降膜微反应器中CO_2化学吸收过程传质行为

<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 kL =
DCO2 kO H- CO H-
(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
的计算式
- nN2 d Y = 1 +
kG H
1 1ห้องสมุดไป่ตู้
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
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
图 1 气相中的传质微单元
Fig1 1 Element cell of mass t ransfer in gas p hase
根据气相总传质系数 、液相传质系数 kL 、气 相传质系数 kG和化学反应增强因子 < 的关系式得 到气相传质系数 , 即
1 KG
=
1 kG
+
1 <H kL
(3)
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 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)
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
-
nN2 d Y
=
KG
P
1
Y +
YWdh
(1)
其中 ,
Y 为 CO2 与 N2 的摩尔比 ,
nN2 =
P GN2 ; RT
边
界条件为 : h = 0 , Y = Yin ; h = L , Y = Yout ; 积分
可得气相总传质系数
KG
=
GN2 RTWL
Yin -
Yout
+ ln
Y in Yout
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
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) 。
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.
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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 。
第 61 卷 第 3 期 2010 年 3 月
化 工 学 报 CIESC Journal
Vol1 61 No1 3 March 2010
研究简报 降膜微反应器中 CO2 化学吸收过程传质行为
张好翠 1 , 2 , 乐 军 1 , 陈光文 1 , 袁 权 1
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
(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
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 %。
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
Foundation of China ( 20676129 ) , t he High2tech Research and Develop ment Program of China ( 2007AA030206) and t he National Basic Research Program of China (2009CB219903) .
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
(1 中国科学院大连化学物理研究所 , 辽宁 大连 116023 ; 2 中国科学院研究生院 , 北京 100049)
关键词 : 降膜吸收 ; 气相传质系数 ; 微反应器 ; 微通道 中图分类号 : TQ 0211 4 文献标识码 : A
文章编号 : 0438 - 1157 (2010) 03 - 0635 - 07
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
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.