雙驅動攪拌器內N-甲基二乙醇胺吸收劑吸收二氧化碳的傳質研究

胡 豹,蔡 正,陳詩瑤,晉 梅

(江漢大學 化學與環境工程學院，湖北 武漢 430056)

CO2作為引起全球氣候變暖的主要溫室氣體之一，其排放問題已成為各個國家可持續發展所面臨的重要挑戰之一，而CO2又是具有較高工業應用價值的碳資源，因此，CO2的捕集回收就顯得非常重要[1-2]。目前，國內外CO2捕集技術有物理吸收法、膜吸收法、化學吸收法和O2/CO2燃燒法。化學吸收法被認為是目前最為成熟的CO2捕集方法，用于吸收CO2的吸收劑主要有氨水、熱鉀堿溶液和醇胺溶液等，其中，N-甲基二乙醇胺(MDEA)具有處理能力高、穩定性好且無腐蝕性等諸多優點，被廣泛應用[3-4]。

在工業生產過程中，可用于吸收的單元操作設備很多，對單元操作的吸收傳質過程進行研究具有工業實際應用意義。本文在雙驅動攪拌器內，采用MDEA作為吸收劑，通過改變吸收溫度、雙驅動攪拌器中上、下攪拌速率和進氣流量等工藝條件，考察對CO2吸收的傳質效果影響。

1 實驗部分

實驗在江漢大學雙驅動攪拌吸收器中進行，其中攪拌漿直徑為6 cm，實驗裝置如圖1所示。

實驗所用CO2鋼瓶(純度99.99%)來自武漢鋼鐵集團公司，MDEA(分析純)來自薩恩化學技術上海有限公司。實驗中，通過調節氣體流量計，CO2和空氣以一定比例進入穩壓管1，觀察穩壓管內鼓泡情況；開氣體調節閥并通過皂膜流量計3調節到適當流量(V0mL/min)，調節氣相及液相攪拌轉速到所需值；待恒溫槽到達所需溫度，CO2置換完裝置內空氣后，向吸收器7內加0.03 mol/L的MDEA吸收液，使吸收劑液面與液相攪拌器上漿葉下緣相切，作為吸收過程開始的“零點”；每隔一分鐘用皂膜流量計14測定出口氣體流量(V1mL/min)直至不變，吸收結束。

1-氣體穩壓管；2,12-氣體溫度計；3,14-皂膜流量計；4-氣體調節閥；5,15-壓差計；6-氣體增濕器；7-雙驅動攪拌吸收器；8-吸收液取樣閥；9,10-直流電機；11-彈簧夾；13-吸收劑瓶

圖1 雙驅動攪拌器中吸收CO2實驗裝置示意圖

2 吸收原理

MDEA吸收CO2具有物理吸收和化學反應雙特性，吸收過程為：首先，CO2溶解于MDEA溶液中，而后，CO2與MDEA溶液發生化學反應，如式(1)和式(2)所示，其中式(1)是CO2水化反應，液膜控制，反應極慢，為整個吸收反應的控制步驟；式(2)為瞬間可逆反應[5]。式(3)為整個吸收過程的總反應式。

(1)

(2)

(3)

3 數據處理

3.1 傳質系數的計算

從吸收原理可得：MDEA吸收CO2過程是從氣相主體擴散到氣液界面，在界面與溶液中OH-進行化學反應并向液相主體擴散，其中氣膜阻力可忽略，吸收速率表達式如式(4)所示：

(4)

式中，NCO2：單位時間單位面積傳遞的CO2量；β：增強因子；KL：液相傳質系數；CCO2：氣相中CO2平衡濃度；CCO2L*：液相中的CO2濃度。

CCO2=H·PCO2

(5)

(6)

(7)

PCO2+P空氣=P-PH2O

(8)

(9)

3.2 平均吸收速率和平均傳質系數[6]

在整個吸收過程中，吸收速率和傳質系數是不斷變化的，因此采用平均傳質系數來確定該吸收過程中的傳質現象。平均吸收速率是以從吸收開始直至吸收結束間整個時間段內總吸收量和總吸收時間為基準進行計算，如式(10)所示，平均傳質系數可表示為式(11)：

(10)

(11)

4 實驗結果與討論

在MDEA吸收液體積不變和濃度不變的情況下，通過改變操作條件，如吸收溫度(31～37 ℃)、上攪拌速率(150～300 r/min)、下攪拌速率(125～200 r/min)和氣體流量(60～120 ml/min)，對雙驅動攪拌器內MDEA吸收液對CO2的瞬時吸收傳質速率和平均傳質系數進行研究。

4.1 吸收溫度對傳質的影響

在上攪拌速率300 r/min、下攪拌速率200 r/min和氣體流量90 mL/min時，不同吸收溫度下雙驅動攪拌器內MDEA對CO2的吸收傳質速率隨吸收時間變化如圖2所示，平均傳質系數隨吸收溫度變化關系如圖3所示。

從圖2可以看出：不同吸收溫度下，MDEA溶液對CO2瞬時吸收速率均隨時間增加呈下降趨勢，且逐漸趨于平緩。然而，在同一吸收時間下，隨著溫度的升高，CO2吸收速率先增大而后降低。從吸收動力學可知，CO2的溶解度系數和CO2在吸收液中擴散系數均為溫度的函數，因此升高溫度，溶液粘度降低，CO2溶解度系數和擴散系數均增大，有利于吸收液對CO2吸收[7-8]；另一方面，隨著溫度的升高，PCO2減小。鑒于此，兩者綜合呈現出來的結果是在同一吸收時間下，隨著溫度的升高，CO2吸收速率呈現先上升后下降的趨勢。從圖3可得：提高吸收溫度并不能提高平均傳質系數，這主要是由于吸收過程受多方面因素影響，溫度雖然可以提高反應過程的速率，但是氣體在液相中溶解度的降低則起著主要作用，從而導致平均傳質系數隨溫度升高而呈現先上升后下降的綜合趨勢。

圖2 不同吸收溫度下瞬時吸收速率與時間關系

圖3 平均傳質系數與溫度關系

4.2 攪拌速率對傳質的影響

在雙驅動攪拌器中，存在上攪拌漿和下攪拌漿。在吸收溫度33 ℃和氣體流量90 mL/min時，不同上、下攪拌速率下雙驅動攪拌器內MDEA對CO2的吸收傳質速率隨吸收時間變化如圖4(下攪拌速率200 r/min)和圖5(上攪拌速率300 r/min)所示，平均傳質系數與上、下攪拌速率之間關系如圖6和圖7所示。

圖4 不同上攪拌速率下瞬時吸收速率與時間關系

圖5 不同下攪拌速率下瞬時吸收速率與時間關系

圖6 平均傳質系數與上攪拌速率關系

圖7 平均傳質系數與下攪拌速率關系

從圖4和圖5可看出：在不同攪拌速率下，MDEA溶液對CO2瞬時吸收速率均隨時間增加而呈下降趨勢，逐漸趨于平緩。另外，瞬時吸收速率隨著上、下攪拌速率增加而增大，這主要是由于隨著攪拌速率增大，液體湍流程度加劇，增大了氣液相接觸面積，有利于傳質。從圖6和圖7中：提高上、下攪拌漿攪拌速率均會提高平均傳質系數，這主要是由于攪拌速率的提高，增大了氣液相的接觸面積和氣體在液相中的溶解度，從而有利于平均傳質系數的提高。

4.3 進氣流量對傳質的影響

在吸收溫度33 ℃、上攪拌速率300 r/min和下攪拌速率200 r/min時，不同進氣流量下雙驅動攪拌器內MDEA對CO2的瞬時吸收傳質速率隨吸收時間變化如圖8所示，平均傳質系數與進氣流量間關系如圖9所示。

圖8 不同進氣流量下瞬時吸收速率與時間關系

圖9 平均傳質系數與進氣流量關系

從圖8可得：隨著吸收時間增加，不同進氣流量下吸收速率均呈下降趨勢，并逐漸趨于平緩；在同一吸收時間下，CO2瞬時吸收速率隨著流量升高先增大后降低。這主要是由于：進氣流量增大，一方面會引起氣液相傳質阻力減小，有利于CO2吸收；另一方面隨著進氣量增加會縮短氣相的停留時間。從傳質動力學觀點看，溶質在液膜中的擴散、氣體在氣膜中的擴散、反應物/生成物在相際間的傳質及吸收反應，都需要一定的時間才能完成[9]，因此，縮短停留時間會使氣液接觸時間縮短，導致吸收效果變差。

5 結論

(1)在雙驅動攪拌器中，以0.03 mol/L濃度的MDEA溶液為吸收劑，通過對吸收溫度、攪拌速率和進氣量的變化，對其在吸收CO2過程中的傳質現象進行研究；

(2)通過對傳質影響因素的研究，可以得出在本實驗工況下對瞬時傳質速率和平均傳質系數具有顯著影響因素為吸收溫度和攪拌速率；

(3)在不同吸收溫度、不同上/下攪拌速率、不同進氣量工況下，瞬時傳質速率均隨時間的增加呈現下降趨勢，并逐步趨于平緩；隨著吸收溫度的升高，CO2的瞬時吸收速率和平均傳質系數呈現先上升后下降的趨勢；隨著上、下攪拌速率的增加，CO2的瞬時吸收速率和平均傳質系數均呈現上升趨勢；隨著進氣量的增加，CO2瞬時吸收速率和平均傳質系數先增大后降低。

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