众所周知CO2是主要温室气体之一, 由于化石能源的大量使用导致大气中CO2浓度急剧增加, 引起全球气候变暖, 加速南北极冰川融化、海平面上升、土壤水分蒸发、大量农田沙漠化等, 有专家预测如果全球气温升高4℃, 将会给人类社会带来空前的灾难。因此, 如何将化石能源燃烧产生的CO2回收并加以利用已成为各国关注的焦点。
目前常用的CO2吸收装置主要有板式塔和填料塔等。圆盘塔作为工业填充塔的实验室小型模拟装置加以研究和发展起自Stephens和Morris[1], 至今已有60多年历史。由于圆盘塔具有基本固定的传质表面积, 传质系数与塔高几乎无关, 实验所需的气、液量小, 所以被认为是对液膜控制和液相发生化学反应的吸收过程进行研究的一种良好设备。国内于上世纪50年代末开始研究, 但进展缓慢, 报道材料少, 且只是有关圆盘塔在化工专业实验中的相关报道[2]。
本文拟在圆盘塔装置中采用蒸馏水和醇胺溶液作吸收剂, 对不同流量和浓度下CO2吸收的传质动力学进行研究, 建立吸收传质的动力学模型, 加深圆盘塔模拟特性的了解, 并为工业装置试验提供一定的参考数据。
主要仪器:圆盘塔(内有40个圆盘); 皂膜流量计; 超级恒温槽; 秒表, 转子流量计等。
实验药品:CO2气; 蒸馏水; 乙醇胺; 25%的甲基胺溶液等。
如图 1所示, 用泵将吸收液输送至高位槽, 经转子流量计计量后进入圆盘塔的给液管, 自上而下顺着圆盘逐次流下, 并在圆盘表面与自下而上的CO2气体进行不稳定的气液传质吸收。出塔液体由平衡管液封排出。气体则由钢瓶减压出来, 经过稳压后在水饱和器中进行二级增湿, 再由圆盘塔底部进口管进入塔内, 吸收后从上部出口处排出, 用三通考克控制, 使其经过皂沫流量计测定吸收速率后放空排入大气, 为保证吸收过程中圆盘塔内温度恒定, 采用超级恒温水浴通过恒温夹套进行控制, 效果很好。
实验在25℃和常压下进行, 蒸馏水对CO2的吸收完全符合亨利定律。基于双膜理论, 吸收宏观动力学方程式如下:
液相总传质吸收系数KL, 可由一定实验条件下测出的吸收速率NA和对数平均推动力Δcm值求出, 即:
根据文献[1], Stephens-Morris总结圆盘塔中KL的特征数关联式如下:
其中:
将式(3)两边取对数, 可得lnKL~ln Γ成线性关系。
实验中通过转子流量计控制液体流量, 分别为4.0 L/h、4.8 L/h、5.6 L/h、6.4 L/h、7.2 L/h、8.0 L/h、8.8 L/h、9.6 L/h, 10.4 L/h, 测定不同流量下的吸收速率, 计算出液相总传质吸收系数KL和液流速率Γ, 结果取对数作图 2所示。
从图 2知, lnKL与lnΓ成线性关系, 模型特征参数m为0.57。这一结果与Stephens-Morris总结的关联式极为吻合。根据不稳定传质理论, 流体在圆盘塔中从一个圆盘流至另一个圆盘, 类似于填料塔中流体从一个填料流至下一个填料而得到混合吸收的情况, 流体在此过程中交替地进行一系列的混合和不稳定的传质过程。实验测得的液相总传质系数与Sherwood和Hollowag[3, 4, 5]在填料塔实验中的结果一致, 由此可见在研究吸收过程中, 圆盘塔是一个良好的设备, 可作为填料塔设计的模拟。
在温度25℃时, 配制乙醇胺浓度(w, %)分别为:0.00%、0.02 %, 、0.04 %、0.06%、0.08%, 、0.10%的吸收液, 通过转子流量计控制流量为:1.6 L/h、2.4 L/h、3.2 L/h、4 L/h、4.8 L/h、5.6 L/h、6.4 L/h、7.2 L/h, 研究乙醇胺溶液浓度、流量对CO2吸收速率的影响, 实验测得结果如图 3所示。
由图 3看出, 随着吸收液的流量增大, CO2吸收速率增大, 当流量大于4.8 L/h后, 增大得较为缓慢。当浓度为零(即蒸馏水)时, 吸收速率非常缓慢, 随着吸收液的浓度增加, 吸收速率迅速增加, 当浓度小于0.06%时, 速率增加非常明显。因此, 提高乙醇胺的浓度可以增加CO2吸收速率, 但当乙醇胺浓度大于0.06%时, 增加得趋于缓慢。可能由于乙醇胺浓度增大, 溶液的粘度增大, 导致流速缓慢, 圆盘表面液体厚度增加, 液体表面不能迅速更新, 降低了液体和气体的接触面积。结合经济和环保因素考虑, 乙醇胺浓度取0.06%最为合适。
常压、25℃下, 控制转子流量计的流量为4.8 L/h, 乙醇胺浓度为0.06 %时, 研究溶液中甲基胺浓度(w, %)分别为0.000%、0.006 %、0.012 %、0.018 %、0.024 %、0.030 %时, 对CO2的吸收速率的影响实验结果如图 4所示。
由图 4可知, 乙醇胺溶液中添加甲基胺可明显提高CO2的吸收速率。当甲基胺浓度小于0.012%时(即乙醇胺:甲基胺小于5:1), 浓度增加CO2的吸收速率增加较快, 而后浓度的增加, 吸收速率的增加趋于缓慢。可能的原因是甲基胺浓度的增加会增加体系的粘度, 减少了体系中各组分的扩散系数、增加圆盘表面液膜厚度, 从而使混合溶剂吸收CO2的速率降低, 结合经济角度考虑, 最终混合胺之间的最佳配比取5:1最为合适。
(1) 建立于Stephens-Morris的研究基础之上, 对蒸馏水吸收CO2进行研究, 建立了圆盘塔中水吸收CO2的传质动力学模型。
(2) 随着吸收液流量的增加, CO2吸收速率增大。当流量大于4.8 L/h时, 增加得趋于缓慢; 乙醇胺浓度的变化对吸收速率的影响非常显著, 当浓度大于0.06%时, 浓度的增加对吸收速率的影响明显减弱, 乙醇胺溶液的最佳浓度为0.06%。
(3) 乙醇胺溶液中添加甲基胺可提高CO2的吸收速率, 且混合溶剂中甲基胺浓度为0.012%时(即乙醇胺:甲基胺=5:1)为最佳。
符号说明
NA为CO2吸收速率, mol/h; KL为液相总传质吸收系数, m/s; F为吸收表面积, m2; Δcm为液相浓度平均推动力, mol/m3; L为液体流量, m3/h; Γ为液流速率, kg/m·h; l为平均液流周边, m; V为CO2体积吸收速率, mL/s; ρ为液体密度, kg/m3; μ为液体粘度, N·s/m2; D为扩散系数, m2/s。
2010, Vol. 39 Issue (2): 128-130
2010, Vol. 39 Issue (2): 128-130