鼓泡反应器中氢氧化钠吸收二氧化碳的数值模拟

摘要

气候变暖是全球十大环境问题之首，对于气候变暖成因的解释，国内外学者大致趋于一致，IPCC的《第四次气候变化评估报告》通过大量准确的气候数据指出全球气候变暖“非常有可能”由人类活动导致。随着工业的快速发展，大量化石燃料燃烧导致了二氧化碳的增加，由此引起的温室效应加剧是近年来引起国际争论的又一全球性环境污染热门课题。因此，控制CO2排放显得尤为重要。在现有的电厂烟气脱除CO2的技术中，化学吸收法仍占有较大比例，而鼓泡反应器作为工业反应容器在烟气脱除CO2气体方面也广泛的应用。
　　本文采用欧拉-拉格朗日方法在Fluent平台上对鼓泡反应器中氢氧化钠吸收二氧化碳的吸收过程进行了数值模拟。
　　首先，考察了夹杂化学反应、传质过程的鼓泡反应器的流动特性。研究发现气体的通入对液相会造成扰动，随着流动的发展，气泡流的上升运动发生扭曲，并伴有涡流的产生，涡流上下分布且方向相反。随后，涡流在流场中向轴向和径向两方向进行延伸。
　　其次，考察了化学组分的分布规律。研究发现CO2的质量分数随高度的升高而降低，且呈现反应器中心区域低、近壁面区域高的分布。研究还发现NaOH溶液吸收CO2可分为两阶段反应，第一阶段是OH-迅速被消耗，CO2-3的浓度逐渐增大直至达到最大值，CO2在这个阶段以较高的速率进行吸收。第二阶段是CO2-3的浓度从最大值处开始下降，逐渐生成HCO-3，这一阶段的吸收速率小于第一阶段。
　　最后，考察了不同操作参数对脱除效率、吸收速率和总传质系数的影响。研究发现脱除效率随烟气CO2浓度和气体流量的增大而减小;吸收速率随烟气CO2浓度和气体流量的增大而增大;总传质系数随烟气CO2浓度和气体流量的增大而增大;浓度为10％的氢氧化钠溶液的吸收效果较好。

目录

声明

摘要

第1章 文献综述

1．1 研究背景

1．1．1 温室效应及温室气体

1．1．2 二氧化碳排放情况

1．2 二氧化碳捕集技术

1．2．1 燃烧前捕集技术

1．2．2 富氧燃烧

1．2．3 燃烧后捕集技术

1．3 鼓泡反应器气液两相流流动的研究进展

1．4 研究内容

第2章 鼓泡反应器气液反应理论基础

2．1 气液反应基础理论

2．1．1 气体吸收理论

2．1．2 气液反应的应用

2．1．3 氢氧化钠与二氧化碳反应机理

2．2 鼓泡反应器基础理论

2．2．1 鼓泡反应器的流体力学特性

2．2．2 影响鼓泡反应器气含率的因素

2．2．3 影响鼓泡反应器气泡特性的因素

2．2．4 影响鼓泡反应器传质的因素

第3章 数值模型的建立

3．1 工程流体的数值模拟

3．1．1 Fluent软件介绍

3．1．2 多相流数值模拟方法

3．1．3 相间作用力模型

3．1．4 多相流湍流模型

3．2 鼓泡反应器脱除二氧化碳的物理模型及网格划分

3．2．1 物理原型

3．2．2 网格划分

3．3 鼓泡反应器脱除二氧化碳的数学模型

3．3．1 湍流模型

3．3．2 组分输运模型

3．3．3 化学反应机理及化学反应速率

3．3．4 DPM模型

3．4 求解方法及边界条件

3．4．1 求解方法

3．4．2 边界条件

3．5 模型验证

3．5．1 CO2脱除效率的验证

3．5．2 吸收速率验证

第4章 鼓泡反应器性能研究

4．1 速度矢量分布

4．2 气含率

4．3 化学组分变化

第5章 鼓泡反应器吸收二氧化碳的特性分析

5．1 烟气浓度对其吸收性能的影响

5．1．1 烟气浓度对二氧化碳脱除效率的影响

5．1．2 烟气浓度对二氧化碳吸收速率的影响

5．1．3 烟气浓度对总传质系数的影响

5．2 氢氧化钠浓度对其吸收性能的影响

5．2．1 氢氧化钠浓度对二氧化碳脱除效率的影响

5．2．2 氢氧化钠浓度对吸收速率的影响

5．2．3 氢氧化钠浓度对传质系数的影响

5．3 气体流量对其吸收性能的影响

5．3．1 气体流量对脱除效率的影响

5．3．2 气体流量对吸收速率的影响

5．3．3 气体流量对总传质系数的影响

第6章 结论

参考文献

致谢