作为最受关注的过程强化技术之一，超重力技术已经成为化学工程学科的前沿和热点方向。与传统化工过程技术相比，超重力技术凭借巨大的剪切力产生快速更新的相界面，从而使传质过程和微观混合得到了极大的强化，其中，相间传质速率比传统塔器提高1~3个数量级，在产品质量、生产效率和过程能耗等方面均表现出优势。目前，超重力技术已经在高端化学品生产、纳米材料制备、硫酸工业尾气脱硫、油田注水脱氧等方面实现了工业应用，体现出广阔的应用前景[1-5]。
与重力场相比，超重力场下的传质过程更加复杂，很难通过实验手段详细描述超重力反应过程的全部细节。因此，利用模拟软件对超重力精馏和吸收等过程进行快速高效的模拟已成为近年来的重点发展趋势。陈健等[6]建立了乙醇-水超重力精馏的Aspen反应模型，并考查了超重力因子和气相能动因子对精馏效率的影响。王新成[7]对基于Aspen的超重力反应过程的传质系数进行了修正，得到的超重力场条件下的传质系数比常规重力场提高了1个数量级。侯勇俊等[8]利用Aspen软件对超重力脱硫流程进行了模拟，并与传统脱硫塔脱硫工艺进行了对比，其研究结果表明，在达到相同净化标准的条件下，与传统脱硫塔对比，错流型超重力反应器的填料体积仅为前者的2.2%，高度仅为前者的9%。
以实际实验过程为基础[9]，建立了NaOH碱液吸收CO2的超重力反应模型，对比分析了超重力技术实验结果和传统填料塔的模拟计算结果，并对关键参数进行了修正，从而对实验优化和技术放大具有一定的指导意义。
本计算模型的建立主要参考实际实验装置和过程，其中，超重力反应器的反应区内径为50 mm，外径为90 mm，高度为130 mm，内部装填丝网填料。不同含量的NaOH碱液和反应原料气(2 L/min，20%(y)CO2+80%(y)N2)从填料区的中心并流进入填料区进行反应，然后从填料区外壁流出[9]。
由于该过程为包含电解质的吸收反应过程，除平衡反应和溶解反应外，该过程还包括以下两个动力学控制的反应[10]：
其中，动力学参数见表 1。
建立的模拟计算简单流程如图 1所示，其中，碱液从塔顶进入，原料气从塔底进入，气液两相在吸收塔内部的填料区发生吸收反应。由于超重力反应器中的物料流动为径向流动，而常规填料塔为上下流动。为此，本研究采用等价转化法，即根据流通截面积守恒和填料体积守恒原则将超重力机转换成传统的垂直塔[7]，如图 2所示。其中，HHigee、r0和ri分别为超重力反应器填料层的高度、外半径和内半径，Hconv和D为转化成传统垂直填料塔的填料层高度和直径。在上述转换过程中，物流截面积和体积均守恒。根据本实验所用超重力反应器填料的尺寸，等价转化后的填料塔尺寸为：直径120 mm、高度50 mm。
由于填料塔无法模拟超重力的转速，主要考查NaOH质量分数、碱液进料量、压力等因素对CO2脱除率的影响，从而和600 r/min超重力工况下的实验结果相对比，其中，超重力反应器的具体实验工况如表 2所列。模拟的条件参数参考表 2所述数值范围。
NaOH质量分数决定了单位吸收液中OH-的量[11]，因此，对于CO2吸收过程，NaOH质量分数高对应更高的CO2脱除率。但图 3(a)所示的模拟结果显示，在压力为1.0 MPa、碱液进料量为0.2 L/min的条件下，模拟得到的常规填料塔在NaOH质量分数为0.5%~5.0%范围内的CO2吸收脱除率只有45%左右。另外，随着NaOH质量分数的增加，常规填料塔的CO2脱除率基本保持不变。由图 3(b)可以看出，在相同的条件下，模拟计算值仅为超重力反应实验值的一半。
图 4为不同碱液进料量下的模拟计算结果及与实验值的对比。由图 4(a)可以看出，在压力为1.0 MPa、NaOH质量分数为0.5%的条件下，对于填料吸收塔，随着碱液进料量的增加，CO2脱除率逐渐增加[12]。由图 4(b)可知，在常规填料塔中，当碱液进料量为0.15 L/min时，模拟计算得到的CO2脱除率为41.34%，而与此类似条件下超重力反应器的实验结果为84.36%，为常规填料塔的2倍。其他进料量条件下的结果与此类似。
从吸收原理来看，高压有利于吸收，低压有利于解吸，因此，大部分吸收都是在高压下进行的[13]。通过模拟得到填料吸收塔在碱液进料量为0.2 L/min、NaOH质量分数为0.5%的条件下，不同压力下对应的CO2脱除效果，具体如图 5(a)所示。由图 5(a)可以看出，随着压力的升高，CO2脱除率呈线性增加，其中，在2.0 MPa压力下CO2脱除率最高达到45.15%。但由图 5(b)所示的对比结果显示，模拟得到的常规填料塔CO2脱除率仅为超重力反应实验值的约1/2。
上述结果显示，超重力反应器的CO2脱除效果明显优于常规填料塔。但通过等价转化所示结果可以看出，等价转化后的塔径较大，而塔高特别小，这与实际的填料塔有很大的区别。为此，根据体积相同的原则而不考虑流通截面积，将超重力反应区的填料进行了等体积转化，主要考查不同塔径/塔高条件下的吸收效果，见表 3。实验及模拟工艺条件为：NaOH质量分数为0.5%、碱液进料量为0.2 L/min、压力为1 MPa。在此条件下，超重力实验所得CO2脱除率为88.59%。
根据表 3所示的等体积转化后的模拟计算结果可以看出，随着塔径的减小，塔高逐渐增加，最高可以达到1 152 mm。在CO2脱除率方面，在填料体积相等的条件下，塔径越小，塔高越高，CO2脱除率越高，其中，在塔径缩小至50 mm、塔高增加至288 mm时，CO2脱除率即可达到100%。
上述结果说明，吸收效果与气速和接触程度有很大的关系：在填料体积相同的条件下，塔径越小，气液两相的流速越高，湍动程度更加剧烈，因而具有更高的气液传质系数；另外，在进料量一定的条件下，塔径越小，气液发生沟流和偏流的可能性更小，吸收液能得到更充分的利用。对比发现，虽然在同样的填料体积条件下，调整填料塔的高径比达到一定值以后，CO2脱除率可以达到和超重力一样的效果，但与超重力反应器相比，填料塔的高度明显增加。其中，当模拟计算的CO2脱除率达到与实验值一致时(88.59%)，所需填料塔的高度为190 mm，约为超重力反应器高度的1.5倍。
冯奇等[14]对比了超重力反应器与常规填料塔的吸收效率，其中，超重力反应器达到最大脱除率的停留时间较短，故具有较高的吸收效率。这是因为超重力技术和常规填料塔最显著的区别就在于高速旋转的填料提供了更多的气液反应相界比表面积，提高了气液传质系数，表明超重力技术具有优越性，同时也说明对于超重力反应器的模拟，需要在上述等价转化的基础上对传质系数和相界比表面积进行一定的修正和优化。
常规填料塔模拟中使用的传质系数和相界比表面积的计算均采用了Onda-68方法[15]。大量应用研究表明，Onda-68主要适用于散堆填料的填料塔，为此，许多研究学者通过因次分析法建立了适用于超重力的传质经验关联式[16-17]。在此，为了简化分析过程，根据Reddy K J[16]和Rajan S[17]的计算公式得到超重力反应器的传质系数和相界比表面积，同时与Onda-68所得的计算结果相比。计算得到，相对于填料塔，在超重力转速为600 r/min的条件下，液相传质系数扩大了24.5倍，气相传质系数扩大了13.8倍，相界比表面积扩大了1.28倍。为此，我们将Aspen计算过程中的修正系数Tuning factors修改为上述数值(原始值均为1)。在此基础上，结合等价转化的填料塔尺寸，对不同实验工况条件下的CO2脱除率进行了模拟计算，结果见表 4。
由表 4可以看出，通过参数的修正之后，填料吸收塔的模拟结果接近实际实验值，其中，在1.0 MPa、0.2 L/min的碱液进料量和NaOH质量分数为2%的条件下，CO2脱除率的模拟值从原来的44.70%提高到90.50%，提高幅度显著，相对更接近实验值91.61%。从总体上来看，修正后的整体模拟结果达到了预期，最大偏差为3.50%，平均偏差为0.77%，说明修正后的参数基本可以应用于模拟实验结果。
利用Aspen模拟计算了超重力碱液吸收CO2的过程，并与转速600 r/min的超重力实验结果进行了对比，具体结论如下：
(1) 通过等价转化法将超重力反应器转化为常规的填料塔，并对比分析了各个影响因素对碱液吸收CO2过程的影响。结果显示，随着碱液进料量和压力的增加，CO2脱除率增加；在等价转化的条件下，实验得到的超重力吸收CO2脱除率约为常规填料塔模拟计算结果的2倍。
(2) 利用等体积转化法得到的模拟计算结果显示，为了达到相同的CO2脱除率，常规填料塔的高度约为超重力反应器高度的1.5倍左右。
(3) 在等价转化的基础上，对超重力反应过程的相界比表面积、液相和气相传质系数进行修正，修正之后的模拟计算结果与实验值接近，平均偏差为0.77%，验证了修正后的模型对于该超重力实验装置的可靠性。
2023, Vol. 52 Issue (1): 1-5 2023, Vol. 52 Issue (1): 1-5