進入液相進行傳質，因此CO2濃度越大，越多的CO2無法被吸收，致使CO2濃度變化梯度降低，(KGae)t也隨之減小。

圖7 CO2濃度對(KGae)t的影響

2.5 NaOH濃度對總體積傳質系數的影響

圖8 匯總了不同NaOH 濃度下(KGae)t的變化規(guī)律，可以看出，隨著NaOH濃度的增大，不同Lw時(KGae)t的變化趨勢均是先增后減。在Lw較小[80～240m3/(m2·h)]時，NaOH 濃度的轉折點為2mol/L，而Lw較高[320～400m3/(m2·h)]時，NaOH濃度轉折點則前移至1.5mol/L。提高溶液中NaOH濃度，使液相主體與邊界層中OH-離子濃度增大，在一定范圍內增大了相界面?zhèn)髻|推動力，是促進化學反應進行的有利因素。但提高NaOH濃度也會導致溶液黏度增加，一方面會降低液相表面OH-離子的更新速率，阻礙CO2向溶液內擴散；另一方面又會導致反應過程產生的熱量難以散失，反應溫度升高，此兩點為傳質過程的不利因素。NaOH濃度增加所帶來的有利因素與不利因素的強弱轉變是(KGae)t發(fā)生先增后減變化的主要原因，在Lw較大時，溶液黏度增大造成的負面影響更強，因而NaOH濃度轉折點會相應前移。

圖8 NaOH濃度對(KGae)t的影響

2.6 塔板段總體積傳質系數經驗模型的建立

建立（KGae）t經驗模型有利于后續(xù)工程設計時對TRST 的傳質性能進行預測，通過上述研究結果可知，（KGae）t與塔板安裝數量n及安裝方式、氣相動能因子Fs、噴淋密度Lw、CO2濃度φCO2、NaOH濃度cNaOH等相關參數有關。由于TRST 在實際應用中更宜采用逆向安裝，故忽略塔板安裝方式影響，建立如式(7)關系式。

基于實驗數據，采用SPASS 軟件對式(7)進行非線性擬合，得到經驗模型如式(8)。

將實驗數據與模型計算值的對比匯總于圖9，可見二者吻合性較好，相關系數R2=0.942，相對誤差在20%以內，說明模型建立較準確。在本研究中，模型適用范圍為：n=2～8，Fs=0.24～1.20kg0.5/(m0.5·s)，Lw=80～400m3/(m2·h)，φCO2=2%～10%，cNaOH=0.5～2.5mol/L。

圖9 (KGae)t實驗值與計算值的對比

3 結論

本文以立體旋流篩板為核心傳質元件，研究了并流操作模式下吸收塔內NaOH 溶液吸收CO2的總體積傳質系數，考察了塔板安裝數量及方式、空塔氣相動能因子與噴淋密度、CO2和NaOH 濃度等參數的影響規(guī)律，得出以下主要結論。

（1）增加塔板數量和采用逆向安裝方式能夠有效增強氣液傳質能力，提高全塔吸收率和總體積傳質系數，二者最高分別可達89.7%和1.82kmol/(m3·h·kPa)。

（2）塔板段是傳質過程的主要區(qū)間，其總體積傳質系數大幅高于全塔區(qū)間。

（3）傳質過程受氣液通量、CO2和NaOH 濃度的影響顯著，總體積傳質系數隨空塔氣相動能因子和NaOH濃度的提高呈現先增大后減小趨勢，隨噴淋密度和CO2濃度的提高而減小。

（4）建立的經驗模型對塔板段總體積傳質系數具有較好的預測性，計算值與實驗數據的相對誤差小于20%。

符號說明

A—— 吸收塔內橫截面積，m2

cNaOH—— 液相中NaOH物質的量濃度，mol/L

Fs—— 表觀氣相動能因子，kg0.5/(m0.5·s)

G—— 進氣流量，m3/h

KGae—— 氣相總體積傳質系數，kmol/(m3·h·kPa)

(KGae)t—— 塔板段的氣相總體積傳質系數，

kmol/(m3·h·kPa)

(KGae)n—— 空塔段的氣相總體積傳質系數，

kmol/(m3·h·kPa)

L—— 進液流量，L/h

Lw—— 噴淋密度，m3/(m2·h)

m—— 塔板中篩板葉片的數量

n—— 塔板的安裝數量

R—— 理想氣體常數

T—— 溫度，K

uG—— 表觀空塔氣速，m/h

y,y*—— CO2在氣相中、相平衡時液相中的摩爾分數，%

yin,yout—— 進出口處氣相中CO2的摩爾分數，%

Z—— 有效傳質高度，m

Zt—— 塔板段的有效傳質高度，m

z—— 采樣位置，m

α—— 同一篩板上下邊沿扭轉角度，(°)

β—— 相鄰篩板間夾角，(°)

η—— CO2吸收率，%

ρG—— 氣相密度，kg/m3

φCO2—— 氣相中CO2體積分數，%

下角標

in—— 吸收塔進口處

out—— 吸收塔出口處