分层填料旋转床流动特性及天然气脱碳研究

摘要

旋转填料床是一种新型的气液接触反应设备，高速旋转的内部填料转子产生的离心力场加强了气液两相混合、加快了气液相界面的更新速度，从而极大强化了气液间的传质。旋转填料床具有设备体积小、处理效率高、操作弹性大、能耗低、移动方便等优点，在化工、环保及能源领域被广泛应用研究。天然气作为清洁、安全、高热值的化石能源，其净化工艺一般在塔设备中进行，但庞大的设备给净化工艺带来了一定的不便，旋转填料床的诸多优点使其在天然气净化方面更具潜力。本文设计并搭建了一套旋转填料床天然气脱碳实验装置，并对设备的特性和各工艺参数对脱碳效果的影响进行了相关研究。
　　通过采用空气-水介质对分层填料旋转床的气相压降进行了测试。实验主要研究了转速、气体流量、液体流量及不同填料结构形式对旋转填料床干、湿床压降的影响。研究结果表明，干、湿床压降随转速和气体流量的增加而增大，液体流量对湿床压降的影响较小；3个实验因素中，对湿床压降影响程度由大到小依次为：气体流量、转速和液体流量。通过建立二维模型对分层填料旋转床内部的流动特性进行了数值模拟，气相压降模拟值与实验值具有较好的吻合性。同时又通过自建多孔填料几何模型对分层填料旋转床内液相流场进行了模拟研究，考察了转速和进液速度对液体分布、剪切细化效果的影响。模拟结果表明，在高转速下液体具有更好的剪切细化效果和更均匀的分布。
　　采用静态法测试了乙醇胺、二乙醇胺、N-甲基二乙醇胺溶液对CO2的吸收特性，为分层填料旋转床天然气脱碳吸收溶剂选择起一定参考。实验考察了醇胺物质的量浓度、温度和反应系统初始压力对CO2吸收容量和吸收速率的影响。研究结果表明，在3种吸收溶剂中，N-甲基二乙醇胺对CO2的吸收容量最大，乙醇胺对CO2的吸收速率最快。
　　旋转填料床的高速旋转使液体停留时间较短，故具有更快吸收速率的乙醇胺更适合旋转填料床脱碳工艺。采用乙醇胺作为吸收溶剂在分层填料旋转床中进行天然气脱碳实验研究，实验考察了转速、气液比、吸收液温度、吸收液浓度对CO2脱除率和气相体积传质的影响。实验结果表明，CO2脱除率和气相体积传质系数随转速的增加先增大后基本保持不变，最佳转速在1000～1200r/min；CO2脱除率随气液比的增加而降低，而气相体积传质系数随气液比的增加先增大后减小；在实验范围内，吸收液温度的高低对CO2脱除率及气相体积传质系数整体影响不是太大；CO2脱除率随乙醇胺物质的量浓度增加先增大而后基本保持不变，气相体积传质系数随物质的量浓度增加而增大，对该脱碳工艺乙醇胺物质的量浓度为1.5mol/L较合适。

目录

声明

引言

1 文献综述

1.1 研究背景及意义

1.2 天然气脱碳工艺

1.3 化学吸收溶剂及反应机理

1.4 旋转填料床研究进展

1.5 论文研究目的和内容

2 实验部分

2.1 实验原料与设备

2.2 分层填料旋转床结构及填料分布

2.3 分层填料旋转床气相压降测试实验

2.4 静态吸收CO2实验

2.5 分层填料旋转床天然气脱除CO2实验

3 分层填料旋转床气相压降实验研究

3.1 分层填料旋转床气相压降理论模型

3.2 分层填料旋转床干床压降研究

3.3 分层填料旋转床湿床压降研究

3.4 干床压降与湿床压降对比分析

3.5 气相压降实验值与理论模型对比分析

3.6 本章小结

4 分层填料旋转床内部流场特性模拟研究

4.1 气相流场模拟过程

4.2 气相流场特性模拟结果与分析

4.3 液相流场模拟过程

4.4 液相流场模拟结果与分析

4.5 本章小结

5 醇胺静态吸收CO2实验研究

5.1 乙醇胺吸收CO2实验研究

5.2 混胺吸收CO2实验研究

5.3 本章小结

6 分层填料旋转床天然气脱除CO2实验研究

6.1 分层填料旋转床天然气脱除CO2测试

6.2 分层填料旋转床不同填料结构CO2吸收特性研究

6.3 分层填料旋转床中CO2脱除率及气相体积传质系数研究

6.4 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢