金属板波纹规整填料在二氧化碳吸收塔中流体力学和传质性能研究

摘要

二氧化碳捕集与封存(CCS)是应对气候变化的重要手段。开发压降低、处理能力大且传质性能好的填料对降低二氧化碳捕集过程的能耗和成本具有重要的意义。与散装填料相比，规整填料由于具有较高的空隙率以及较大的传质面积，特别适合于二氧化碳捕集过程。 本文采用氢氧化钠水溶液吸收空气中二氧化碳的方法，对十六种具有不同几何参数的金属板波纹规整填料的流体力学和传质性能进行了研究。流体力学的研究结果显示金属板波纹规整填料的三个几何参数（波纹倾角α，波纹齿项角β和波纹峰高h）对压降有较大的影响。当α和β偏小时，填料具有较高的压降，而当h较小时，填料的压降较低。通过研究以上填料的传质性能研究得到以下结论。随着气液流量的增加，填料的有效传质面积逐渐增大，当气液相流量达到一定值时，填料的有效传质面积会超过其比表面积;相邻填料垂直放置时的有效传质面积较平行放置增加30％以上;吸收剂氢氧化钠水溶液的浓度对有效传质面积没有影响;当h=9mm时，在较低气速下，填料(α=30°，β=75°)的传质性能最好，而在高气速下填料（α=60°，β=75°）的传质性能最好;当h=12mm时，在各种气液流量下填料（α=30°，β=105°）均表现出较好的传质性能;h=9mm的填料的传质性能普遍优于h=12mm的填料;液速对液相传质系数的影响较小，而随着气速和氢氧化钠水溶液的浓度的增加，液相传质系数明显增加;化学增强因子不随液速的变化而变化，而随着气速的增大，化学增强因子显著降低;随着氢氧化钠水溶液的浓度的增加，化学增强因子显著增大，当浓度超过0.2mol/L时，化学增强因子达到最大值10，且不再随浓度的变化而改变。 本文对比了Mellpak250Y商用填料与填料(α=60°，β=75°，h=9mm)的有效传质面积，前者比后者平均降低19％。可见本实验设计的填料较商用填料具有优势。 本文综合考虑了气速和液速的影响，提出了新的有效传质面积和液相传质系数的数学模型，计算值与实验值吻合较好，说明该模型可以很好的预测填料的传质性能。分别用Leva和Bain-Hougen关联式对填料压降和液泛气速进行了计算，计算值与实验值的平均相对偏差在14.1％以内，说明以上模型可以很好的预测填料的流体力学性能。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 引言

1．1 气候变化

1．2 应对气候变化的举措

1．2．1 源头治理

1．2．2 过程治理

1．2．3 终端治理

1．3 二氧化碳吸收塔的传质模型

1．3．1 液流分布模型

1．3．2 速率过程模型

1．4 填料传质性能研究现状

1．4．1 水-CO2体系

1．4．2 空气-水-O2体系

1．4．3 空气-水-CO2体系

1．4．4 空气-氨气-水体系

1．4．5 空气-CO2-氢氧化钠体系

1．5 本课题的创新点及研究工作

第二章 流体力学和传质性能实验

2．1 实验装置和条件

2．1．1 实验装置

2．1．2 实验条件

2．2 实验理论模型

2．3 实验方法

第三章 实验结果分析与讨论

3．1 流体力学性能

3．1．1 不同几何参数填料的压降比较

3．1．2 填料几何参数对压降的影响

3．1．3 波纹片开孔对压降的影响

3．1．4 不同几何参数填科的液泛气速比较

3．2 有效传质面积研究

3．2．1 气液相流量对有效传质面积的影响

3．2．2 填料堆放方式对有效传质面积的影响

3．2．3 吸收液浓度对有效传质面积的影响

3．2．4 吸收液粘度对有效传质面积的影响

3．2．5 波纹片开孔对有效传质面积的影响

3．2．6 填料几何尺寸对有效传质面积的影响

3．2．7 不同几何参数填料的有效传质面积比较

3．3 气相总传质系数研究

3．4 液相传质系数研究

3．4．1 气液相流量对液相传质系数的影响

3．4．2 吸收液浓度对液相传质系数的影响

3．4．3 吸收液粘度对液相传质系数的影响

3．5 化学增强因子研究

3．5．1 气液相流量对化学增强因子的影响

3．5．2 吸收液浓度对化学增强因子的影响

第四章 流体力学和传质性能数学模型

4．1 流体力学计算模型

4．1．1 压降计算模型

4．1．2 液泛气速计算模型

4．2 传质性能计算模型

4．2．1 有效传质面积计算模型

4．2．2 液相传质系数的计算模型

第五章 结论与建议

5．1 结论

5．2 建议

参考文献

致谢

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