NaOH-CO2體系下并流立體旋流篩板塔傳質(zhì)性能

2021-11-30 07:41:10張玉榮唐猛劉燕王德武王璐莎張少峰

化工進(jìn)展 2021年11期

張玉榮，唐猛，劉燕，王德武，王璐莎，張少峰

（1 河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津 300130；2 河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，天津 300130；3 天津市普林思瑞科技發(fā)展有限公司，天津 300130）

二氧化碳（CO2）是大氣中的主要溫室氣體，其減排問題一直備受科研工作者們的關(guān)注[1]，我國作為CO2排放大國之一，大力發(fā)展CO2捕集技術(shù)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略作用[2-3]。目前，CO2捕集技術(shù)主要有冷凝法、吸附法[4-5]、膜分離法[6-7]和吸收法，其中吸收法的技術(shù)最成熟。根據(jù)吸收溶劑性質(zhì)的不同，吸收法又分為物理吸收[8-9]和化學(xué)吸收[10-11]，物理吸收通常選擇甲醇等對CO2溶解度較大的溶液作為吸收劑，其對CO2分壓較敏感，不適于低濃度CO2的吸收；而化學(xué)吸收常用氨水、MEA、NaOH等堿性溶液，吸收效率高，在工業(yè)中應(yīng)用更多。

塔設(shè)備是吸收單元操作的主要設(shè)備之一。體積傳質(zhì)系數(shù)是塔設(shè)備設(shè)計的重要參數(shù)，能夠反映塔內(nèi)件的傳質(zhì)性能，國內(nèi)外學(xué)者對CO2吸收塔的傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行了諸多研究。曾慶、唐忠利等[12-14]研究了填料塔中氨水吸收CO2的傳質(zhì)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)氣相體積總傳質(zhì)系數(shù)KGae隨氣體流量和氨水濃度的增加而增大，傳質(zhì)過程主要受液膜阻力的控制；Tsai、Yang等[15-16]在NaOH-CO2體系下對比了不同結(jié)構(gòu)的金屬波紋填料的傳質(zhì)性能，并擬合了有效傳質(zhì)面積Ae的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式；Liu 等[17]通過數(shù)值模擬研究了裝填不同孔隙率的鮑爾環(huán)時氨水吸收CO2的過程，得到了傳質(zhì)性能與填料孔隙率服從正態(tài)分布的結(jié)論；張信等[18]通過研究發(fā)現(xiàn)，在甲醇脫碳塔中分段安裝MVG固閥塔板和BDH 條形浮閥塔板，能夠在保證脫碳效率的前提下降低能耗。Tan 等[19]從CO2吸收的影響因素方面進(jìn)行了綜述，認(rèn)為操作參數(shù)和塔內(nèi)件類型均對CO2的吸收產(chǎn)生影響，還提出研發(fā)新型塔內(nèi)件、增加氣液接觸面積并延長氣液接觸時間，能夠有效提升CO2吸收效率。與填料塔相比，傳統(tǒng)板式塔的綜合性能并不突出，開發(fā)立體結(jié)構(gòu)成為近年來塔板的優(yōu)化方向[20-21]。此外，傳統(tǒng)塔設(shè)備多為逆流模式，液泛現(xiàn)象在一定程度上限制其處理量和傳質(zhì)效率，而并流模式具有大通量、低壓降的優(yōu)勢，在化學(xué)吸收等相平衡常數(shù)較小的過程中有較高的傳質(zhì)能力[22-23]，適合于化學(xué)法CO2捕集、煙氣脫硫等場合。

立體旋流篩板（tridimensional rotational flow sieve tray，TRST）是河北工業(yè)大學(xué)張少峰課題組提出的一種立體結(jié)構(gòu)塔內(nèi)件的新構(gòu)型。其融合篩板和旋流板的結(jié)構(gòu)特性，通過旋流和穿孔流的耦合作用強(qiáng)化傳質(zhì)，在獲得較大流通面積的同時還能保證較低的壓降和較強(qiáng)的抗堵性能，將其與氣液并流模式有機(jī)結(jié)合，還兼具大通量和防液泛等優(yōu)勢。唐猛和王麗瑤等[24-25]對比考察了氣液并流和逆流兩種模式下TRST 的壓降、流型和液泛情況，發(fā)現(xiàn)TRST壓降更低、操作范圍更寬、無液泛產(chǎn)生，且擁有更適合氣液傳質(zhì)的流型，更適用于并流模式。唐猛和劉琛等[26-28]利用CFD 技術(shù)研究了TRST 內(nèi)單氣相和氣液兩相的流場結(jié)構(gòu)，通過對篩孔位置流體速度矢量的判別，揭示了TRST 內(nèi)氣液旋流轉(zhuǎn)變機(jī)制。Wang等[29]對簡化的立體旋流篩板單元進(jìn)行了研究，準(zhǔn)確測定了旋流和穿孔流體的比例，并提出旋流比預(yù)測模型。在傳質(zhì)方面，荊瑞靜等[30]研究了TRST的海水脫硫效率，發(fā)現(xiàn)隨液氣比增加，脫硫率有先升后降的趨勢，同時塔板組合方式也會影響脫硫效率，但實(shí)驗(yàn)的安裝塔板數(shù)較少（僅為兩塊），并且未對傳質(zhì)系數(shù)規(guī)律進(jìn)行深入研究。

本文作者課題組前期對TRST 流體力學(xué)性能進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，但傳質(zhì)方面研究較少。為此，本文通過實(shí)驗(yàn)對氣液并流模式下立體旋流篩板塔中NaOH 溶液吸收CO2的氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行研究，考察塔板安裝數(shù)量及方式、氣液通量、NaOH和CO2濃度等參數(shù)的影響規(guī)律，提出塔板段總體積傳質(zhì)系數(shù)的計算方法和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｑ芯拷Y(jié)果可為后續(xù)TRST 的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、操作調(diào)控以及工程設(shè)計提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

立體旋流篩板結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，采用立體鏤空式設(shè)計，不設(shè)降液管，主要由若干扭轉(zhuǎn)的旋流篩板以及起固定作用的內(nèi)、外筒組成，中心內(nèi)筒不封閉，截面積約占塔板橫截面積的1.6%，能起到一定的節(jié)流降壓作用。旋流篩板沿周向分布，表面均勻排布篩孔，如圖1(b)所示，同一篩板的上、下邊沿扭轉(zhuǎn)角度為α，相鄰篩板間夾角為β，與篩板數(shù)量（m）的關(guān)系為β=360°/m。由于旋流篩板具有順時針和逆時針兩種旋向，因此當(dāng)塔內(nèi)安裝多個TRST時，定義相鄰TRST篩板旋向相同時為順向安裝，相反時為逆向安裝。本實(shí)驗(yàn)中所用到的TRST由3D 打印制作，樹脂材質(zhì)，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 立體旋流篩板結(jié)構(gòu)示意圖

表1 立體旋流篩板結(jié)構(gòu)參數(shù)

本研究在冷模氣液并流吸收塔實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行，以NaOH 溶液和CO2模擬煙氣作為實(shí)驗(yàn)物系，主要裝置及流程如圖2所示。并流吸收塔采用透明有機(jī)玻璃制作，塔徑φ50mm×5mm，塔內(nèi)共可安裝8 塊TRST（圖示為5 塊）。因?yàn)椴⒘鞑僮鲿r只存在一個理論平衡級，所以需要設(shè)置一定的板間距離來提供足夠的傳質(zhì)推動力。板間距過大，易導(dǎo)致塔體過高，增加設(shè)備成本；過小會使氣液流動不易充分發(fā)展。因此，在充分考慮流體流動狀態(tài)和參考前期流體力學(xué)研究所用并流塔設(shè)計的基礎(chǔ)上，本研究中TRST 的板間距為100mm。塔底設(shè)置循環(huán)水箱，里面貯存的NaOH 溶液通過離心泵從塔頂打入吸收塔，經(jīng)液體分布器后通過塔內(nèi)TRST 流入水箱，構(gòu)成液相循環(huán)。鋼瓶中的CO2氣體與空氣在緩沖罐中混合后由風(fēng)機(jī)鼓入塔頂，自上而下通過TRST 后，由塔體下方氣相出口流出，此過程中氣液兩相構(gòu)成并流模式。氣液通量和CO2進(jìn)氣濃度分別由渦街流量計、電磁流量計和玻璃轉(zhuǎn)子流量計測定。在各TRST 的上、下端設(shè)置CO2氣體采樣口，濃度由MGA5型紅外煙氣分析儀實(shí)時測定。實(shí)驗(yàn)中所考察的操作變量見表2。

表2 操作條件參數(shù)

1.2 數(shù)據(jù)處理與分析

對于吸收操作，常采用全塔氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)（KGae）來衡量塔設(shè)備的傳質(zhì)性能。依據(jù)雙膜理論和物料守恒，可推導(dǎo)出塔設(shè)備的傳質(zhì)微分方程如式(1)。

在化學(xué)吸收過程中，由于CO2與吸收劑發(fā)生快速反應(yīng)，因此液相組分中CO2分壓近似為0，即y*≈0。對式(1)在全塔范圍內(nèi)積分，可得到KGae的表達(dá)式如式(2)。

因?yàn)槭?2)中默認(rèn)各單元高度傳質(zhì)能力相同，因此更適合于填料等連續(xù)式塔內(nèi)件。而對于塔板等非連續(xù)式塔內(nèi)件，塔內(nèi)空間存在塔板段和空塔段，雖然塔板段為主要傳質(zhì)區(qū)域，但空塔段也存在一定的傳質(zhì)能力，不應(yīng)忽略，因此直接沿用式(2)并不能準(zhǔn)確反映出塔板的實(shí)際傳質(zhì)能力。為此，本研究除了測量安裝塔板時的傳質(zhì)數(shù)據(jù)，還進(jìn)行了一組空塔傳質(zhì)數(shù)據(jù)的測量，然后通過式(3)對塔板段的KGae進(jìn)行換算。

為了多方面衡量并流立體旋流篩板塔的傳質(zhì)性能，本文還采用全塔吸收率（η）作為輔助考察指標(biāo)，如式(4)所示。

此外，為便于與相近領(lǐng)域研究進(jìn)行比較，采用表觀氣相動能因子（Fs）和噴淋密度（Lw）分別對氣、液通量進(jìn)行表征，相應(yīng)的換算公式見式(5)、式(6)。

2 結(jié)果與討論

2.1 出口CO2濃度隨采樣時間的變化規(guī)律

圖3 為出口CO2濃度隨采樣時間的變化規(guī)律，可以看出，在設(shè)備開啟后，出口處CO2濃度在前3min 內(nèi)會大幅下降，這是因?yàn)闊煔夥治鰞x需要一定的響應(yīng)時間，此過程約3min。隨著采樣時間的延長，出口CO2濃度趨于平穩(wěn)，說明塔內(nèi)吸收過程和煙氣分析儀均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。如圖3所示，在進(jìn)氣CO2體積分?jǐn)?shù)為4%、噴淋密度分別為80m3/(m2·h)、160m3/(m2·h)的條件下（其他操作條件如圖），出口體積分?jǐn)?shù)分別穩(wěn)定在0.8%和0.3%，并且在實(shí)驗(yàn)所采集的30min內(nèi)一直保持平穩(wěn)。根據(jù)此規(guī)律，選取5～10min 范圍（每分鐘采集一個數(shù)據(jù)）出口CO2濃度的平均值用于后續(xù)計算。

圖3 出口CO2濃度隨采樣時間的變化

2.2 塔板安裝數(shù)量及方式對CO2吸收率和總體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

圖4匯總了不同的塔板安裝數(shù)量和不同方式下全塔的CO2吸收率，可以明顯看出，全塔吸收率隨著塔板數(shù)量的增加而增大，相較于空塔（即塔板數(shù)量為0），安裝2 塊塔板后吸收率有較大提升，這是由于TRST 的旋-穿耦合作用強(qiáng)化了氣液兩相的混合狀態(tài)，氣液兩相混合得更加均勻、接觸更為充分。在Lw=80m3/(m2·h)的條件下，塔板安裝數(shù)量在2～6塊范圍內(nèi)時，吸收率呈線性增長；繼續(xù)增加塔板數(shù)量至8塊時，吸收率增幅有所降低。這主要是因?yàn)椴⒘鞑僮髦须S高度的增加，傳質(zhì)推動力會逐漸減弱，在安裝2～6 塊塔板時，溶液中NaOH溶質(zhì)含量相對充足，能夠使吸收過程中傳質(zhì)推動力維持在較高水平；增加塔板安裝數(shù)量至6～8 塊時，隨著吸收的進(jìn)行，NaOH含量下降，不足以補(bǔ)充不斷下降的傳質(zhì)推動力，故吸收率增幅放緩。在Lw為240m3/(m2·h)、400m3/(m2·h)時，吸收率隨塔板數(shù)量的增加始終保持增長趨勢，說明液量較大時溶液中NaOH 含量充足，在實(shí)驗(yàn)所考察的8 塊塔板安裝情況下，均能保持對CO2較為充分的吸收。

圖4 塔板安裝數(shù)量及方式對全塔CO2吸收率的影響

由圖4還可以看出，塔板逆向安裝時的吸收率要大于順向安裝，其主要原因在于，氣液兩相在進(jìn)入塔板后，由于旋流篩板的導(dǎo)流作用，氣液會逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥Y板旋向的旋流，當(dāng)旋流氣液進(jìn)入下一塊旋向相同的塔板時（即順向安裝），旋流篩板的導(dǎo)流作用降低，此時氣液更多的是維持旋流狀態(tài)，穿孔流動相對較少，因此氣液兩相的湍流程度相對較低、傳質(zhì)能力較弱。而當(dāng)塔板逆向安裝時，由于氣液的旋流方向與篩板旋向相反，氣液在進(jìn)入塔板后會直面撞擊篩板表面，撞擊作用使得氣液兩相被更好地分散、混合。與此同時，此過程中還伴隨著更多的氣液穿孔流動，篩板的旋-穿耦合作用也得到了顯著增強(qiáng)，進(jìn)而促使氣液的混合與接觸更加充分，傳質(zhì)能力明顯提升。

通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，在Lw較大[240m3/(m2·h)、400m3/(m2·h)]時，塔板采用逆向安裝較順向安裝時吸收率的提升幅度相對穩(wěn)定，不隨著塔板數(shù)量的增加產(chǎn)生明顯變化；Lw較小[80m3/(m2·h)]時，吸收率的提升幅度隨塔板數(shù)量的增加呈先增后減趨勢，因?yàn)榈鸵毫肯乱合喾稚⑾鄬Σ痪鶆颍黾幽嫦虬惭b的塔板數(shù)量能夠促進(jìn)液體更好地分散。但是隨著吸收過程的進(jìn)行，NaOH消耗，傳質(zhì)推動力下降，多塔板的增強(qiáng)作用逐漸削弱，導(dǎo)致吸收率提升幅度降低。整體上，塔板的逆向安裝較順向安裝時吸收率提高約9.8%，在圖4所考察的操作條件下，吸收率最高達(dá)到89.7%。將各項(xiàng)操作條件均調(diào)整至最優(yōu)參數(shù)，即Fs=0.24kg0.5/(m0.5·s)，Lw=320m3/(m2·h)，φCO2=6%，cNaOH=1.5mol/L，逆向安裝8 塊TRST，吸收率最高達(dá)到95.6%，可見TRST 在吸收領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用潛力。

圖5(a)和圖5(b)分別匯總了不同塔板安裝數(shù)量及不同安裝方式下的全塔和塔板段的總體積傳質(zhì)系數(shù)。由圖5(a)可以看出，KGae的整體變化趨勢與吸收率相近，均隨塔板數(shù)量增加而增大，塔板逆向安裝時KGae較高，主要差別在于Lw分別為240m3/(m2·h)、400m3/(m2·h)時，KGae隨塔板數(shù)量的增加呈指數(shù)增長。其原因在于KGae反映了傳質(zhì)速率、傳質(zhì)推動力與有效傳質(zhì)面積三者間的關(guān)聯(lián)，增加塔板數(shù)與改變塔板安裝方式能夠有效促進(jìn)氣液混合程度，直接表現(xiàn)即有效傳質(zhì)面積會大幅提高，而傳質(zhì)速率與傳質(zhì)推動力在吸收劑充足的條件下得以保持，故KGae的增幅較大。通過圖5(b)可以看出，(KGae)t明顯大于KGae，變化趨勢也有一定差異，這是因?yàn)樗宥蔚膫髻|(zhì)能力強(qiáng)于空塔段，所以在消除空塔段的影響后，(KGae)t的數(shù)值會大幅提高，但在Lw較小時，由于塔板內(nèi)持液量較低，氣液混合程度較差，因此塔板段傳質(zhì)能力較空塔段的優(yōu)勢較小，消除空塔段影響后，(KGae)t隨塔板數(shù)量增加的增幅降低，并且NaOH在吸收塔上半段被較多消耗，導(dǎo)致塔的下半段的傳質(zhì)能力下滑較大，故(KGae)t在安裝6～8 塊塔板時出現(xiàn)小幅下降。

圖5 塔板安裝數(shù)量及方式對KGae和(KGae)t的影響

因?yàn)?KGae)t能夠直接反映TRST的傳質(zhì)性能，所以后續(xù)對Fs、Lw、φCO2和cNaOH等操作條件的考察均采用(KGae)t作為表征參數(shù)。同時，吸收塔采用逆向安裝8塊塔板的方式，傳質(zhì)效果相對較好，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定、誤差較小。

2.3 氣相動能因子和噴淋密度對總體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

圖6(a)和圖6(b)分別為不同氣液通量下(KGae)t及CO2濃度變化梯度的規(guī)律。由圖6(a)可知，(KGae)t隨氣相動能因子Fs的增加先增大后減小，隨噴淋密度Lw的增加逐漸增大，說明傳質(zhì)過程同時受到氣膜和液膜的控制。控制Fs一定，提高Lw時，塔板內(nèi)持液量增加，流型逐漸由沿篩板表面的連續(xù)膜狀流轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌虺涑馑鍍?nèi)部空間的泡沫流和充分發(fā)展流，此兩種流型下塔板空間利用率得到大幅提升，強(qiáng)旋流伴隨著大量穿孔流，氣液湍動和混合程度顯著提高，液膜阻力降低。同時，Lw的增大也保證了吸收劑中NaOH充足，以供傳質(zhì)過程持續(xù)進(jìn)行，傳質(zhì)速率及推動力也得以維持在較高水平，因而(KGae)t會隨之增大。控制Lw一定，提高Fs時，氣速和氣相中CO2總量都隨之增大。由式(2)可知，傳質(zhì)系數(shù)與氣速呈正相關(guān)，與進(jìn)出口的CO2濃度變化梯度呈負(fù)相關(guān)。這是因?yàn)闅馑俚奶岣咴鰪?qiáng)氣相的初始動能，液相在氣相的沖擊下能夠更好地分散，一定程度上有效降低氣、液膜之間的阻力，從而提高傳質(zhì)效率。然而，由于Lw一定，能接觸到的氣相有限，故持續(xù)增大Fs時必然有更多CO2無法有效地與吸收劑接觸傳質(zhì)，進(jìn)而使得CO2濃度變化梯度持續(xù)降低，如圖6(b)。在以上兩方面此消彼長的作用下，造成(KGae)t呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，在圖6所示條件下，不同液量的(KGae)t均在Fs為0.72kg0.5/(m0.5·s)時達(dá)到峰值，最高可達(dá)12.18kmol/(m3·h·kPa)[Lw=400m3/(m2·h)]。

圖6 氣相動能因子和噴淋密度對(KGae)t和CO2濃度變化梯度的影響

2.4 CO2濃度對總體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

圖7 為(KGae)t隨CO2濃度變化的規(guī)律，可以看出，在Fs和NaOH 濃度一定時，不同Lw下的(KGae)t均隨著CO2濃度的增大而減小。因?yàn)樘岣逤O2的濃度相當(dāng)于增大了CO2的總體積量，而相同Lw下液相中NaOH 含量固定，所以其對CO2的吸收能力也相對恒定。在反應(yīng)后期，CO2分壓降低，NaOH 含量減少，導(dǎo)致氣、液膜阻力增大，相界面間傳質(zhì)推動力下降，CO2難以進(jìn)入液相進(jìn)行傳質(zhì)，因此CO2濃度越大，越多的CO2無法被吸收，致使CO2濃度變化梯度降低，(KGae)t也隨之減小。

圖7 CO2濃度對(KGae)t的影響

2.5 NaOH濃度對總體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

圖8 匯總了不同NaOH 濃度下(KGae)t的變化規(guī)律，可以看出，隨著NaOH濃度的增大，不同Lw時(KGae)t的變化趨勢均是先增后減。在Lw較小[80～240m3/(m2·h)]時，NaOH 濃度的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為2mol/L，而Lw較高[320～400m3/(m2·h)]時，NaOH濃度轉(zhuǎn)折點(diǎn)則前移至1.5mol/L。提高溶液中NaOH濃度，使液相主體與邊界層中OH-離子濃度增大，在一定范圍內(nèi)增大了相界面?zhèn)髻|(zhì)推動力，是促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的有利因素。但提高NaOH濃度也會導(dǎo)致溶液黏度增加，一方面會降低液相表面OH-離子的更新速率，阻礙CO2向溶液內(nèi)擴(kuò)散；另一方面又會導(dǎo)致反應(yīng)過程產(chǎn)生的熱量難以散失，反應(yīng)溫度升高，此兩點(diǎn)為傳質(zhì)過程的不利因素。NaOH濃度增加所帶來的有利因素與不利因素的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)變是(KGae)t發(fā)生先增后減變化的主要原因，在Lw較大時，溶液黏度增大造成的負(fù)面影響更強(qiáng)，因而NaOH濃度轉(zhuǎn)折點(diǎn)會相應(yīng)前移。