超重力旋转填充床脱除CO2体积传质系数的研究

刘 欢，李芳芹，张继发，姬海刚，张晓峰，刘继勇

(上海电力学院 能源与机械工程学院，上海 200090)

化石能源系统中CO2的大量排放被认为是造成全球气候变暖、温室效应加剧的主要原因.根据经济合作发展组织(OECD)和国际能源署(IEA)数据显示，现有电厂 CO2排放量约1.06×1010t，占全世界CO2总排放量的40.6%，其中燃煤电厂为 7.6 × 109t，占发电行业排放量的 72% .[1]因此，燃煤电厂高效利用煤炭资源的同时，采取有效措施来减少CO2量的排放显得尤为重要.

燃煤电厂CO2的捕集技术分为燃烧前捕集、燃烧中捕集和燃烧后捕集3种，其中燃烧后捕集应用于火电厂尾部烟气脱碳，捕集方法包括化学吸收法、物理吸收法、膜分离法、吸附法、低温分离法等.[2]

目前，普遍认为燃烧后捕集在火电厂碳捕集中最为切实可行，因为采用燃烧后脱碳技术对现有电厂进行改造，投资少且CO2的吸收量大，根据常规燃煤电厂烟气温度高、烟气中CO2分压低、烟气流量大、惰性气体含量大等特点，通常采用化学吸收法进行尾部烟道CO2的吸收.[3]其中，最常用的是有机胺溶液吸收法.[4]

超重力指的是在超出地球重力加速度g(g=9.8 m/s)的环境下，附加在物体上力的作用.[5]超重力技术是一种突破性的过程强化新技术，目前已在化工、环保、超细粉体制备以及气液固三相分离等工业过程中得到了应用.[6-7]其主要特点在于气液两相在反应器内逆向接触，在强大的离心力作用下，相间与相内强烈混合与分散，过程得到极大强化，因而在工业上有着广阔的发展前景.[8]

影响化学法捕集CO2效率的两个主要因素是气液传质速率和溶剂吸收速率.[4]体积传质系数的物理意义是在推动力为一个单位的情况下，单位时间单位体积填料层内所吸收溶质的量，它是衡量填料塔性能高低的重要参数，可以直接用于设计填料塔设备，对研究化学过程有着重要意义.[9]本文主要研究填料转子的转速、气体流量、吸收液液体流量、吸收液的温度，以及不同的胺液配比比例等因素对超重力机中气液间体积传质系数的影响.

1 实验部分

图1为超重力脱碳装置系统.

本实验中的吸收药品为乙醇胺.首先，将质量流量计、气体分析仪、电机、循环泵进行开机预热，同时使用高纯氮对实验系统气体管路进行排空.然后，按照设计的参数，利用控制软件控制3种气体的体积流量，以达到所需的配比体积浓度及速率.打开气体回路阀门，使混合气体从超重力机的气体入口进入，此时循环泵应处于关闭状态，尚没有吸收液进入超重力机.

在超重力机的出口处接好气体分析仪并使测定的CO2浓度与设定的浓度相同后，启动电机并调至所需的转速待反应器转速稳定.打开循环泵，将吸收液送入超重力机中与气体进行吸收反应，此时的时间记为零时刻，实验开始，建立记录烟气分析仪的数据并加以保存.

图1 超重力脱碳装置系统示意

2 模型建立

2.1 模型假设

在超重力场中，由于旋转床的离心转动使得气液受到的力远大于自身重力，这使气液在运动的过程中具有较高的速度，在填料内的停留时间也变的很短，基本无返混现象的产生，因此在推导的过程中可作出如下假设:[10]

(1)气相在运动的过程中为平推流的形式;

(2)液相在轴向和径向的方向上没有返混;

(3)气体沿着径向和轴向的压力一致;

(4)在填料内分别取G，L，KL为常数;

(5)不考虑端效应的影响.

2.2 计算推导

填料床是连续接触式设备，气液浓度沿着径向和轴向不断变化，导致传质推动力也沿着径向和轴向不断变化，即在填料层的不同截面上传质推动力也不同.因此，在横向和纵向以填料层的微分厚度分别进行计算.图2为填料层微元物料衡算图.

图2 填料层微元物料衡算示意

设r1为填料内半径，r2为填料外径，dr为填料的径向微元的厚度，H为整个填料层的轴向厚度，x为液相进出微元填料的摩尔分数，y是气相进出微元填料的摩尔分数，G为气相的传质流速，L为液相的传质流速.

根据图2所示填料层微元圆环内溶质传质速率和质量平衡方程，本实验主要采用的计算体积传质系数的设计方程如下.[11-15]

质量守恒方程为:

气相中减少的二氧化碳量=反应后液相中增加的甲酸根离子量

气液间传质量=Nco2×a2πrdHdr

根据物料衡算平衡方程可得:

将式(2)代入式(1)中化简并积分得到:

在旋转床内，KGa是关于填料层高度H的函数，对式(3)右侧进行积分整理可得:

设定:HO为传质单元高度，NO为传质单元数，其表达式分别为:

对式(6)积分可得:

由于进口液相中不含CO2，因此

由CO2与胺溶液的传质过程可知，反应主要在液膜内完成.为了简化计算，可以将出口处的液相主体中的CO2含量视为零，即:

将式(8)、式(9)代入式(7)中可得:

由式(4)、式(5)及式(10)可得:

3 结果与讨论

3.1 超重力机转速对体积传质系数的影响

实验研究了超重力机的转速对体积传质系数的影响.实验中设定的电机频率为10～50 Hz，即转速对应为300～1 500 r/min.

实验中采用的电机功率与超重力机的对应转速如表1所示.

表1 电机频率与转速对照

假定温度为常温，压力为常压，液体流量为10 L/h，气体流量为2 m3/h，将得到的数据进行处理后所得结果如图3所示.

图3 超重力机频率对体积传质系数的影响

从图3可以看出，在本实验条件下，超重力机中气液反应的体积传质系数随着电机频率的增加也呈不断增加的趋势，即体积传质系数随着转速的增加而不断变大.在电机频率为10～35 Hz的情况下，传质系数随转速的增大比较明显，这是由于超重力机中的转子在电机频率增大的情况下，转速相应地增大，从而使得物料在旋转填料床中获得更大的加速度，进而使物料在填料床运动的过程中湍流程度加强，气液间的混合程度得以加强，气液相间面积扩大，CO2的脱除率得到提升.

但当电机频率超过40 Hz，即转速大于1 200 r/min的情况下，传质系数总体变化比较平缓.这是由于转速的提高、速度的提升使得物料在填料床中反应的时间减少，从化学反应效果考虑，反应时间的减少将不利于反应的正向进行，转速过快也会对反应造成不利影响，而转速的提升也意味着电机消耗的电耗也在不断地增加，所以在实际过程中超重力机的转速设定应进行综合考虑.

3.2 液体流量对体积传质系数的影响

实验研究了液体流量对体积传质系数的影响.设温度为常温，压力为常压，液体流量为5～30 L/h，气体流量为2 m3/h，将得到的数据进行处理后所得结果如图4所示.

图4 液体流量对体积传质系数的影响

由图4可知，在本实验条件下，体积传质系数随着液体流量的增加而不断变大，并且增加的幅度较大.这是因为液体流量的增加会使得相同条件下的液膜厚度与液膜的流速相应增加，填料中的液体充满程度相应增加，填料间隙以及外腔中的液体也随之增加，从而使得填料中的有效比表面积增大，体积传质系数增大.

3.3 气体流量变化对体积传质系数的影响

实验设定条件如下:温度为常温，压力为常压，液体流量为10 L/h，气体流量分别为1 m3/h，1.2 m3/h，1.4 m3/h，1.6 m3/h，1.8 m3/h，2 m3/h.将得到的数据进行处理后所得结果如图5所示.

由图5可知，在本实验条件下，超重力机中气液间的体积传质系数随着气体流量的增加而逐渐减小.从化学反应影响因素的角度考虑，增加反应物浓度有利于反应向正向进行，但是在液体流量和转速不变的情况下，填料上液膜的厚度及液膜的更新速度也会保持一定值不变，气体流量的增加虽然会使气体的速度增加，降低了气相传质阻力，但气体速度的增加也使气液间的接触时间减小，从而直接影响了气液间的传质，直接导致传质系数降低.在本实验条件下，传质阻力和接触时间两种因素的共同作用中，气液接触时间占主导地位.

图5 气体流量变化对体积传质系数的影响

3.4 温度变化对体积传质系数的影响

实验设定条件如下:温度为20～60℃，压力为常压，液体流量为10 L/h，气体流量为2 m3/h，将得到的数据进行处理后所得结果如图6所示.

图6 温度变化对体积传质系数的影响

由图6可知，在本实验条件下，超重力机中气液间的体积传质系数随着吸收液温度的增大而呈逐渐增大的趋势.根据分子扩散理论，吸收液温度升高，分子运动程度加强，胺分子与CO2分子发生碰撞反应的概率增大，使得反应程度加强，反应速率加快.但CO2的溶解度会受到吸收液温度的影响而降低，表现为不利于反应的进行.因此，本实验中，在反应速率增大及溶解度降低的共同作用下，温度对反应速率的影响占主导地位，故超重力机中体积传质系数随温度的升高而呈增加的趋势.

4 结语

(1)在填料转子转速为300～1 200 r/min的情况下，气液间的体积传质系数随着转速的增加而不断增大，当转速超过1 200 r/min时，体积传质系数的增加量比较平缓，所以在实际应用中应综合考虑经济及工艺条件等因素来选择超重力机的转速;

(2)在气体流量为1～2 m3/h的范围内，气液间的体积传质系数随着气体量的增加而减小，并且在气体量增加和接触时间两者对传质系数的共同作用中，气液间接触时间为主要因素;

(3)气液间的体积传质系数随着吸收液液体流量的增加而不断增大，增加程度比较明显;

(4)在吸收液温度为20～60℃内，气液间的体积传质系数随着温度的升高而显著增加.

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