降膜微反应器中CO_2化学吸收过程传质行为
化学吸收法回收低浓度CO_2工艺流程改进与模拟
2010年5月May 2010化学工业与工程CHEMICALINDUSTRY ANDENGINEERING第27卷Vol.27第3期No.3收稿日期：2009－09－27作者简介：李庆领（1959－）男，山东青岛人，青岛科技大学博士生导师。
联系人：李太星，E-櫓櫓櫓櫓櫓櫓櫓櫓櫓櫓櫓櫓櫓櫓櫓櫓櫓櫓櫓櫓櫓櫓櫓櫓毄毄毄毄。
化工模拟与计算文章编号：1004－9533（2010）03－0247－06化学吸收法回收低浓度CO 2工艺流程改进与模拟李庆领，李太星，刘炳成，李停停（青岛科技大学，山东青岛266061）摘要：现有MEA 法回收烟气中的CO 2工艺存在能耗较高的情况。
本研究开展了CO 2脱除工艺的节能研究。
通过在吸收塔中添加一股循环物流，对工艺流程做了改进。
采用商业软件Pro /Ⅱ，在全流程模拟的基础上采用不同再沸器热负荷操作条件，对改进前后的工艺进行了模拟研究，并对模拟结果进行了分析。
结果表明：改进后烟气脱碳工艺流程，在较低的再沸器热负荷条件下，提高了CO 2的脱除率，收率提高5.0% 14.3%，提高了CO 2产量。
在对收率要求不高条件下，再沸器热负荷降低7.5% 8.1%，节省了高压蒸汽，节能降耗效果明显。
关键词：MEA ；CO 2；节能优化中图分类号：TQ028.8文献标识码：ASimulation and Improvement of the Scrubbing Processfor the Recovery of Low-Concentration CO 2LI Qing-ling ，LI Tai-xing ，LIU Bing-cheng ，LI Ting-ting（Qingdao University of Science and Technology ，Qingdao 266061，China ）Abstract ：The existing process of the recovery of low-concentration CO 2in flue gas using MEA scrubbing consumes substantial amount of energy.In this paper ，an energy saving technology of CO 2desorption process was proposed.The process was improved by adding a cycling stream in the absorber.Desorption effect in different process before and after improvement in the operating conditions of different reboiler's thermal loads were simulated by commercial software Pro /Ⅱ.The simulation results of two different process were compared and analyzed.The results showed that the process after optimization could increase the desorption rate of CO 2in lower reboiler's thermal load ，save the high pressure steam and reduce ener-gy consumption of the process obviously.Key words ：MEA ；carbon dioxide ；energy saving 电厂烟气是CO 2的稳定排放源，排出的CO 2量超过排放总量的30%，回收烟气中的CO 2对控制CO 2的排放量具有重要的意义。
研究简报降膜微反应器中犆犗2 化学吸收过程传质行为
化 工 学 报 Ｉ Ｅ Ｓ Ｃ Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ Ｃ
ｏ ｌ ． ６ １ Ｎ ｏ ． ３ Ｖ ａ ｒ ｃ ｈ ０ １ ０ Ｍ ２
檭殐檭檭檭檭檭檭殐 Nhomakorabea研究简报
降膜微反应器中 犆 犗 ２ 化学吸收过程传质行为
犕 犪 狊 狊 狋 狉 犪 狀 狊 犳 犲 狉犫 犲 犺 犪 狏 犻 狅 狉 狊 犻 狀狆 狉 狅 犮 犲 狊 狊狅 犳 犮 犺 犲 犿 犻 犮 犪 犾 犪 犫 狊 狅 狉 狋 犻 狅 狀 狆 狅 犳犆 犗 狀犳 犪 犾 犾 犻 狀 犻 犾 犿犿 犻 犮 狉 狅 狉 犲 犪 犮 狋 狅 狉 狊 ２犻 犵犳
可得气相总传质系数
犓Ｇ ＝ 犌Ｎ２ 犚 犜犠犔 犢 （
ｉ ｎ
犢ｉ ｎ ｌ ｎ －犢ｏ ｕ ｔ＋ 犢ｏ ｕ ｔ
）
（ ） ２
１ Ｃ Ｏ ２ 吸收实验
设计了 ４ 种 降 膜 微 反 应 器 （ ， Ｆ ＦＭＲ Ⅰ ～ Ⅳ ） 微通道深 ０ ． ３ ｍｍ、 宽 １ ｍｍ， 通 道 数 量 为 ２ ０。 气 室形状为长方形空腔 ， 具体尺 寸 列 于 表 １， 其 基 本 结构和实 验 流 程 见 文 献 ［ ］ 。Ｎ １ １ Ｏ ２ 、Ｃ ２ 分别经质 量流量控 制 器 ， 并 经 混 合 器 混 合 后 形 成 气 相 混 合 气 ， 采用皂沫流量计和色谱标定其流量和组成 。 开 始实验时 ， 先 将 Ｎ ａ ＯＨ 溶 液 泵 送 入 降 膜 微 反 应 器 －１ 的微通道内以形成降液 膜 ， 流 量 大 于 ５ ｍ ·ｍ ｌ ｉ ｎ
，
犌 狉 犪 犱 狌 犪 狋 犲犛 犮 犺 狅 狅 犾 狅 犺 犻 狀 犲 狊 犲犃 犮 犪 犱 犲 犿 犮 犻 犲 狀 犮 犲 狊， 犅 犲 犻 犻 狀 ０ ０ ０ ４ ９，犆 犺 犻 狀 犪） 犳犆 狔狅 犳犛 犼 犵１
大气污染控制工程第七章课后习题答案
第七章气态活染物控制技术基础一、填空题1、吸收法净化气态污染物是利用混合气体中各成分在吸收剂中的不同，或与吸收剂中的组分发生，从而将有害组分从气流中分离出来。
【答】溶解度，化学反应2、用水吸收HC1气体属于，用N a OH溶液吸收S02属于，用酸性溶液吸收N H3属于。
【答】物理吸收，化学吸收，化学吸收3、目前工业上常用的吸收设备可分为、和三大类。
【答】表面吸收器，鼓泡式吸收器，喷洒式吸收器4、气体扩散同时发生在气相和液相中，扩散过程既包括，也包括。
【答】分子扩散，湍流扩散5、吸收操作线斜率Ls/G s称为吸收操作的液气比，物理含义为。
【答】处理单位惰性气体所消耗的纯吸收剂的量6、常用的吸收剂有和。
【答】水，碱金属钠、钾、铵或碱土金属钙、镁等的溶液7、防治S02污染的方法主要有清洁生产工艺、采用低硫燃料、、及等。
M g2+, S二酸，氨【答】燃料脱硫，燃料固硫，烟气脱硫8、湿式石灰/石灰石-石膏法存在结垢和堵塞问题，通过在吸收液中加入C a C l2、、、等添加剂可解决此问题。
【答】浆液的p H值，吸收温度，石灰石的粒度9、影响湿式石灰/石灰石-石膏法吸收效率的主要因素有，，，流体力学状态，控制溶液过饱和，吸收剂种类等。
【答】石灰/石灰石法，氧化镁法，钠碱法10、目前应用较多的脱硫方法有、、、氨吸收法、亚硫酸钠法、柠檬酸钠法等。
【答】催化还原法（选择性、非选择性)，吸收法，吸附法11、吸附设备主要有、和三种类型。
【答】固定床吸附器，移动床吸附器，流化床吸附器12、影响吸附容量的因素有、、、和。
【答】吸附剂表面积、吸附剂的孔隙大小、孔径分布、分子极性、吸附剂分子上官能团性质13、吸附区高度的计算方法有法和法。
【答】穿透曲线法；希洛夫近似法14、希洛夫方程式为。
【答】x=K L-t015、进入催化燃烧装置的气体首先要除去粉尘、液滴等有害组分，其目的为。
【答】防止中毒16、催化剂的组成为、和。
【答】主活性组分；助催化剂；载体17、催化剂的性能主要指其、和。
石墨降膜吸收器的应用原理
石墨降膜吸收器的应用原理石墨降膜吸收器是一种利用液体薄膜吸收气相物质的装置，广泛应用于化学、环保等领域。
其应用原理主要涉及质量传递、传热和流体力学等方面。
石墨降膜吸收器主要由吸收塔、填料层、进料口、底部出液口、水加入口、除气口等组成。
吸收塔内填有骨架填料，当气体进入吸收塔后，它会与液体产生接触，同时液体产生薄膜流动，在填料表面形成一个液膜，气体与液体薄膜进行物质传递，形成吸收剂的过程。
所以，流体的传质传热性能和填料性能对吸收器具有重要的影响。
在石墨降膜吸收器中，气体和液体之间通过传质作用来实现成份的转移，传质是一个相对剂量流动的过程。
传质过程中，气体分子间距越近，传递速率越快。
在吸收塔内，液体从塔顶均匀流向填料层，成为一层均匀的薄膜，气体通过填料与液体接触，吸收剂从液膜中传到气相。
由于气体分子不规则运动，流动不均，因此吸收塔中的某些部位气体的传输会受到限制，这些地方通常是填料层的上部和侧面，因此占据体积小的气泡和渗透性剂量也是相对较小的。
在石墨降膜吸收器中，气体通过填料与液体接触，两相之间发生传热。
传热的主要方式有三种：传导、对流和辐射。
在石墨降膜吸收器中，传热主要是通过传导和对流实现的。
传导主要指通过物体内部热平衡的传导方式，这种方式只在填料的内部进行。
传导热的传递过程中，由于热量的传递是由高温向低温的方向进行的，因此填料的温度分布将具有梯度。
传导热量与热阻成正比，温差相差较大时，热阻可以忽略不计，传导热量将增大。
对流是气体通过填料与液体接触的过程中，发生传热的另一种方式。
流体的动量传递，传热和传质的过程，主要是通过传统的弥散机制实现的。
在实际流体中，弥散过程受流体的流速、流程、粘度、密度、温度等多种因素影响。
吸收塔内的气液两相流动是一个相互联系而又相互制约的过程。
由于气相和液相的密度相差较大，相互之间的运动模式不同，因此流动行为也有所不同。
在这些复杂的流动过程中，气相和液相之间流体力学特性的变化对吸收器的传质和传热性能有着直接的影响。
CO_(2)化学吸收系统的垂直管式降膜再沸器传热传质研究
CO_(2)化学吸收系统的垂直管式降膜再沸器传热传质研究许利华;邓峰;吕勋;李蓝茜;王涛;方梦祥【期刊名称】《动力工程学报》【年(卷),期】2024(44)6【摘要】针对CO_(2)化学吸收系统中存在的高再生耗能和吸收剂长时间高温受热产生热降解的问题,提出了一种新型管式降膜再沸器。
通过对降膜流动特性分析,开展了液体分布器结构优化设计研究,并且在200m^(3)/h烟气CO_(2)化学吸收中试平台进行了系统热工实验,以验证降膜再沸器的传热传质性能并寻找最优操作参数。
通过降膜流动实验发现,优化接管开孔和分布槽孔径后的液体分布器不均匀度可显著降低至0.026。
结果表明,随着管内液相流速的增加及层流与湍流状态的转变,降膜再沸器总传热系数呈先减小后增大的趋势。
同时,随着蒸汽质量流量由60kg/h增加至70kg/h和80kg/h,再生率可由10%左右上升至20%左右,最高可达到24.7%,从而促进了胺溶液的二次解吸。
增加蒸汽流量和胺溶液进口温度,降膜再沸器热流量逐渐增大,整体传热性能逐渐增强,总传热系数随之增加。
所开发的CO_(2)化学吸收管式降膜再沸器,实现了降低吸收剂在再沸器内停留时间,同时提升了再沸器传热效率及胺溶液CO_(2)再生率,有望显著降低碳捕集再生热耗。
【总页数】9页(P964-972)【作者】许利华;邓峰;吕勋;李蓝茜;王涛;方梦祥【作者单位】浙江西子新能源工程技术有限公司;浙江大学能源清洁利用国家重点实验室【正文语种】中文【中图分类】TK124【相关文献】1.热管式降膜吸收器波动降膜传热传质过程模拟2.管式降膜再沸器内CO_(2)吸收液传热传质性能研究3.风冷垂直管降膜吸收器及其传热传质问题的研究4.热管式降膜吸收器波动降膜传热传质过程研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
CO_2对低温煤物理吸附氧过程的实验研究
Serial N o .466F ebrua ry .2008矿 业 快 报EXPRESS I NFORMAT I ONOF M IN I NG I NDUSTRY总第466期2008年2月第2期/十一五0国家科技支撑计划重点项目-煤矿火灾综合防治关键技术(项目编号:2006BAK03B05)王兰云(1983-),女,江苏泰州人,在读硕士研究生,221008江苏省徐州市。
CO 2对低温煤物理吸附氧过程的实验研究*王兰云 蒋曙光 吴征艳 邵 昊 秦俊辉(中国矿业大学)摘 要:通过分析煤对CO 2和N 2的等温吸附实验结果,发现煤吸附CO 2能力强于吸附N 2,而煤吸附N 2强于吸附O 2,因此C O 2的存在必定会对煤低温吸附O 2过程有重要影响。
考虑CO 2对煤吸附氧的影响,研究了CO 2对煤低温物理吸附氧过程作用实质的实验方案,试图探索延缓煤自燃的办法。
关键词:物理吸附;二氧化碳;氧气;煤自燃中图分类号:TQ 531.6 文献标识码:A 文章编号:1009-5683(2008)02-0029-03Experi m ental R esearch on Effects of CO 2on Oxygen Physisorption Process of Coal at Low Te m perat ureW ang Lanyun Jiang Shuguang W u Zhengyan Shao H ao Q in Junhu i(G raduate School of F ire Preventing and Exti n guishing ,China Un i v ersity o fM i n i n g and Techno logy)Abst ract :Coal can adsor b m ore CO 2than N 2by ana l y zi n g coals 'isother m a l adsorption experi m ent re -su lts ,and it is found out that coa l can adsor b m ore N 2than O 2.Therefore ,ex istence of CO 2has an i m por -tant e ffect on oxygen physisorption process of coal at l o w te m perature .Considering t h e above e ffec,t a test plan for the oxygen physisorption process o f coal at lo w te m perature is studied to investi g ate a m ethod to de l a y se l-f ign iting o f coa.lK eyw ords :Physisorpti o n;Carbon diox i d e ;Oxygen ;Sel-f i g niti n g o f coal煤氧复合作用是一个物理吸附动力、化学吸附动力及化学反应动力学相互交错的过程。
酸性气体CO_2的膜分离技术研究进展
发展促进运输膜用于酸性气体分离的一个早 期尝试包括被固定在多孔支撑膜上的室温熔点盐 的应用[23] 。这些盐不易挥发 ,因此解决了早期水相 促进运输膜挥发性的问题 。包含 F- 和 CH3 COO 的低熔点含水盐膜对酸性气体具有良好的选择性 , 酸性气体和含水盐发生可逆反应 ,而其他气体在含 水盐里的溶解度和渗透性都很低 。这种含水盐形 成的膜对 CO2ΠH2 和 CO2ΠCH4 的选择性分别为 30～ 360 和 140～800 。
目前 ,用于酸性气体 CO2 分离的方法主要有物 理吸收法 、物理吸附法 、化学吸收法 、低温冷凝法和 气体膜分离法 。其中气体膜分离技术是 20 世纪 80 年代开发成功的一种高新技术 ,其研究和开发已成 为世界各国在高新技术领域中竞争的热点 。目前 正在发展和具有发展潜力的气体膜分离过程主要 有 : H2 的分离回收[126] ,空气分离[728] ,有机蒸汽的 净化 与 回 收[9] , 天 然 气 的 净 化[10211] , 氦 的 分 离 回 收[12] 等 。气体膜分离法正发展成为分离酸性气体 的一项重要技术 。本文对国内外用气体分离膜分 离 CO2 方面的研究作一介绍 。
陶凤云1 ,张新妙2 ,马润宇2
(11 北京联合大学 生物化学工程学院 ,北京 100023 ;21 北京化工大学 生命科学与技术学院 ,北京 100029)
[ 摘 要 ] 气体膜分离法正发展成为分离酸性气体的一项重要技术 。介绍了其基本原理 ,国内 外开发的新型膜材料及性能的研究进展 ,指出了发展前景 。 [ 关键词 ] 气体分离膜 ;膜材料 ;酸性气体 ;CO2 [ 中图分类号 ] TQ 02818 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 100520310 (2006) 0220023204
CO_2微通道气体冷却器压降与传热特性研究
１ 实验方案和实验参数
１．１ 实 验 方 案 如图１所示，实 验 系 统 由 ＣＯ２ 压 缩 机、微 通 道
平行流式气冷器、回 热 器、节 流 阀、蒸 发 器 和 气 液 分 离器等部件组成．实 验 换 热 测 试 段 各 测 点 的 布 置 如 图２所示，各点的温度采 用 安 捷 伦 温 度 测 试 仪 （Ｊ型 热电偶，２４ 个 温 度 测 量 通 道，测 量 范 围 为 －５０～ １ ６００ ℃，测量精度为±０．１ ℃）进行测量．采用美国 ＦＬＵＫＥ 公司的 Ｔｉ３０红外线 热 成 像 仪 （测 量 范 围 为 －１０～２５０ ℃，测量精度 为 ±２ ℃）对 微 通 道 气 冷 器 表面进行实时温度 测 量．ＣＯ２ 流 量 采 用 艾 默 生 过 程 控制有限公司生产 的 Ｆ０２５ 型 高 准 质 量 流 量 计 进 行 测量，测 量 范 围 为 １００～９００ ｋｇ／ｈ，测 量 精 度 为 ±０．１０％．通过改变 压 缩 机 出 口 处 并 联 的 ２ 个 截 止 阀门的开启度来实 现 流 量 的 无 级 调 节．实 验 测 得 的 温度、流量等数据与 测 量 仪 器 精 度 之 差 值 均 在 误 差 容许的范围内，因此 可 以 忽 略 测 量 仪 器 精 度 造 成 的
（１．华 南 理 工 大 学 机 械 与 汽 车 工 程 学 院 ，５１０６４１，广 州 ；２．广 州 万 宝 集 团 公 司 ，５１０６２０， 广 州 ；３．广 东 水 利 电 力 职 业 技 术 学 院 ，５１０６３５，广 州 ；４．宝 马 利 汽 车 空 调 设 备 有 限 公 司 ，５２９５６５，广 东 阳 江 ）
超临界CO_2中CO_2参与的化学反应_魏福祥
化
学
世
界
2010 年
超临界 CO2 中 CO2 参与的化学反应
魏福祥 , 王浩然 , 李 彤, 王占辉
( 河北科技大学环境科学与工程学院 , 河北 石家庄 050018)
摘 要 : 超临界 CO2 中的化学反应是目前的研究热点之一 。超临界 CO2 既为反应介质又为反应物 的化学反应的主要优势是将萃取与反应相耦合形成均相体系, 排除了传质阻力 , 提高了反应的速率 和选择性; 产物与催化剂易于分离; 同时 CO 2 作为反应原料无毒、 不燃 、 易得, 不但可以代替有机溶 剂和有毒原材料 , 而且可有效利用 CO2 。介绍了超临界 CO2 作为反应原料所参与化学反应的类型 及特点 , 简单综述了这些化学反应的研究进展 , 并对未来的发展提出展望。 关键词 : 超临界 CO 2 ; 化学反应; 反应物 中图分类号 : T Q 03 - 39 文献标志码 : A 文章编号: 0367 - 6358( 2010) 09 -0568 - 06
Abstract: T he chemical r eact ions in supercritical carbon diox ide ( scCO2 ) have at tr act ed increasing int er est. T he pr im ary advant age of scCO2 as react io n medium and react ant is t he coupling of ext ract ion and react ion to f orm a hom ogeneous syst em. In such case, t he m ass t ransport limit at ions are elim inat ed, t he react ion rate and select ivit y are improved and t he separat io n o f product and cataly st becomes easier. At t he same tim e, CO2 as a react io n raw mat er ial is non - t ox ic, no n - flam mable and easy t o get. It do es not only can replace the org anic solv ent s and t ox ic m at erials, but also prom ate t he ef fect ive use CO2 . T his art icle describes t he t ype and charact erist ics of chem ical reactions involv ed, scCO2 and t he prog ress of t he st udy of these chem ical react ions is r ev iew ed. Finally, the dev elo ping tr ends of the f ield are discussed. Key words: super crit ical carbo n diox ide; chem ical r eact ion; reactant
微藻膜反应器去除密闭环境空气中CO2的研究
二、微藻固定CO2度快、光合作用效率高、适应性强等优 点。在光照条件下，微藻可以通过光合作用吸收水中的二氧化碳并转化为有机物 质，从而实现二氧化碳的固定。此外，微藻还可以吸收多种营养物质，如氮、磷 等，进一步提高其固定二氧化碳的能力。
三、微藻固定燃烧烟气中CO2的 研究进展
参考内容
一、引言
随着工业化和能源需求的不断增长，化石燃料的消耗量逐年上升，导致了全 球范围内二氧化碳（CO2）排放量的增加。这种不断增加的碳排放量不仅加剧了 全球气候变化，还对人类生活环境产生了严重影响。因此，开发有效的二氧化碳 减排技术已成为当前全球范围内的研究热点。其中，利用微藻固定燃烧烟气中的 二氧化碳是一种具有巨大潜力的技术。
四、研究结果
实验结果表明，微藻膜反应器对密闭环境空气中的CO2具有显著的去除效果。 在实验过程中，微藻生长良好，且随着光照、温度等条件的优化，其生长速率和 CO2去除效率均有所提高。通过气相色谱仪监测和分析，发现反应器内空气中的 CO2浓度显著降低，且随着微藻生物量的增加，CO2的去除效果更加显著。
微藻膜反应器去除密闭环境空气中 CO2的研究
01 一、引言
目录
02 二、研究现状
03 三、研究方法
04 四、研究结果
05 五、结论与展望
06 参考内容
一、引言
随着工业化和城市化进程的加速，密闭环境如室内、地下设施以及密封舱等 中的空气质量逐渐引起人们的。其中，二氧化碳（CO2）的累积问题尤为突出。 CO2浓度过高可能导致室内空气质量下降，对人类健康产生不良影响，同时也会 对密闭环境内的生态系统造成压力。为了降低CO2浓度，多种方法被研究和实践， 其中包括微藻膜反应器去除密闭环境空气中的CO2。本次演示将探讨微藻膜反应 器在此方面的效果和机理。
填料塔中的NaOH水溶液脱除空气中微量CO_2的传质动力学
实验条件: G/ kmol(m- 2(h- 1: 103. 9, L / m3(m- 2( h- 1: 15. 3 进口气体中 CO2 含量/ 10- 6V(V - 1: ) 600 ∋ 5∗ 1000 ∋ 5
图 5 吸收液中 NaOH 浓度对 KG av 的影响 图 4 是 在 相 同 的 NaOH 浓 度 下, 液 体 流 量 对 K G av 的影响。从图 中可以 看出, 液 体流量 对 K G av 的影响较小; 随着液体流量的增大, K G av 略微降低。 从图 2、图 3 以及图 5 可 以看出, NaOH 浓度 对 K G av 有显著影响, 随着 NaOH 浓度的升高, 体积传质 总系数有显著提高。这主要是因为传质阻力主要集 中在液膜之中。由于 NaOH 水溶液吸( 下转第 40 页)
1∃ CO2 气体; 2∃ 空气压缩 机; 3∃ 阀; 4∃ 流量计; 5 ∃ 气体混合器; 6∃ 便 携式红外线 CO2 分析仪;
7∃ 填料吸收塔; 8 ∃ 液体贮槽; 9∃ 泵
图 1 实验流程图
骆培成等 填料塔中的 NaOH 水溶液脱除空气中微量 CO2 的传质动力学 2004. Vol. 18, No. 2 化工时刊
Key words carbon dioxide sodium hydroxide packed tower volumetric overall mass transfer coefficient air pollution
随着人们生活水平的不断提高, 人类越来越关注 自身的健康, CO2 是室内空气中的主要污染物之一, 国家标准[ 1] 规定了室内空气中 CO2 的最高容许浓度。 在人群密集的有限空间中, CO2 的浓度通常比空气中 正常值高很多倍。因而, 人们开发新型室内空气净化
化工单元操作-传质过程(吸收)
• 2.解吸方法 • 解吸方法有汽提解吸、减压解吸、加热解吸、
加热减压解吸。工程上很少采用单一的解吸方 法，往往是先升温再减压至常压，最后采用汽 提法解吸。 • （1）汽提解吸 也称为载气解吸法。 • 向解吸塔中通入不含溶质的惰性气体或溶剂蒸 气等气体，降压液面上溶质气体的分压，使吸 收剂中溶质气体更完全的解吸出来，常以空气 、氮气、二氧化碳、水蒸气、吸收剂蒸气作为 载气。
经济上：X 2L (1.1 ~ 2.0)Lmin
4、塔内返混
吸收塔内气液两相可因种种原因造成少量流体发生
与主流提方向相反的流动，这一现象称为返混。
传质设备发生返混会使传质推动力下降、效率降低
或填料层高度增加。
5、吸收剂是否再循环
吸收剂再循环会降低吸收推动力，使填料层 高度加大，但当喷淋密度不足以保证填料的 充分润湿时，必须采用溶剂再循环。
• 第五节 解吸和吸收流程
一、基本概念——解吸
• 从吸收液中分离岀已被吸收的气体吸收 质的操作称为解吸。显然，解吸与吸收 是相反的过程。生产中解吸的作用有两 个：一个是把吸收剂中吸收的气体重新 释放出来，获得高纯度的吸收质气体； 另一个是使吸收剂释放了被吸收的气体 ，使吸收剂从新具有吸收作用，再返回 吸收塔循环使用，节约操作费用。
1、液气比
操作线斜率L/V称为液气比，是吸收剂与惰性气体摩 尔流量之比，反映了单位气体处理量的吸收剂消 耗量的大小。
当气体处理量一定时，确定吸收剂用量就是确定液 气比，是一个重要参数。
膜反转板式降膜吸收过程
第59卷 第11期 化 工 学 报 V ol .59 N o .11 2008年11月 Journal o f Chemical Industry and Eng ineering (China ) N ovember 2008研究论文膜反转板式降膜吸收过程石景祯,崔晓钰,徐之平,唐 聪(上海理工大学动力工程学院,上海200093)摘要:结合板式降膜技术与膜反转技术的优势,提出了一种新型膜反转板式降膜吸收器。
设计并建立了膜反转板式降膜吸收试验台,在试验台上完成了不同吸收压力、溶液流量、进口温度、冷却条件等对膜反转板式降膜吸收器传热传质性能影响的系列实验研究,得到该吸收器的传热传质性能。
为膜反转板式降膜热质传递设备的科学研究、工程设计和实际应用提供了一定依据,也为进一步开发高效紧凑的热质传递元件及设备提供了一些方法和思路。
关键词:传热传质;吸收器;降膜吸收;膜反转中图分类号:T Q 021 文献标识码:A文章编号:0438-1157(2008)11-2756-06Plate falling film abso rber with film -inverting configurationSH I Jing zhen ,CU I Xiaoyu ,XU Zhiping ,TANG Cong(School o f Pow er Engineering ,University o f S hanghai f or Science and T echnology ,S hanghai 200093,China )Abstract :Plate falling film absorber w ith film -inve rting config ura tion is a new ty pe abso rber that com bines plate falling film absorptio n with film -inver ting technique .An ex periment set -up w as built and a series of ex periments w ere carried out to study the effects o f different co nditions ,such as abso rptionpressure ,solutio n flow rate ,solution inlet co ncentratio n and temperature ,and cooling w ater ,etc .,on the abso rption process .The performance o f the heat and m ass transfer fo r the film -inver ting config uration w as investigated .Such data can serve as the basis for the design and applicatio n of this type of abso rber .Key w o rds :heat and mass transfer ;absorbe r ;falling film abso rption ;film -inverting 2008-02-18收到初稿,2008-08-24收到修改稿。
CO_2吸收模型中容积传质系数的确定
铁 水 预脱硫 工 艺 已经成 为现 在钢 铁行业 中必
定， 就可 以反 映 出吸收 速率 的情 况 ． 传质 系数 的测 定 方法有 两 大类 ， 即物 理法 和化 学法 ． 文利 用化 本
不 可少 的环 节 ， 目前 比较 常用 的有 两种 脱硫 工艺 ：
一
种是 以 Ｃ Ｏ为 主要 原 料 的 Ｋ 机 械搅 拌 法 Ｊ ａ Ｒ ，
（ 东北 大学 多金属共生 矿生态化利用教育部重点实验室 ，沈 阳 １０ １ ） １８ ９
摘
要 ：气泡微 细化是 “ 位机械搅 拌法铁水 炉外脱 硫技术 ” 的关键 ．气液传 质系数 是研究 气液 吸收过程 原
的基本参数．本文根据相似性原理建立水模 型实验 装置 ，并通过测定 Ｎ Ｏ ａ Ｈ吸收 Ｃ 的速率来研究气 泡微细 Ｏ 化过 程 ，同时根据吸收原理定量计算 出容积传质 系数 舭 及 Ｃ ： Ｏ 气体利 用率 叼 当溶 液 ｐ ． Ｈ值从 １ ２降低 到 ９
的过程 中，容积传质系数为 ２ ９ ８Ｘ１ ～ｍ ／ ，本实验所用 ｃ ： ． ３ ０ ｓ ０ 的利用率 的公式 可简化为 ：叼＝１ ．８ Ｑ ．本 ８ ９／ ｔ
论 文的研究结果可为进一步研究 吸收速率 提供 理论 依据．
关键词 ： 容积传质 系数 ；ｃ ｏ 利用率 ；水模型 ；气泡微细化
（ ） ８ ７—８ ６ ７ ：０ １．
（ ｎ ｄ Ｃｈ ． Ｗ ａａ ａ Ｔｅ ｓ ｈ ｒ ． Ｔｈｅ ｆｃｏ ｓ ｆ ｃ ｔ ｅ Ｉａａ ｉ ｔ ｎ ｂｅ ｔｕ ｉｏ ａ ｔ ｒ ａ ｅ ｔ ｈ
３ 结 论
本文 通过 ｐ Ｈ值 测定 法研 究气 泡 微 细 化 实验
ａ ｓｒ ｔ ｎ ｏ Ｏ。ｉ ｅＮａ ｂｏｐ ｉ ｆ ｏ ｃ ｎ ｔ ＯＨ ｌｔ ｎ Ｊ 】 ｒ ｎａ ｄ ｓ ｅ． ｈ ｓ ｕ ｏ Ｉ ．Ｉ ｎ ｅ１ ｏ ｉ ｏ ｔ １ ７ ， ２ ７） ８ ７— １ ．） ９６６ （ ： ０ ８６
填料塔中活化MDEA吸收CO_2的模拟研究_张旭
化 学 工 程 CHEMICAL ENGINEERING (CHINA)
Vol.32 No .5 Oct .2004
填料塔中活化 MDEA 吸收 CO2 的模拟研究
张 旭1 , 王 军2 , 张成芳3 , 杨燕华1
(1.上海交通大学 核科学与系统工程系 , 上海 200230;2.东华大学 环境工程系 , 上海 200051 ;3 .华东理工大学 化学工艺研究所 , 上海 200237)
础上 , 采用吸收塔模拟计算程序对 MDEA 吸收 CO2 过程进行模拟计算 。 模拟结果 和设计值进行 了比 较, 见表 3 。结果表明, 当各种工艺条件一致时 , 采用本模拟软件的计算值与设计值比较符合 。
表 3 塔高的设计值 与模拟计算值的比较 Tab .3 Comparison of the height of tower between
200230 , China ;2 .Department of Environmental Engineering , Donghua University , Shanghai 200051 , China ;3 .East China University of Science and Technology , Shanghai 200237 , China) Abstract :According to the fundamental research of CO2 absorption into activated MDEA (N-methyldiethanolamine) aqueous solution and the study results of the packed absorption tower , the CO2 absorption process of commercial absorption tower was studied thoroughly to meet the need of industrial design and reconstruction .The novel mathematics model based on the basic principle of chemical engineering and the corresponding simulation software were established to calculate the height of absorption tower .The simulation of the commercial column of carbon dioxide absorption was carried out successfully by such modified kinetics model . Key words:simulation ;CO2 removal ;absorption ;packed tower ;MDEA ;CO2
膜接触器分离溷合气中二氧化碳
文章编号:1007-8924(2005)05-0015-06膜接触器分离混合气中二氧化碳陆建刚 马 骏 王连军3(南京理工大学化工学院,南京210094)摘 要:以N -甲基二乙醇胺(MDEA )水溶液为吸收剂,采用疏水性聚丙烯中空纤维膜组件(HFPPM )作为膜接触器,研究了膜接触器分离CO 2/N 2混合气传质性能,主要考察了吸收剂浓度,液速,吸收温度,原料气浓度和气速等因素对CO 2吸收性能的影响,比较了同一膜组件不同流程和不同膜组件及膜形态对分离效果的影响,并对膜组件运行的稳定性进行了初步考察.实验结果表明,采用MDEA 溶液和HFPPM 膜接触器分离CO 2/N 2混合气具有较快的传质速率和较高的分离效率.关键词:膜接触器;聚丙烯中空纤维膜;N -甲基二乙醇胺;二氧化碳中图分类号:TQ028.8 文献标识码:A 随着现代工业的发展,人类对煤、油、天然气等含碳化合物燃料的大规模使用,以及大面积森林火灾和绿色植物的破坏,导致大气中CO 2的浓度逐年增加,由此引起的“温室效应”已引起世界各国的广泛关注.因此研究开发安全有效的分离CO 2技术也引起人们的重视.分离CO 2的方法主要有分子筛吸附、溶剂吸收、深冷分离,以及膜分离.膜分离又包括固体膜、液膜和膜接触器3种.膜接触器是膜技术与气体吸收技术相结合的新型膜分离过程.其特点是比表面积大,分离效果高,而膜组件体积小,能耗低,操作简单,不会产生传统气液反应器(如填料塔等)出现的液泛和雾沫夹带等现象[1-5].本文基于膜接触器气体吸收过程和原理[6],以N -甲基二乙醇胺(MDEA )水溶液为吸收液,采用疏水性聚丙烯中空纤维膜组件作为膜接触器,研究了多种因素对CO 2传质性能的影响和HFPPM 分离效果.1 膜接触器原理1.1 膜接触器结构采用管壳式膜接触器的结构按流体运动的方向可分为平行逆流式(如图1a )和错流式(如图1b ). 其主要区别在于错流式膜接触器在膜组件中设置挡板,使流体流向成交叉状.Wang 和Cussler [7]认为在传质过程由膜或管程边界层阻力控制的情况下,通常采用平行逆流式的效果较好.当壳程边界层阻力大时,则采用错流式,错流式的缺点是增加的挡板会增加组件的压降,并给制造带来难度.图1 膜接触器的结构图Fig.1 Schematic design of membrane contactor1.2 传质过程双膜理论根据双膜理论,当传质过程处于稳定状态时,在多孔中空纤维膜表面分别形成了气相边界层和液相边界层(如图2),其传质过程主要经历4个过程:1)气相中的物质在气相边界层中的扩散过程;2)膜孔 收稿日期:2004-02-27;修改稿收到日期:2004-04-17基金项目:江苏省环保科技项目资助(2002005)作者简介:陆建刚(1963-),男,江苏海门人,博士生,高级工程师,从事膜分离技术.3通讯联系人,E -mail :wanglj @第25卷 第5期膜 科 学 与 技 术Vol.25 No.52005年10月MEMBRAN E SCIENCE AND TECHNOLO GY Oct.2005中物质的传递过程;3)气液两相界面的物质溶解-吸收过程;4)液相界面的物质向液相主体扩散过程.在采用疏水膜时,膜孔内充满气体,为防止气泡渗入液相,操作时必须保持气相压力略低于液相压力,但气液相压差不能超过膜润湿压力,否则液相会润湿膜孔,溶液渗入膜孔,造成膜相阻力增大和液体渗漏至膜另一侧.图2 疏水性HFPPM 传质过程示意图Fig.2 Schematic diagram of mass transferin hydrophobic HFPPM1.3 吸收剂特性N -甲基二乙醇胺(MDEA )是目前脱除天然气等工业气体中酸性气体(如CO 2,H 2S )常用的溶剂,其主要优点是吸收负载高,腐蚀性小,降解程度低,容易再生.MDEA 属于碱性有机化合物,由于羟基的存在而易溶于水(如图3a ).MDEA 中N 的三个SP 3杂化轨道分别与C 的S 轨道构成σ键,尚有一对未共用电子对占用另一个SP 3杂化轨道(如图3b ).同时由于烷基和羟烷基的供电子性使N 的电子云密度增加,易与质子结合,形成的铵离子更稳定,MDEA 的碱性也增强[8].图3 MDEA 分子结构和N 原子电子分布示意图Fig.3 Schematic diagram of MDEA molecular structureand electron distribution of N atom在MDEA -H 2O 脱除CO 2的体系中,既存在化学吸收,也存在物理吸收,同时在水溶液中还存在各种离解反应,其中包括水的离解、MDEA 的质子化和CO 2的水解.MDEA 与CO 2的反应:H 2O++OH -(1)CO 2+OH -HCO 3-(2)CO 2+H 2OH ++HCO 3-(3)(CH 2CH 2OH )2CH 3N +H + (CH 2CH 2OH )2CH 3N H +(4)总反应式:(CH 2CH 2OH )2CH 3N +CO 2+H 2O (CH 2CH 2OH )2CH 3N H ++HCO 3-(5)2 实验装置及流程实验装置如图4所示.实验分别采用气体在HFPPM 膜丝内(管程)流动,吸收剂在壳程流动(Path -1);或者气体在壳程流动,吸收剂在管程流动(Path -2).在膜组件中,气相与液相逆流通过膜组件,除特别指明外,均采用壳程流动(Path -1).1.混气瓶;2.气体流量计;3.膜组件;4.计量泵;5.冷却器;6.再生器;7.冷却器;8.气液分离器;9.储缸;P.压力表;A.取样点图4 酸性气体膜分离流程图Fig.4 Schematic diagram of process flowsheet for separation of acid -gas in membrane contactor在室温下,CO 2/N 2混合气事先按实验要求在配气系统上配制,并分析其组成.混合气由混气瓶〔1〕经减压阀减压至接近常压,气流经气体流量计〔2〕进入膜组件〔3〕中,混合气中CO 2通过膜孔扩散至膜另一侧,被醇胺溶液吸收,进入液相;吸收后的气相从膜组件另一端气体出口放出.储罐〔9〕中的溶液由计量泵〔4〕抽出,送入膜组件〔3〕中,吸收扩散过来的CO 2,离开膜组件的溶液进入再生器〔6〕进行热再生(热量由电加热器提供),再生出来的CO 2和水蒸气经冷却器〔7〕冷却后进入气液分离器〔8〕分离,CO 2放空,冷凝液回流至再生器顶部.再生器中再生后的溶液经冷却器〔5〕冷却后流入溶液储罐〔9〕,溶液以此循环,溶液的低负载保证液相表面低平衡分压,维持高的CO 2推动力,系统实现吸收-再生连续循环操作.膜组件进出口气相组成由GC920型气相色谱 ・16 ・膜 科 学 与 技 术第25卷 仪(上海海欣分析仪器公司生产)分析测定,液相醇胺组成由CP3380型气相色谱仪(美国Varian 公司生产)分析测定,溶液总碱由酸碱滴定测定,液相CO 2采用化学分析法测定.膜及组件由浙大凯华膜技术有限公司(组件A )和天津海水综合利用研究所(组件B )提供,其物理特性参数见表1,参数由厂商提供.实验过程中,除特别指明外,均采用浙大凯华膜.表1 多孔聚丙烯中空纤维膜特性参数Table 1 Characteric parameters of the HFPPM module组件壳内径/mm 壳外径/mm膜根数有效长度/mm 膜外径/μm膜壁厚/μm 平均孔径/μm 孔隙率/%A 6065400020040040～450.0245B 324012003005001000.05603 实验数据处理膜接触器的传质性能用总体积传质系数K G a 及吸收率η作为评价指标,由于混合气中CO 2含量相对较低,衡算过程中忽略了进出口气相体积的变化.根据传质速率方程和物料衡算关系,得出下列等式:F (C g ,in -C g ,out )=A l KG aΔC m =A l K G a (C g ,in -C 3g ,in )-(C g ,out -C 3g ,out )ln[(C g ,in -C 3g ,in )/(C g ,out -C 3g ,out )](6) 对该反应体系,CO 2与MDEA 的反应为快速反应[9],平衡浓度C 3g ,in 与C 3g ,out 很低,可近似认为等于零,则式(6)可简化为:K G a =F A l ln C g ,in C g ,out(7)吸收率η可由下式表示:η=C g ,in -C g ,out C g ,in 100%=(1-C g ,outC g ,in)100%(8)式中,F 为气体流量,m 3/s 或L/min ;L 为液体流量,mL/min ;A 为膜组件截面积,m 2;C 为浓度,mol/L ;l 为膜组件有效长度,m ;下标g 为气体;m为膜;in ,out 为进口、出口;l 为液体;i 为界面.4 结果与讨论4.1 吸收剂浓度对分离效果的影响在气速、液速一定的实验条件下,随着吸收剂浓度的提高,CO 2吸收率η和总体积传质系数K G a 增大,如图5所示.吸收剂浓度在1.0～2.5mol/L 范围内,η和K G a 显著增大.根据传质机理,MDEA 与CO 2反应属于化学反应,反应发生在气液两相界面,吸收剂浓度的提高,使得化学增强因子增大,液相分传质系数大大提高,导致总体积传质系数的增加.但当吸收液浓度>2.5mol/L 时,η和K G a 增加趋势减缓.这是由于浓度的提高改变了溶液的物性(如黏度等),影响吸收CO 2的产物在液相中的扩散速度.因此吸收剂浓度存在一个最佳值.4.2 吸收液流量对分离效果的影响如图6所示,在吸收剂浓度为2.5mol/L 时,随图5 MDEA 浓度对CO 2吸收率η和总体积传质系数K G a 的影响Fig.5 E ffect of concentration of MDEA on ηand K G a图6 吸收液流量对总体积传质系数K G a 的影响Fig.6 E ffect of flowrate of absorber on K G a着吸收液流量的增大,总体积传质系数K G a 增大.这是由于吸收液流量的增加,膜组件内的湍流扰动增强,减小了吸收液液相界面层的厚度,降低了界面层传质阻力,提高了吸收CO 2的产物向吸收液的扩散速度和吸收剂向界面的扩散速度,保持在气液两 第5期陆建刚等:膜接触器分离混合气中二氧化碳・17 ・ 相界面有较高的吸收剂浓度,吸收产物能被吸收液快速带走,从而导致了总体积传质系数K G a 增大.4.3 吸收液温度对分离效果的影响将溶液储罐置于恒温槽中,通过改变吸收液温度并保持恒温,来调节膜接触器中吸收温度.在实验条件下,吸收剂浓度为2.3mol/L 时,图7表明,随着吸收温度的升高,CO 2吸收率η随之下降.这与CO 2在MDEA 中的溶解度随温度的升高而降低有关.因此可通过加热再生MDEA 溶液,达到循环使用的目的.图7 吸收液温度对CO 2吸收率η的影响Fig.7 E ffect of temperature of solution on η4.4 CO 2含量对分离效果的影响由图8可以看出,在吸收剂浓度为2.5mol/L时,总体积传质系数K G a 随混合气体中CO 2浓度提高而减小.其原因是:根据双膜理论,CO 2浓度的提高导致气相边界层增厚,增大了气相边界层阻力,大量的CO 2在膜孔中扩散受阻,导致了总体积传质系数K G a 的减小[10].图8 CO 2含量对总体积传质系数K G a 的影响Fig.8 E ffect of CO 2concentration on K G a4.5 进料气流量对分离效果的影响由图9,图10可见,在吸收剂浓度为2.5mol/L时,随着进料气流量的增加,总体积传质系数K G a 增加,而CO 2吸收率η降低.这可以理解为当气流量的增加,气相阻力层变薄,导致了气相分传质系数的增大,因而总体积传质系数K G a 增大,而气流量增加,使气体在膜组件内停留时间变短,CO 2未被充分吸收即被带离膜组件,被吸收的CO 2量减少,导致了CO 2吸收率η降低.这也证明进料气流量对CO 2吸收率的影响与吸收CO 2的停留时间有依赖关系[11].图9 气体流量对总体积传质系数K G a 的影响Fig.9 E ffect of gas flow rate on K G a图10 气体流量对CO 2吸收率η的影响Fig.10 E ffect of gas flow rate on η4.6 膜接触器流程对分离效果的影响图11 膜接触器流程对CO 2吸收率η的影响Fig.11 E ffect of membrane contactor process on η从图11可以看出,在吸收剂浓度为2.5mol/L ・18 ・膜 科 学 与 技 术第25卷 时,在同一膜组件中,流程Path -1的吸收率明显高于流程Path -2.造成这种结果,是由于气体在膜丝内流动时分布均匀,不存在短路或死角;而气体在壳程内流动,因膜组件内膜丝装填不均匀,空间分布对称性差,易形成短路或死角,使得CO 2未被充分吸收就离开了膜接触器,从而吸收率下降.4.7 不同膜组件对分离效果的影响在实验条件下,吸收剂浓度为2.5mol/L 时,分别采用组件A 和组件B 考察不同膜组件对CO 2分离效果的影响.由图12中数据比较可看出,具有较大的高径比和高孔隙率的组件B 的总体积传质系数K G a 比组件A 大.在实验条件下,组件B 的K G a 值是组件A 的1.3倍以上.图12 不同膜组件对总体积传质系数K G a 的影响Fig.12 E ffect of different membrane contactors on K G a4.8 膜接触器的稳定性运行图13数据表示了膜接触器分离CO 2随操作时间的变化情况.在吸收剂浓度为2.5mol/L 时,实验表明,膜接触器操作达到稳定的时间较短,易于稳定操作,在达到稳定操作后,在较长的时间内,膜接触 图13 膜接触器的稳定性Fig.13 Stability of membrane contactor器仍能保持较高的吸收率.5 结论实验表明,采用一定浓度的吸收液,提高吸收液流量,或降低进料气浓度,进料气流量,可以有利于提高CO 2的吸收率.CO 2的吸收率随吸收温度的升高而下降.采用气体流经管程,液体流经壳程的流程,其吸收率高于气体流经壳程,液体流经管程的流程.具有较大的高径比和高孔隙率的HFPPM 膜接触器总体积传质系数K G a 大.膜接触器在实验时间内可稳定操作.因此,采用MDEA 溶液和HFPPM 膜接触器分离CO 2/N 2混合气具有较快的分离速率和较高的分离效率.参考文献[1]Rangwala H A.Absorption of carbon dioxide into aqueoussolutions using hollow fiber membrane contactors [J ].J Membr Sci ,1996,112:229-240.[2]郭占虎,史季芬,徐静年,等.中空纤维膜组件分离酸性气体[J ].化工冶金,2000,21(3):268-273.[3]Bhaumik D ,Majumdar S ,Sirkar K K.Absorption of CO 2in a transverse flow hollow fiber membrane module having a few wraps of the fiber mat [J ].J Membr Sci ,1998,138:77-82.[4]金美芳,曹义鸣,邢丹敏,等.膜吸收法脱除二氧化硫[J ].膜科学与技术,1999,19(3):44-46.[5]袁 力,王 志,王世昌.膜吸收技术及其在脱出酸性气体中的应用研究[J ].膜科学与技术,2002,22(4):55-70.[6]刘 涛,史季芬,徐静年,等.中空纤维膜气体溶剂的吸收分离过程[J ].化工冶金,1999,20(1):11-16.[7]Wang K L ,Cussler E L.Baffled membrane modules madewith hollow fiber fabric[J ].J Membr Sci ,1993,85:265-278.[8]蒋硕健,丁有骏,李明谦.有机化学[M ].第二版.北京:北京大学出版社,1998.278-279.[9]Zhang Qi ,Cussler E L.Microporous hollow fibers for gasabsorption[J ].J Membr Sci ,1985,23:333-345.[10]叶向群,孙 亮,张 林,等.中空纤维膜基吸收法脱除空气中的二氧化碳的研究[J ].高校化学工程学报,2003,17(3):237-242.[11]朱宝库,陈 炜,王建黎,等.膜接触器分离混合气中二氧化碳的研究[J ].环境科学,2003,24(5):34-38. 第5期陆建刚等:膜接触器分离混合气中二氧化碳・19 ・ Separation of carbon dioxide from gas mixtures by membrane contactorL U Jiangang ,M A J un ,W A N G L ianj un(School of Chemical Engineering and Technology ,Nanjing University of Scienceand Technology ,Nanjing 210094,China )Abstract :Membrane contactor made of hollow fiber polypropylene membrane (HFPPM )was used as separator.The absorbent was the aqueous solution of MDEA (N -methyldiethanolamine ).Mass -transfer performance of separating CO 2from N 2/CO 2was studied in HFPPM contactor.Effect of various factors ,including concentra 2tion of absorbent and feeding gas ,temperature of operation ,flow velocity of absorbent and feeding gas ,lumen/shell side processes ,and differences of membrane modules and membrane configuration on the CO 2absorption ef 2ficiency were investigated.Meanwhile ,operation stability of HFPPM contactor was experimented initially.The results show that the characteristics of separation of CO 2by membrane contactor are of quicker mass transfer ve 2locity and higher efficiency of separation.K ey w ords :membrane contactor ;hollow fiber polypropylene membrane ;MDEA ;carbon dioxide (上接第14页)Preparation of PV DF/PS blend micro -porous membraneY U N Yanbi n1,2,L I Ji di ng 1,M A R unyu2(1.Department of Chemical Engineering ,Tsinghua University ,Beijing 100084,China ;2.School of Chemical Engineering ,Beijing University of Chemical Technology ,Beijing 100029,China )Abstract :The micro -porous membrane was prepared from PVDF/PS blend polymer by L -S phase inversion method.The effects of polymer concentration ,PVDF/PS ratio ,solvents ,additive ,temperature and composi 2tion of coagulation bath ,solvent volatilization time and heat treatment temperature on the membrane perfor 2mance were studied.The results under the experimental conditions show that :(1)DMF/DMAc blend solvent was beneficial to improve the pore size and porosity of the membranes ;(2)the pore size and the porosity of the membranes increased as LiCl concentration increased ;(3)temperature of coagulation bath was less effective for membrane performance than composition of coagulation bath ;(4)the pore size and the porosity of the mem 2branes decreased with extending solvent volatilization time.When proper composition of casting solution were selected ,the micro -porous membrane with pore diameter 0.2～1.0μm and porosity >90%can be obtained ,and porosity of PVDF/PS blends membrane was more than that of PVDF membrane ,so it is a good method to improve pore size and porosity of PVDF membrane with blend method.K ey w ords :blend ;micro -porous membrane ;PVDF ;PS ;phase inversion ・20 ・膜 科 学 与 技 术第25卷 。
复合吸收剂_膜吸收分离CO_2
= D C O2 g
1 r
r
(r
cCO 2 g r
)
( 2)
受湿润 影响 时, 即部 分膜孔 充入 溶液 时, kM 计算 式为:
1 /kM = !/ (D C O 2 L ∀) + ( 1 ) !/(D CO 2 g , ∀分别为膜孔 湿润率、 膜孔曲率因
2
子、 膜壁厚度和空隙率 ; D CO 2 g, D CO 2 L 分别为 CO 2 在 气相和液相中的扩散系数 , m / s ; c CO 2 g 为气相 CO 2 浓度, k m o l /m ; r 为膜丝径向半径, m; z 为膜丝轴向 长度, m; u z 为层流流速, m / s 。 定义为被湿润膜孔 数占总膜孔数的百分数, 采用式 ( 4)估算
Com posite A bsorbent M em brane A bsorp tion for Separation of CO 2
Lu Jiangang, Zheng You fei, L ian P ing, C hen M indong
( Schoo l of Env ironm en tal Science & Eng ineering , N an jing U n iversity o f Info r m ation S cience and T echno logy, N an jing Jiangsu 210044, C h ina)
1 /K ov = 1 /k g + 1 /kM + 1 /(mk L ) ( 1)
式中, k g , k L, kM , K ov 分别为气相、 液相、 膜相传质系 数和总传质系数 , m / s; m 为气体在气液相中的分配 系数。 k L = Ek o L , E 为液相化学反应增强因子; k o L 为物理分传质系数。 模拟流程采用液相在壳侧、 气相在管侧的形式 (见图 1)。假设 : 流体呈稳态层流流动, 具有稳定的 物性; 气相组分径向扩散进入液相 , 忽略轴向扩散 ; 气体为理想气体 , 溶解符合 H enry 定律 , 忽略反应热 对温度的影响。对于 管侧气相组分浓 度分布可得 到质量平衡微分方程 :
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Abstract : Gas p hase mass t ransfer in falling film micro reacto r s ( FFM Rs) wit h t he abso rp tio n of CO2 into aqueo us solutio ns of NaO H was investigated1 The overall gas2p hase mass t ransfer coefficient increases wit h NaO H co ncent ratio n , but decreases as t he co ncent ratio n of CO2 increases1 There exist s an ent rance effect , hindering t he mass t ransfer , which is caused by t he dead volume for gas2p hase flow in t he gas chamber in FFM Rs1 The ent rance effect has a larger impact in a shorter FFM R owing to t he relatively large dead volume wit h respect to t hat of gas chamber1 A decrease in t he dept h of gas chamber facilitates t he mass t ransfer p rocess1 Therefore , t he gas2p hase ent rance or geo met ry of t he gas chamber sho uld be designed app rop riately to reduce t he ent rance effect and imp rove t he mass t ransfer.
Received date : 2009 - 06 - 26. Corre sponding author : Prof . CH EN Guangwen , gwchen @
dicp1 ac1 cn Foundation item : supported by t he National Nat ural Science
Ⅰ～ Ⅲ) 中 CO2 的转化率 。可见 , 气相流量一定 时 , 各微反应器中 CO2 转化率随液相流量的增加 而略有升高 , 这主要源于液相传质过程的改善 。并 且 , 随着反应器长度增加 , 气2液接触时间增加 , 传质更充分 , 因此转化率提高 。在 FFMR Ⅲ中 , 气相流量为 125 ml ·min - 1 时 , CO2 的转化率高 于 80 %。
<L =
DLCO2 kO H- CO HkL
µ 1 , kOH- COH- t ≥20
(4)
因此 , 反应遵循快速反应机理[15 ] , 故有
<L
(5)
其中 , CO2 在水溶液中的扩散系数列于表 2 。将式
(3) 代入式 (1) 并结合式 (5) 可得气相传质系数
应器已用于直接氟化[2 ] 、催化加氢[3 ] 、吸收[4 ] 、光 催化氯化[5 ] 以及臭氧化[6 ] 等反应过程的研究 。
Zanfir 等[4] 模拟了降膜微反应器 CO2 化学吸 收过程 , 认为气2液传质阻力主要在液膜 ; 相同气 相流量条件下 , 气室深度并不影响 CO2 的转化率 。 Al2Rawashdeh 等[7] 研究了降膜微反应器中的液相 分布特性和微通道润湿性及形状对反应过程的影
(1 D ali an I nstit ute of Chemical Physics , Chi nese A ca dem y of S ciences , D ali an 116023 , L i aoni n g , Chi na; 2 Gra d uate S chool of Chi nese A ca dem y of S ciences , B ei j i n g 100049 , Chi na)
表 1 降膜微反应器的结构尺寸 Table 1 FFMRs with different geometrical scale
FFMR Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
Length of phase contact/ mm
40 60 80 60
Depth of gas chamber/ mm
11 45 11 45 11 45 31 0
Key words : falling film absorptio n ; gas p hase mass t ransfer coefficient ; micro reactor ; microchannel
引 言
气体吸收过程效率与气液接触器的几何结构密 切相关[1] 。降膜微反应器作为一种新型的气液微接 触设备 , 因其通道特征尺寸为微米量级 , 具有优良 的传热 、传质特性 , 在气体吸收 、气2液或气2液2固 多相反应方面有良好的应用前景 。目前 , 降膜微反
的计算式
- nN2 d Y = 1 +
kG H
1 1
P
1
Y +
YWdh
(6)
D
L CO2
kO H-
CO H-
式 (6) 中 O H - 的浓度 COH - = COH - ,in - 2 nN2 ( Y0 - Y) ,
基于边界条件积分求得 kG 。
3 结果与讨论
31 1 降膜微反应器中的 CO2 转化率 图 2 所示为 3 种尺寸的降膜微反应器 ( FFMR
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化 工 学 报
第 61 卷
响 , 建立了 CO2 吸收过程的传质2反应模型 , 模拟 了气室深度对转化率的影响 , 其结论与 Zanfir 等 的类似 。然而 Mhiri 等[8] 研究发现气室深度的减小 有利于吸收过程 。Co mmenge 等[9] 实验测量了降膜 微反应器中的气相停留时间分布 , 并模拟了气相混 合特性 , 建立了 Reynolds 数为 30～110 范围内的 气相传质关联式 。Schuster 等[10] 模拟了微通道中 Re < 30 的气相传质系数与 Re 间的关系 。目前报道 的关于降膜微反应器内气相传质过程研究大多基于 模拟 , 实验研究较少 , 且结论并不一致 。在前期工 作中[11] , 作者开展了降膜微反应器内的液膜流型 、 成膜临界流量 、液泛现象及液侧传质系数等研究 。 本文将采用 CO22N2 混合气 , NaO H 溶液为吸收剂 进行气2液传质实验考察降膜微反应器内的气相传 质特性 , 为降膜微反应器的实际应用提供气相传质 方面的理论依据 。
Ma ss transfer behaviors in p roce ss of chemical a bsorption of CO2 in falling film microre actors
ZHANG Haocui1 ,2 , YUE J un1 , CHEN Guangwen1 , YUAN Quan1
1 CO2 吸收实验
触完成吸收反应 。测定气相出口尾气流量与组成 , 分析液相出口中 CO2 吸收量 。实验于室温下进行 , 物性参数列于表 2 。
2 降膜微反应器中的传质公式推导
气相中 CO2 通过 气2液界 面扩散 进入 液相 与 NaO H 发生反应 。本实验条件下 , 液相主体 CO2 浓度为 0 。假设气2液相界面是平的 , 对图 1 所示的 气相微单元进行质量衡算 , 建立如下微分方程式
COH / mol ·L - 1
01 5 01 9
H① / kmol ·m - 3 ·at m - 1
01 028 01 025
kOH - ② / m3 ·kmol - 1 ·s - 1
10696 12843
D ③ ×109 / m2 ·s - 1
11 85 11 75
① Calculated by Ref . [ 12 ] ; ② See Section 2 ; ③ Calculated by Ref1 [ 13 ] . Note : 1at m = 101325 Pa.
μ /μPa ·s
01 962 11 137
ρ / kg ·m - 3
10191 4 10411 5
第 3 期
张好翠等 : 降膜微反应器中 CO2 化学吸收过程传质行为
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的关 联 式 计 算 得 出 。本 实 验 的 液 相 停 留 时 间 在 01 37～21 2 s 之间 , 满足以下条件
式中 H 为 CO2 在水溶液中的饱和溶解度系数 , 其
值列于表 2。在本实验条件下 , CO2 在 NaO H 溶液中
的吸收反应的速率方程为 : r = kOH - COH - CCO2 。其 中 , 二级反应速率常数 kOH - 可用 Po ho recki 等 [ 14 ]
表 2 氢氧化钠水溶液的物性 Table 2 Physical property of solution used in this work
2009 - 06 - 26 收到初稿 , 2009 - 12 - 27 收到修改稿 。 联系人 : 陈光文 。第一作者 : 张好翠 ( 1979 —) , 女 , 博士研
究生 。 基金项目 : 国家自然科学基金项目 (20676129) ; 国家高技术
研究发展计划项目 ( 2007AA030206) ; 国家重点基础研究发展计 划项目 (2009CB219903) 。
(2)
设计了 4 种降膜微反应器 ( FFMR Ⅰ～ Ⅳ) , 微通道深 01 3 mm 、宽 1 mm , 通道数量为 20 。气 室形状为长方形空腔 , 具体尺寸列于表 1 , 其基本 结构和实验流程见文献 [ 11 ] 。N2 、CO2 分别经质 量流量控制器 , 并经混合器混合后形成气相混合 气 , 采用皂沫流量计和色谱标定其流量和组成 。开 始实验时 , 先将 NaO H 溶液泵送入降膜微反应器 的微通道内以形成降液膜 , 流量大于 5 ml ·min - 1 以避免液膜破裂[11] 。待形成稳定降液膜后 , 再将 混合气压送入降膜微反应器的气室 , 与液膜接