李 寧,陳義峰,葉南南,戴正興,吉曉燕,陸小華

(1.南京工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院,江蘇 南京 211800;2.呂勒奧工業(yè)大學(xué) 能源工程系,瑞典 呂勒奧 97187)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人們對(duì)能源的需求不斷增長(zhǎng)。沼氣作為一種清潔能源非常符合我國(guó)的發(fā)展需求[1]。沼氣的主要成分為CH4(體積分?jǐn)?shù)為40%～75%)和CO2(體積分?jǐn)?shù)為25%～60 %)[2]。將沼氣中的CO2脫除后得到高純度CH4可直接用作清潔燃料[3]。CO2脫除的主要方法有吸收法、吸附法、膜分離法、深冷分離法等[4]。其中,化學(xué)吸收法是工業(yè)應(yīng)用最為成熟的CO2分離技術(shù)之一[5]。在使用醇胺溶液進(jìn)行提純沼氣時(shí),CH4損失較少,回收率高達(dá)99%[6],這使醇胺溶液成為使用最廣泛的化學(xué)吸收劑。單乙醇胺(MEA)溶液是工業(yè)中常用的醇胺溶液。從20世紀(jì)開(kāi)始,MEA分離CO2過(guò)程的機(jī)制及熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)就已被廣泛研究。1968年,Caplow[7]率先提出了CO2在伯醇胺溶液中發(fā)生反應(yīng)生成氨基甲酸酯。隨后,Danckwerts[8]進(jìn)行了補(bǔ)充,并提出“兩性離子”機(jī)制,即MEA與CO2形成一種兩性離子作為中間產(chǎn)物,再與溶液中的堿性物質(zhì)發(fā)生去質(zhì)子化反應(yīng)[8]?；凇皟尚噪x子”機(jī)制,Conway等[9]對(duì)MEA吸收CO2的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究,他們發(fā)現(xiàn)在15～45 ℃之間反應(yīng)速率常數(shù)隨著溫度的增加而增加。Buenrostro-Gonzalez等[10]建立了預(yù)測(cè)MEA吸收CO2的溶解度模型,其模型預(yù)測(cè)的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分吻合。如今,MEA溶液吸收CO2的基礎(chǔ)熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)研究已相對(duì)成熟,并已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。然而,吸收塔中MEA溶液吸收CO2的動(dòng)力學(xué)研究尚存在不足。

目前,CO2在吸收塔中的動(dòng)力學(xué)研究主要集中在不同操作條件對(duì)傳質(zhì)性能的影響上。例如:王康等[11]通過(guò)調(diào)控進(jìn)入填料塔內(nèi)的MEA濃度發(fā)現(xiàn)CO2的脫除率隨著MEA濃度增加而升高;劉應(yīng)書(shū)等[12]對(duì)MEA濃度、CO2體積分?jǐn)?shù)、氣流量等因素進(jìn)行調(diào)控,發(fā)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)因子隨著操作條件的變化發(fā)生線性改變;那艷清等[13]發(fā)現(xiàn)在吸收塔中的CO2去除率會(huì)隨CO2負(fù)載量增大而減小;Fu等[14]探究了CO2進(jìn)氣量對(duì)體積總傳質(zhì)系數(shù)的影響,發(fā)現(xiàn)CO2的體積總傳質(zhì)系數(shù)隨CO2進(jìn)氣量的增加而減小。這些研究對(duì)于吸收塔的設(shè)計(jì)和改善具有一定的指導(dǎo)意義。但是上述大部分研究都將吸收塔作為一個(gè)“黑匣子”,主要關(guān)注其輸入與輸出,對(duì)流體在塔內(nèi)的傳質(zhì)變化情況的研究較少。然而,在進(jìn)行塔操作的過(guò)程中,吸收塔內(nèi)CO2負(fù)載量、氣體流速、MEA濃度在塔的不同位置會(huì)發(fā)生變化。研究塔內(nèi)流體的變化情況可對(duì)塔設(shè)備的優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。

筆者所在課題組陸小華等[15]基于沼氣提純工藝,對(duì)CO2吸收本質(zhì)擴(kuò)散和反應(yīng)進(jìn)行了探究。通過(guò)氣力式霧化、鼓泡和離子液體擔(dān)載等界面強(qiáng)化手段,結(jié)合非平衡熱力學(xué)理論的分析,以MEA水溶液提純沼氣的填料塔為研究對(duì)象,定性地分析出從吸收塔的塔底到塔頂CO2的傳遞總阻力在減小,且總阻力隨著塔高的變化，關(guān)鍵阻力在變化,即由塔底的液相反應(yīng)阻力控制轉(zhuǎn)變?yōu)樗械囊合鄶U(kuò)散阻力控制,再轉(zhuǎn)變?yōu)樗數(shù)臍庀嘧枇刂??；诖颂岢?“三段式強(qiáng)化方案”,即通過(guò)塔底鼓泡、塔中填料改性、塔頂霧化等強(qiáng)化手段,增大氣液接觸面積,減小阻力,但是并沒(méi)有分析出調(diào)控哪一段,能更有效提高吸收塔的處理能力。

因此,筆者基于吸收塔內(nèi)的分段強(qiáng)化思想,將吸收塔分為“塔頂”“塔中”“塔底”,即塔“三大段”,根據(jù)塔內(nèi)MEA溶液的濃度及CO2的體積分?jǐn)?shù)在吸收塔三段位置的實(shí)際值,設(shè)計(jì)3組不同操作條件的鼓泡吸收實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬實(shí)際塔內(nèi)的流體傳質(zhì)情況,進(jìn)一步探究流體在吸收塔內(nèi)不同位置的傳質(zhì)過(guò)程變化。

1 材料和方法

1.1 材料

MEA,分析純,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.7%,中國(guó)匯興醫(yī)藥有限公司。CO2、N2，體積分?jǐn)?shù)為99.99%,中國(guó)南京天鴻氣體有限公司;水由南京易普易達(dá)科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的超級(jí)純水機(jī)(型號(hào)PLUS-E2-10TJ)獲得,電導(dǎo)率為0.055 μS/cm。

1.2 裝置及操作流程

CO2吸收裝置如圖1所示,由氣體供應(yīng)、氣體吸收、尾氣檢測(cè)3部分組成。由于MEA溶液對(duì)N2的溶解度與其對(duì)CH4的溶解度相似,此處以N2代替CH4。CO2和N2通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)(北京七星華創(chuàng)電子有限公司、精度為1 mL/min)經(jīng)過(guò)氣體混合器通入玻璃管中。玻璃管內(nèi)裝有孔徑為50 μm的砂芯氣體分配器,氣體經(jīng)過(guò)砂芯氣體分配器分散成小氣泡與玻璃管內(nèi)的吸收劑進(jìn)行充分接觸。吸收后的氣體經(jīng)過(guò)裝有CaCl2的干燥管進(jìn)行干燥后,通過(guò)紅外CO2分析儀(深圳市沃賽特科技有限公司、精度0.01%、響應(yīng)時(shí)間≤15 s)在線檢測(cè)尾氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)。檢測(cè)后的氣體通入NaOH水溶液中進(jìn)行尾氣吸收。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用吸收劑的質(zhì)量約為10 g，整個(gè)實(shí)驗(yàn)在環(huán)境壓力下進(jìn)行。氣體管線中的絕對(duì)壓力與溶劑上方的系統(tǒng)壓力的壓差分別通過(guò)兩個(gè)U型壓力計(jì)測(cè)量,壓差約為3 kPa左右。吸收過(guò)程在恒溫水浴槽中進(jìn)行,T為此次實(shí)驗(yàn)中的溫度，為308.15 K。

1—直通閥;2—質(zhì)量流量控制器;3—水浴槽;4—三通閥;5—干燥管;6—?dú)怏w混合氣;7—吸收劑;8—玻璃管;9—熱電偶;10—紅外CO2分析儀;11—NaOH水溶液;12—U型壓力表圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental setup

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

吸收塔“三大段”中的CO2體積分?jǐn)?shù)和MEA溶液濃度依據(jù)文獻(xiàn)[16]中填料塔吸收CO2的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì),具體操作條件如表1所示。在吸收塔中,MEA溶液從塔頂進(jìn)入,混合氣從塔底進(jìn)入,逆流接觸進(jìn)行吸收。在塔頂,MEA為新鮮液,濃度為4.91 kmol/m3,由于長(zhǎng)時(shí)間的氣液接觸使得CO2的體積分?jǐn)?shù)為15%;在塔中,吸收一定量CO2后的MEA濃度為2.25 kmol/m3,CO2氣體體積分?jǐn)?shù)為23%;在塔底,吸收接近飽和的MEA濃度為0.03 kmol/m3,CO2的體積分?jǐn)?shù)為37%。此外,在模擬吸收塔“三大段”時(shí),N2不被MEA溶液吸收,其進(jìn)氣流量保持不變(1.35×10-4mol/s),CO2的流量通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)調(diào)節(jié)。

表1 模擬吸收塔“三大段”的操作條件

2 理論部分

2.1 吸收過(guò)程

CO2在MEA溶液中的吸收量n(CO2);CO2吸收速率r的計(jì)算公式為[17-18]

(1)

(2)

式中：QN為N2的氣速,mol/s;Yin、Yout分別為進(jìn)口、出口中CO2與N2的摩爾比值;t為吸收時(shí)間,s。

2.2 傳質(zhì)過(guò)程

對(duì)于氣體吸收傳質(zhì)過(guò)程已有大量研究工作,雙膜理論在對(duì)流傳質(zhì)中被廣泛應(yīng)用[19]。雙膜理論的傳質(zhì)機(jī)制是指在氣液傳質(zhì)過(guò)程中,存在著氣膜、液膜和氣液界面,傳質(zhì)阻力主要集中在氣膜和液膜中,在氣液界面處達(dá)到平衡。在氣膜和液膜中的傳質(zhì)通量可以表示為傳質(zhì)系數(shù)與相應(yīng)推動(dòng)力的乘積,因此,可以通過(guò)以下兩種方式表示CO2的傳遞通量。

一是在氣膜中,以壓力差為推動(dòng)力的傳質(zhì)通量NG表達(dá)式為

NG=kG(pG-pint)

(3)

式中:kG為氣相傳質(zhì)系數(shù),mol/(m2·s·Pa);pG為CO2在氣體體相中的壓力,Pa;pint為界面處CO2的壓力,Pa。

二是在液膜中,以濃度差為推動(dòng)力的傳質(zhì)通量NL表達(dá)式為

NL=kL(cint-cL)

(4)

式中:cint為界面處CO2的濃度,mol/m3;cL為液相中CO2濃度,mol/m3;kL為濃度差推動(dòng)力下的液相傳質(zhì)系數(shù),mol/(m2·s·(mol/m3)),計(jì)算公式如式(5)所示。

kL=EkL0

(5)

式中:E表示增強(qiáng)因子;kL0表示物理傳質(zhì)系數(shù),m/s。

根據(jù)亨利定律,NL可以用壓力差為推動(dòng)力進(jìn)行表示

(6)

式中:H為亨利常數(shù),Pa·m3/mol;pL為CO2在液相中的壓力,Pa。在液膜中,以壓力差為推動(dòng)力表示的液相傳質(zhì)系數(shù)k′G為

(7)

根據(jù)傳質(zhì)的連續(xù)性

NL=NG

(8)

根據(jù)質(zhì)量守恒,結(jié)合式(3)、(6)、(8),氣體從氣膜轉(zhuǎn)移到液膜的總通量N表達(dá)式為

N=K(pG-pL)

(9)

式中:K為總傳質(zhì)系數(shù),mol/(m2·s·Pa)。

根據(jù)本次實(shí)驗(yàn),N又可以表示為

(10)

根據(jù)式(9)和(10),同時(shí)CO2在液相中的溶質(zhì)分壓pL為零,可以得到體積總傳質(zhì)系數(shù)AK為

(11)

在氣相中的分壓pG可以通過(guò)如下公式計(jì)算:

(12)

式中:φin、φout分別為進(jìn)口、出口的CO2體積分?jǐn)?shù)。

同時(shí),據(jù)文獻(xiàn)[20],CO2在鼓泡塔中的體積物理傳質(zhì)系數(shù)AkL0為

2.1.1 對(duì)照品溶液 精密稱取富馬酸喹硫平對(duì)照品約3 mg，置于100 mL量瓶中，加溶出介質(zhì)溶解并稀釋至刻度，搖勻，制成中約含30 μg/mL的對(duì)照品溶液。

(13)

式中:g為重力加速度,為9.8 m2/s;uG為表觀氣體速度,通過(guò)氣速除以直徑為2.4 cm的玻璃圓柱體的橫截面積獲得,塔底、塔中、塔頂?shù)膗G值分別為1.16×10-2、9.77×10-3、8.66×10-3m/s;μG為氣體黏度,通過(guò)各個(gè)氣體組分占比與相應(yīng)黏度的乘積加和獲得,塔底、塔中、塔頂?shù)膗G值分別為1.67×10-5、1.71×10-5、1.74×10-5Pa·s;σ為溶液的表面張力,據(jù)文獻(xiàn)[21],CO2在鼓泡塔中的體積物理傳質(zhì)系數(shù)AkL0為0.060 3 N/m;由于在吸收CO2前后的MEA溶液的密度和黏度發(fā)生變化不大[22],故隨著塔高的變化,吸收劑的物理性質(zhì)幾乎不變,MEA水溶液黏度μL與獲得μG的方法相同,得到液體的黏度為1.88×10-3Pa·s;液體的密度ρL為954 kg/m3;DL為CO2在液相中的擴(kuò)散系數(shù),通過(guò)式(14—16)計(jì)算得到,其值為1.73×10-9～2.4×10-9m2/s。

式中CO2在MEA水溶液中的擴(kuò)散系數(shù)DL可以通過(guò)類比法得到[23-25]

D1=2.35×10-6e(-2119/T)

(14)

D2=5.07×10-6e(-2371/T)

(15)

D3=(5.07×10-6+8.65×10-7cM+2.78×

(16)

式中:cM為MEA溶液的濃度,kmol/m3;D1為CO2在水中的擴(kuò)散系數(shù),m2/s;D2為N2O在水中的擴(kuò)散系數(shù),m2/s;D3為N2O在MEA水溶液中的擴(kuò)散系數(shù),m2/s。

CO2在氣泡中的擴(kuò)散系數(shù)DG[25]與平均氣泡大小db、氣泡的停留時(shí)間εG、氣泡的上升速度ub密切相關(guān),其計(jì)算過(guò)程為

(17)

(18)

(19)

(20)

式中:ΔV為通入氣體后的體積變化量,通過(guò)游標(biāo)卡尺測(cè)量鼓泡后液面高度上升1.00 mm,計(jì)算得到ΔV值為 6.154×10-7m3;ρG為混合氣的密度,塔底、塔中、塔頂?shù)摩袵分別為1.37、1.29、1.23 kg/m3;d0為裝置孔徑大小,50 μm;通過(guò)式(17)計(jì)算得DG值約為0.016 m2/s。

CO2在MEA溶液中亨利常數(shù)H為[26]

(21)

(22)

式中:Y為MEA與水的摩爾比值,其中塔底、塔中、塔頂?shù)腨值為0.000 1、0.006、0.112 1,α為計(jì)算系數(shù)。通過(guò)式(21)得到的CO2在塔底、塔中、塔頂?shù)暮嗬?shù)為3 970、3 965、3 871 Pa·m3/mol。

3 結(jié)果與討論

3.1 可行性分析

為了探究實(shí)驗(yàn)裝置和方法的可靠性,使用MEA溶液作為吸收劑,在308.15K、104.352 kPa實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行了多組CO2吸收實(shí)驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知，3次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果呈現(xiàn)較好的重復(fù)性。通過(guò)式(1)得到CO2的平衡吸收量如表2所示,3次實(shí)驗(yàn)與文獻(xiàn)[27]值偏差在0.006 mol左右。由此可見(jiàn),實(shí)驗(yàn)裝置和方法具有較高的可靠性。

圖2 MEA溶液吸收CO2的重復(fù)實(shí)驗(yàn)Fig.2 Repeated experiments of CO2 absorption in MEA aqueous

表2 CO2在MEA溶液的飽和吸收量

3.2 模擬塔“三大段” CO2出口含量結(jié)果分析

根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行3組鼓泡吸收實(shí)驗(yàn)后,得到的CO2出口體積分?jǐn)?shù)如圖3所示。由圖3可知,模擬塔“三大段”的出口CO2體積分?jǐn)?shù)都呈現(xiàn)出迅速下降后上升再趨于平穩(wěn)的現(xiàn)象。出口CO2體積分?jǐn)?shù)剛開(kāi)始迅速下降的現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)操作方法有關(guān)。在未開(kāi)始進(jìn)行吸收實(shí)驗(yàn)之前,需要先通入混合氣,待出口CO2體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定后,再轉(zhuǎn)動(dòng)三通閥轉(zhuǎn)變氣路,使混合氣鼓泡進(jìn)入MEA溶液。所以,由圖3可知,0～2 min是儀器反應(yīng)時(shí)間,2 min后,出口CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最低點(diǎn)，為瞬時(shí)反應(yīng)后的CO2體積分?jǐn)?shù)。在模擬塔“塔頂”“塔中”“塔底”瞬時(shí)反應(yīng)后的出口CO2體積分?jǐn)?shù)為0.50%、2.70%、30.33%，如圖3所示。隨著模擬塔塔高的增加,出口CO2體積分?jǐn)?shù)減小,這是在模擬塔的內(nèi)部隨著模擬塔塔高的變化,CO2體積分?jǐn)?shù)與MEA濃度發(fā)生變化導(dǎo)致的結(jié)果。在“塔底”進(jìn)氣CO2體積分?jǐn)?shù)最高、MEA濃度最低,吸收的CO2量有限;在“塔中”進(jìn)氣,CO2體積分?jǐn)?shù)經(jīng)過(guò)“塔底”MEA吸收后已減少,MEA濃度相對(duì)“塔底”較高,能吸收更多CO2;在“塔頂”進(jìn)氣,CO2體積分?jǐn)?shù)最低,MEA濃度最大,吸收CO2的效果最好。

圖3 模擬塔“三大段”的出口CO2體積分?jǐn)?shù)與時(shí)間的曲線Fig.3 Curves of export CO2 and time of the three parts of the simulation tower in the outlet

3.3 模擬塔“三大段”的吸收量和吸收速率分析

在模擬塔中氣相和液相均為流動(dòng)相,它們通過(guò)逆流接觸的方式在模擬塔中進(jìn)行吸收。通過(guò)塔內(nèi)的持液量和液速進(jìn)行計(jì)算,得出液相在塔內(nèi)的停留時(shí)間在1 min內(nèi),同時(shí)儀器的反應(yīng)時(shí)間在0～2 min,故取前3 min的時(shí)間來(lái)代替模擬塔“三大段”附近的吸收時(shí)間。另外進(jìn)行了3組模擬塔“三大段”的空白實(shí)驗(yàn),即以10 g 水作為吸收劑對(duì)CO2進(jìn)行吸收,排除由于儀器反應(yīng)導(dǎo)致的出口CO2體積分?jǐn)?shù)的變化,空白實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖4 所示，在0～1 min內(nèi)，出口CO2體積分?jǐn)?shù)隨著時(shí)間的增加而輕微減小。根據(jù)式(1),由MEA溶液的吸收量減去空白吸收量即得到真實(shí)吸收量。在0～1 min,真實(shí)吸收量接近于零,故舍棄0～1 min的吸收量,結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可知,吸收量隨著時(shí)間增加而增大。在同一時(shí)刻吸收量的由大到小順序?yàn)?“塔中”“ 塔頂”“ 塔底”。由式(2)可知,吸收量隨時(shí)間變化的斜率代表吸收速率的大小。通過(guò)線性擬合得到的吸收速率如表3所示,吸收速率的由大到小順序?yàn)?“塔中”“塔頂”“塔底”?！八小钡奈账俾适恰八敗蔽账俾实?.7 倍,是“塔底”吸收速率的3.7 倍。通常普遍認(rèn)為,模擬塔中的傳質(zhì)阻力隨著塔高增加而減小,在“塔頂”的阻力最小,結(jié)果如圖6 所示,在模擬塔“塔中”的吸收量和吸收速率最高。陸小華等[28]、Xie等[29]、Ji等[30]曾依據(jù)非平衡熱力學(xué)原理推導(dǎo)并歸納出:CO2傳遞速率不僅與傳遞阻力有關(guān),還與推動(dòng)力(化學(xué)位差)有關(guān)。因此,在模擬塔“塔頂”,雖然阻力最小,但是CO2體積分?jǐn)?shù)較低,導(dǎo)致其推動(dòng)力較小;在模擬塔“塔底”,雖然CO2體積分?jǐn)?shù)較大,但是MEA濃度較低,阻力最大;在模擬塔“塔中”,推動(dòng)力與阻力實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)的匹配,所以CO2吸收量和吸收速率最大。

圖4 模擬塔“三大段”的空白實(shí)驗(yàn)曲線Fig.4 Blank experiment curves of the three parts of the simulation tower

圖5 模擬塔“三大段”的吸收量曲線Fig.5 Absorption amount curves of the three parts of the simulation tower

3.4 模擬塔“三大段”傳質(zhì)結(jié)果分析

基于得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析,由式(11)得到體積總傳質(zhì)系數(shù)AK,即傳質(zhì)阻力可以通過(guò)1/AK獲得,結(jié)果如圖7所示。隨著模擬塔的高度增加,阻

表3 模擬塔“三大段”的吸收速率

圖6 模擬塔“三大段”的吸收性能比較Fig.6 Comparison of absorption performance of the three parts of the simulation tower

力越來(lái)越小。其中模擬塔塔底的阻力是模擬塔塔中阻力的6.8倍,是塔頂阻力的9.2倍。根據(jù)雙膜理論氣液傳質(zhì)阻力主要集中在氣膜和液膜中,傳質(zhì)阻力是由氣相阻力和液相阻力控制,即1/AK等于1/AkG加1/Ak′G。然而,雙膜理論模型是經(jīng)驗(yàn)式,常用于數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián),不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)或有效調(diào)控CO2傳遞,因此,Ji等[30]、陸小華等[31]、Liu等[32]和Xie等[33]通過(guò)統(tǒng)計(jì)速率理論和非平衡熱力學(xué)理論將相界面之間的復(fù)雜傳遞問(wèn)題假設(shè)為在液相中的2個(gè)串聯(lián)過(guò)程,即表面“擬擴(kuò)散層”和“擬反應(yīng)層”,即液相阻力分為液相反應(yīng)阻力和液相擴(kuò)散阻力[35]。結(jié)合雙膜理論和Ji等[30]、Liu等[32]、Xie等[33]的研究,筆者將阻力分為氣相阻力、液相擴(kuò)散阻力和液相反應(yīng)阻力。通過(guò)式(14)—(20)計(jì)算,CO2在氣泡中的擴(kuò)散系數(shù)為0.016 m2/s、CO2在液相中的擴(kuò)散系數(shù)為1.73×10-9m2/s,由此可見(jiàn)，CO2在氣泡中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在液相中的擴(kuò)散系數(shù)。因此,氣相阻力可忽略不計(jì)[34],即1/AK約等于1/Ak′G?？傋枇κ怯梢合嘧枇χ械囊合鄶U(kuò)散阻力和液相反應(yīng)阻力控制。

通過(guò)式(7)兩邊同時(shí)乘以A可知，Ak′G與AkL0和E有關(guān),AkL0為液膜中沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)的體積傳質(zhì)系數(shù);通過(guò)式(13)獲得AkL0的值,結(jié)果見(jiàn)圖8。由圖8可以看出,隨著模擬塔塔高的變化,AkL0幾乎不變[22],與模擬塔塔底、塔中相比,模擬塔塔頂?shù)腁kL0最大,即模擬塔塔頂?shù)臄U(kuò)散阻力(1/AkL0)最小。通過(guò)式(11)、(13)、(21)獲得AK、AkL0、H后,再通過(guò)式(7)計(jì)算獲得增強(qiáng)因子E的值。由圖8可知,增強(qiáng)因子隨模擬塔塔高增加明顯。根據(jù)其物理意義,E表示在液膜中化學(xué)反應(yīng)的傳質(zhì)系數(shù)與純物理吸收的傳質(zhì)系數(shù)的比值。在模擬塔塔頂E增大,AkL0增大,故體積化學(xué)傳質(zhì)系數(shù)增大,即反應(yīng)阻力減小。由此可知,模擬塔塔頂?shù)姆磻?yīng)阻力和擴(kuò)散阻力的減小使得總阻力減小。

圖7 模擬塔“三大段”總阻力Fig.7 Total resistance of the three parts of the simulation tower

圖8 AkL0 and E的變化趨勢(shì)Fig.8 Changing trends of AkL0 and E

3.5 模擬塔“三大段”吸收性能比較

模擬塔“三大段”中的傳質(zhì)阻力和吸收速率見(jiàn)圖9。由圖9可知:模擬塔塔頂?shù)淖枇ψ钚?模擬塔塔底阻力最大;模擬塔塔中的吸收速率最大,模擬塔塔底的吸收速率最小。因此,可以得出:塔底是CO2處理能力最弱的部位。通過(guò)塔設(shè)備的設(shè)計(jì)強(qiáng)化CO2吸收能力的角度來(lái)分析,對(duì)塔底進(jìn)行設(shè)計(jì)改造能夠有望提高吸收塔處理CO2的能力。由模擬塔“三大段”的傳質(zhì)阻力分析可知，阻力是由反應(yīng)阻力和擴(kuò)散阻力控制,因此,筆者認(rèn)為可以通過(guò)以下方式對(duì)模擬塔塔底進(jìn)行改造強(qiáng)化其CO2吸收性能:1)在模擬塔塔底以鼓泡的方式來(lái)調(diào)節(jié)塔底的擴(kuò)散阻力;2)在模擬塔塔底安裝1個(gè)進(jìn)料口,其中通入弱堿性溶液來(lái)調(diào)節(jié)反應(yīng)阻力。

圖9 模擬塔“三大段”吸收性能Fig.9 Absorption performances of the three parts of the simulation tower

4 結(jié)論

1)通過(guò)模擬塔的3個(gè)重要部位,即“塔頂” “塔中” “塔底”,發(fā)現(xiàn)隨著模擬塔的增高,CO2傳質(zhì)阻力減小,其中“塔底”阻力是“塔中”阻力的6.8倍,是“塔頂”阻力的9.2倍。

2)模擬塔“塔中”的吸收速率和吸收量最大。模擬塔“塔中”的吸收速率是其“塔頂”吸收速率的1.7倍,是“塔底”吸收速率的3.7倍;模擬塔“塔中”的吸收量是其塔頂吸收量的1.7倍,是“塔底”吸收量的4.4倍。

3)對(duì)于吸收塔的強(qiáng)化,相比于吸收塔塔頂和塔中,吸收塔塔底的設(shè)計(jì)和改造有望提高CO2的處理能力。