管式降膜再沸器內CO2吸收液傳熱傳質性能研究

李藍茜，許利華，董文峰，吳海茜，方夢祥，夏芝香，王 濤，史躍崗，周樟華

（1.浙江大學 能源清潔利用國家重點實驗室，浙江 杭州310027；2.杭州鍋爐集團股份有限公司，浙江 杭州310021）

0 引 言

碳捕集技術（CCS）是化石燃料燃燒過程實現碳減排的有效手段，其中化學吸收法是目前二氧化碳捕集技術中最成熟的技術［1，2］。 在化學吸收法中，解吸過程需要吸收外部熱量進行CO2再生的過程，熱量需求由塔底再沸器提供。 再沸器是一種安裝在解吸塔塔底的特殊換熱器，將部分液相汽化形成二次蒸汽并于塔內形成氣相回流，為解吸塔提供CO2再生需要的熱量和傳質動力。 但在吸收劑高溫受熱的情況下，易發生熱降解和揮發損失， 出現變質結焦， 影響再沸器換熱效率［3，4］。 另一方面，由于吸收劑呈堿性，長時間滯留會對設備造成腐蝕［5，6］。 垂直管降膜再沸器用于CO2捕集系統的優勢在于：（1）薄膜蒸發，傳熱系數大、溫差低，具有較大的降耗潛力；（2）料液在降膜管內停留時間短，能夠緩解吸收劑的熱降解，增加吸收劑可循環利用時間，降低成本；（3）能夠解吸部分CO2，降低貧液負荷，增加CO2吸收量。

降膜再沸器分為水平管降膜再沸器和垂直管降膜再沸器［7］。 其中，水平管降膜再沸器液膜在管外形成，多應用于制冷、化工、石油精煉和海水淡化工業中；垂直管降膜再沸器在管內形成液膜，在食品濃縮和氣體解吸中應用較多［8，9］。 Chun 和Seban［10］進行降膜傳熱實驗，將水作為料液，以電加熱的形式對垂直管外降膜傳熱性能進行了探究，得到層流和湍流階段的實驗關聯式，廣泛應用在液膜理論模擬的驗證中。 在單組分料液理論分析的基礎上，Bryan C.Hoke［11］將實際應用料液中的二元混合物作為分析對象，聯立動量和傳質方程求解出了傳質系數。 王永福［12］將能量方程補充進該模型后，建立了傳熱傳質的耦合模型，探究了傳質阻力對傳熱的影響。 Bouman 等［13］以乳制品作為實驗工質，采用垂直單管對全脂牛奶和脫脂牛奶進行了蒸發器管內傳熱和壓降的實驗研究。 Krupiczka等［14］對異丙醇、甲醇、水飽和液膜在垂直管內的蒸發進行了實驗研究。 Song等［15］以果汁為液相，研究證明了原料流量、蒸發溫度、溫差和果汁可溶性固形物含量對垂直降膜蒸發器傳熱系數有較大的影響。 欒善東［16］的實驗表明：降膜載氣蒸發在低熱負荷、小溫差傳熱時對提高傳熱膜系數、增強傳熱更有效。

目前對降膜蒸發傳熱性能的研究很多，但對胺溶液的降膜傳熱特性還未進行實驗研究。 因此，也無法直接利用Aspen EDR等軟件直接進行降膜再沸器的結構設計，需要先對管內胺溶液降膜傳熱傳質特性進行實驗研究。 因此，本文以不同濃度的MEA溶液作為液相進行單管降膜傳熱實驗，以熱通量、降膜換熱系數和再生率作為指標，研究了液相流量、加熱功率和液相進口溫度對降膜傳熱效果的影響，并得到關于胺溶液的降膜傳熱實驗關聯式，以此作為CO2捕集系統中降膜再沸器降膜側傳熱傳質性能參照，為工程設計提供參考。

1 實驗與方法

1.1 實驗材料

采用化學吸收法中常用吸收劑MEA作為液相溶 液， 由 純 單 乙 醇 胺 溶 液（MEA， 純 度≥99.3%）與去離子水混合配制而成三種質量分數分別為25%、30%和35%的MEA吸收液。 配制完成后利用滴定儀對溶液濃度進行測量并驗證。通過鼓泡吸收法在溶液中通入CO2，溶液CO2負荷為2 mol CO2/L吸收液。

實驗設計了一種溢流型布膜器，結構簡單，操作彈性大。 布膜器上端由引流管構成，管口形狀為鋸齒狀，在降膜管管板上方延伸一段，利用管板液體靜壓溢流進管內，下端與降膜管連接。 布膜器和降膜管材質都為不銹鋼材質，具體尺寸參數見表1。

表1 布膜器和降膜管結構參數

1.2 實驗裝置

為探究CO2化學捕集系統中胺溶液的降膜蒸發傳熱傳質效果，搭建了單管降膜蒸發實驗臺。 實驗臺由液相預熱系統、降膜蒸發系統、冷卻系統及數據采集顯示系統幾個部分組成，流程圖如圖1 所示。

圖1 單管降膜蒸發實驗流程圖

（1）預加熱系統：用于胺溶液的預熱。 采用電加熱的方式，主要由不銹鋼加熱桶組成，溫度可在100 ℃以內調節，旨在將出口溶液預熱至85 ～90 ℃，保證齒輪泵泵入布膜器的溶液進口溫度在75 ～85 ℃。

（2）降膜再沸系統：用于胺溶液的降膜蒸發，是實驗主體部分。 胺溶液通過布膜器的作用在降膜管內壁均勻成膜。 降膜管外壁加裝電流電壓可調節的加熱絲，對管內流體進行加熱，以模擬實際工藝中蒸汽加熱。 胺溶液在降膜管內蒸發是利用溶液沿垂直壁面方向的重力作用，通過布膜器在降膜管壁面均勻分布，形成薄液膜，如圖2 所示。降膜管外壁熱源通過壁面的導熱將熱量傳遞至管內壁，胺溶液與內壁面進行對流傳熱。 從沸騰機理來看，降膜再沸器主要以對流沸騰為主，伴隨著少量的泡核沸騰。 降膜流動雷諾數的計算與充滿液體的管子計算方法一致，但其由于流動的液體沒有完全充滿管子，在相同流率下，降膜管的傳熱系數要更大一些。 同時，汽液向下一同流動時，受氣流剪切力影響，液膜減薄，強化換熱效果。

圖2 胺溶液降膜蒸發過程

（3）冷卻系統：用于冷凝二次蒸汽。 分離出的二次蒸汽主要包括水蒸氣和CO2，為測量二次蒸汽流量，采用水冷的方式冷凝，主要由低溫槽、冷凝管和氣液分離罐組成。 由于在冷凝后仍為氣態，二次蒸汽經冷凝器后需再次進入氣液分離罐，將冷凝液和CO2分離，冷凝液稱重測量。

（4）數據采集系統：用于記錄流量、溫度和壓力等實驗參數。 采用無紙記錄儀記錄液相進口流量、液相進出口溫度、降膜管外壁面溫度、液相進口壓力和降膜管底部氣液分離罐壓力。

1.3 操作參數

實驗內容包括對不同溶液流量、溶液濃度、電加熱功率和進口溫度條件下降膜蒸發的傳熱傳質性能進行測試，溶液質量濃度為25%MEA、30%MEA和35%MEA，流量為0.06 ～0.13 m3/h，加熱功率為3.9 ～5.7 kW，溶液進口溫度為78 ～87 ℃。

1.4 數據處理方法

在降膜蒸發的過程中，熱量通過降膜管管壁傳遞給管內成膜流動的吸收劑。 加熱壁面的過熱度大于4 ℃，主要發生的是核態沸騰，具有溫壓小，傳熱強的特點。 在熱量交換的過程中，換熱系數是表征傳熱過程強烈程度的重要標尺，傳熱過程越強烈，汽化核心數增加，氣泡擾動越劇烈，換熱系數越大［17］。 傳熱效率不僅受到液相流量、加熱功率和進口溫度等操作參數的影響，還與蒸發過程產生的二次蒸汽有關［18，19］。 另外，當降膜蒸發應用于CO2捕集系統的再沸設備時，由于溶液中還存在少量CO2，在蒸發的過程還有少部分CO2再生。 因此，在降膜再生傳熱傳質過程中，需對熱通量、換熱系數以及再生率進行計算分析。

本實驗將電加熱絲鑲嵌在柱狀陶瓷管中對降膜管進行加熱，以模擬實際工藝中蒸汽加熱。 考慮到降膜管較長以及陶瓷管管壁的熱阻，熱量耗散較多，采用電加熱功率來計算熱流量存在一定的誤差，故通過液相側來直接計算熱流量。 降膜在單管降膜蒸發的過程，液相側熱流量主要包括液體的溫升顯熱和二次蒸汽熱流量兩部分，計算公式如下：

式中：Qc為液相側計算得到的熱流量，kW；mH2O為二次蒸汽流量，kg/s；γv為對應壓力下的二次蒸汽潛熱，kJ/kg；Ccp為液體比熱容，kJ/（kg·K）；mc為溶液流量，kg/s；Δt為液體出口溫度t2和進口溫度t1之差，即t2-t1，K。

熱通量q是評價熱量傳遞效果的重要指標，能夠直接反映受熱部分的單位面積從加熱側獲得的熱量，其計算公式如下：

式中：A為降膜換熱面積，m2。

在本實驗中，換熱系數的大小不僅與參與傳熱過程流體種類有關，還與換熱過程中流體的流量、進口溫度以及加熱功率相關，換熱系數計算公式如下：

式中：k為總換熱系數，W/（m2·K）；ΔT為溫差，℃；Tw為壁面平均溫度，℃；Ts為二次蒸汽出口壓力對應的飽和溫度，℃；do是換熱管外徑，m；L 是換熱管長度，m。

由于本實驗是通過降膜管外壁溫與飽和溫度計算溫差，以管外壁作為熱傳遞起點，傳熱過程包括管壁的導熱和管內對流傳熱兩部分，因此，根據總換熱系數和導熱熱阻可得到膜側換熱系數，計算公式如下：

式中：h 為降膜傳熱系數，W/m2·K；δ為換熱管壁厚，m；λ為不銹鋼導熱系數，W/（m·K）。

降膜蒸發過程的再生率計算公式如下：

式中：ν為再生率；ωin為MEA溶液進口CO2負荷，mol/L；ωout為MEA溶液出口CO2負荷，mol/L。

2 實驗結果分析

2.1 液相流量對傳熱效果的影響

液相流量對降膜蒸發的傳熱性能影響規律如圖3 所示。 熱通量為12 kW/m2，溫差為8 K的條件下，隨著流量由0.06 m3/h 增加至0.13 m3/h，熱通量不斷增加，如圖3（b）所示，降膜換熱系數呈先降低后上升趨勢，如圖3（a）所示。 傳熱效率與液相流量的關系分為兩個階段。 在小流量進液的情況下，由于平均液膜隨流量的增大而增大，增大了傳熱阻力，換熱系數下降。 隨著進液流量的進一步增大，液體流速增加，蒸發表面的潤濕速率增大。 在充分潤濕的前提下，熱通量的增加有利于核態沸騰傳熱，汽化核心數增加，增加了液膜湍流度，換熱系數增大，最高可達1963 W/（m2·K）。 因此，在實際工程應用中，需要適當增加溶液流量來強化換熱效果。

圖3 液相流量對傳熱傳質性能的影響

對于不同質量濃度MEA溶液，25%MEA溶液換熱效果優于30%MEA和35%MEA。 隨著濃度的增加，液體粘度增大，膜流動性減弱，膜厚增加，蒸發器壁面產生的氣泡難以從液面排出，熱阻增大，湍流度降低，導致傳熱效果減弱。

隨著液體流量的增加，CO2再生率和換熱系數變化趨勢一致，如圖3（c）所示。 說明蒸發速率直接影響CO2再生率，蒸發速率越快，CO2再生效果越好，溶液CO2負荷由2 mol/L最低下降至1.85 mol/L。因此，利用降膜蒸發器作為二氧化碳捕集系統的再沸器能夠實現提供傳質動力的同時，還能實現進一步解吸功能。 同時，二次蒸汽冷凝液的胺濃度低于0.5%，胺蒸發量較小，胺濃度在系統溫度最高處的波動小，有利于整個系統的循環。

2.2 加熱功率對傳熱效果的影響

在質量濃度為30%MEA，傳熱溫差8 K的條件下，加熱功率對降膜蒸發過程傳熱系數的影響如圖4（a）所示。 在其他工作參數固定的情況下，換熱系數隨著加熱功率的升高而增大。 一方面，加熱功率的增加導致熱通量迅速增加，如圖4（b）所示，溶液溫度上升速率加快，降膜換熱系數增加。 另一方面，溶液溫度的升高降低了吸收劑黏度，從而降低了溶液的流動阻力，蒸發速率加快。

圖4 加熱功率對傳熱傳質性能的影響

當加熱功率由3900 W 增加至5700 W 時，熱通量增加，蒸發速率增加，CO2再生率也隨之增加。 0.06 m3/h 液體流量下，CO2再生率由7.4%上升至10.8%；0.08 m3/h 液體流量下，CO2再生率由4.4%上升至9.8%；0.10 m3/h 液體流量下，CO2再生率由6.4%上升至10.3%；0.11 m3/h 液體流量下，CO2再生率由7.4%上升至10.3%，如圖4（c）所示。 流量較小或較大時，降膜蒸發過程吸收劑的再生效果較好。

2.3 液相進口溫度對傳熱效果的影響

液相進口溫度對降膜傳熱效果的影響如圖5所示。 在加熱功率固定為4800 W，溶液質量濃度為30%MEA的條件下，隨著液相進口溫度由78 ℃上升至87 ℃，降膜換熱系數逐漸增大，增幅在10% ～20%左右，如圖5（a）所示。 由于液相進口溫度增加后，達到溶液蒸發溫度速率加快，熱通量增加，如圖5（b）所示。 同時，當溶液進口溫度的升高時，吸收劑最初流入降膜管時粘度降低，流動阻力降低，湍流度增加，蒸發速率加快，降膜換熱效果加強。 因此，在工程應用中適當提高吸收劑進口溫度有利于加強換熱效果。

液相進口溫度對再生率的關系也是正相關的，如圖5（c）所示。 當液相進口溫度達到87℃時，再生率高達10%，將貧液中的少量CO2再生較為完全。 當溫度上升到87 ℃時，再生率都在10%左右，受流量的影響較小。 因此，從實際工業應用的角度來說，提高溶液進口溫度，不僅能夠提升換熱效率，還能加強再生效果。

圖5 液相進口溫度對傳熱傳質的影響

3 管內降膜蒸發傳熱系數實驗關聯式

管內降膜蒸發是一個相變換熱的過程，影響傳熱的因素復雜，除了與液相進液量有關，還受到管內蒸發產生的二次蒸汽的影響。 為量化這兩個主要影響因素對傳熱效果的影響，采用因次分析法來得到關于胺溶液管內降膜蒸發的實驗關聯式，即：

式中：h+為無因次傳熱系數；Rel為液相雷諾數；Rev為二次蒸汽雷諾數；νl為液體運動粘度，m2/s；g 為 重 力 加 速 度， m/s2； λl為 液 體 導 熱 系 數，W/（m·K）；Γl為液體周邊流量，kg/（m·s）；μl為液體動力粘度，kg/（m·s）；mv為二次蒸汽蒸發速率，kg/s；d 為降膜管內徑，m；μv為蒸汽動力粘度，kg/（m·s）。

在加熱功率和溶液進口溫度相同時，隨著液相流量的改變，二次蒸汽雷諾數Rev也在不斷變化，無法保證單一變量，故先在定流量的條件下，既液相雷諾數Rel一定時，探究Rev對傳熱的影響。 在湍流區域，無因次傳熱系數h+與Rev的0.31次方成正比，如圖6 所示。 線性回歸的系數R2為0.98 左右，誤差較小。

圖6 無因次傳熱系數h+隨二次蒸汽雷諾數Re v的影響

確定h+與Rev的關系后，液相流量在0.06 ～0.13 m3/h 范圍內調整，液相雷諾數Rel變化范圍為1600 ～3300。 如圖7 所示，當Rel＜1900 時，h+隨著Rel的增加而逐漸減小；當Rel＞1900 時，h+隨著Rel的增加而逐漸增大。 將h+/Rev0.31與Rel進行線性回顧，系數R2大于0.979，結果如下：

圖7 無因次傳熱系數h+隨液相雷諾數Re l的影響

與其他研究者得到的降膜傳熱實驗關聯式與實驗條件的對比如圖8 所示。 小試實驗熱側多以電加熱的形式，與蒸汽加熱效果相差不大。 從實驗工質比較而言，MEA降膜蒸發換熱與Elle采用的R11 工質相比，換熱系數低49%左右，與水較為接近。 這也說明降膜蒸發傳熱傳質效果受實驗工質的影響。 本實驗通過線性回歸分析得到的傳熱實驗關聯式與Fujita［20］和鄧鴻［21］的結果相差較小，比Fujita的結果高7%左右，比鄧鴻的結果低12%左右。 考慮到采用的溶液不同以及實驗誤差，本實驗得到的傳熱實驗關聯式能為CO2捕集系統中降膜再沸器的設計提供參考。

圖8 本文與其他降膜蒸發實驗關聯式對比

4 結 論

基于MEA溶液的單管降膜傳熱實驗，得出以下結論：

（1）熱通量隨著液相流量、加熱功率和液相進口溫度的增加而增大，相比較而言，進口溫度的影響較小，熱通量增幅較小。

（2）降膜換熱系數在小流量下，隨著流量的增大而減小，再增大流量，降膜換熱系數增大。 隨著加熱功率和液相進口溫度的增加，降膜換熱系數增大。

（3）再生率的變化趨勢與降膜換熱系數一致，說明傳熱和傳質受液相流量、加熱功率和液相進口溫度的影響相同，再生率在5% ～10%左右。

（4）考慮二次蒸汽對降膜傳熱的影響，得到了以下關于胺溶液的降膜傳熱實驗關聯式：

本文得到的關聯式可用于CO2化學吸收系統中的降膜再沸器的設計。