化学法吸收二氧化碳的实验研究

笔记

时间：2020-09-07

1. 六种因素对吸收效果影响的重要程度：吸收剂种类>吸收剂浓度烟气中浓度>液面高度>烟气流量>烟气温度

2. CO₂的脱除率的定义：

   • 脱除率上升：CO₂浓度以及烟气流量，液面高度， 活化剂-->上升
   • 脱除率变化不定： 吸收剂浓度（氢氧化钠的脱除率和吸收速率呈现先升高后降低的趋势）

3. 温室气体排放对全球的贡献：

   

   综述背景写的比较好

4. 是否可以应用表面更新模型，利用表面更新速率来解释CO₂传质系数的提高

5. 活化剂的反应机理：

   • TEA(三乙醇胺)

     \[\begin{array}{c} \mathrm{R}_{1} \mathrm{R}_{2} \mathrm{R}_{3} \mathrm{N}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}=\mathrm{R}_{1} \mathrm{R}_{2} \mathrm{R}_{3} \mathrm{N}, \mathrm{HOH} \\ \mathrm{R}_{1} \mathrm{R}_{2} \mathrm{R}_{3} \mathrm{N}, \mathrm{HOH}+\mathrm{CO}_{2} \rightarrow \mathrm{R}_{1} \mathrm{R}_{2} \mathrm{R}_{3} \mathrm{NH}^{+}+\mathrm{HCO}_{3} \end{array}\]

     通常认为胺在这里起到了类似催化剂的作用，即游离胺与水之间的氧键增强了水与反应的活性，从而促进了的水化。

     优势：溶液再生能耗小，对设备基本无腐蚀，缺点粘度大，吸收设备中湍流程度小，不能与气体充分混合！

   • DETA(二乙烯三胺)

     • \[\begin{array}{c} \left(\mathrm{NH}_{2} \mathrm{CH}_{2}\right)_{2} \mathrm{NH}+3 \mathrm{CO}_{2} \rightleftharpoons\left(\mathrm{COO}^{-} \mathrm{NH}_{2}^{+} \mathrm{CH}_{2} \mathrm{CH}_{2}\right)_{2} \mathrm{NH}^{+} \mathrm{COO} \\ \left(\mathrm{COO}^{-} \mathrm{NH}_{2}^{+} \mathrm{CH}_{2} \mathrm{CH}_{2}\right)_{2} \mathrm{NH}^{+} \mathrm{COO}^{-}+\left(\mathrm{NH}_{2} \mathrm{CH}_{2}\right)_{2} \mathrm{NH} \rightleftharpoons \\ \left(\mathrm{COO}^{-} \mathrm{NHCH}_{2} \mathrm{CH}_{2}\right)_{2} \mathrm{NCOO}^{-}+\left(\mathrm{NH}_{3}^{+} \mathrm{CH}_{2} \mathrm{CH}_{2}\right)_{2} \mathrm{NH}_{2}^{+} \end{array} \]

   • AEEA（羟乙基乙二胺）

     经乙基乙二胺的结分子式为 H₂N(CH₂)₂NH(CH₂)₂OH, 其吸收二氧化碳为弱酸与弱碱反应形成水溶性盐类的可逆过程。其中R₁=H₂N(CH₂)₂, R₂=(CH₂)₂OH, 反应方程式(略)：

     优势：溶液吸收CO₂的过程比较稳定， 循环量小，再生能耗低，操作费用少，缺点价格过于昂贵

6. 气液反应器的分类：

   • 外形：塔式、管式、机械搅拌槽式
   • 按照气液接触方式和气液比相界面积大小：液膜型、液滴型、气泡型、液环流型

   不同的特性所采用的实验系统及实验方法有很大的差异

7. 流体在鼓泡反应塔内的流动状态，强烈地影响其流体的传质特性, 根据空塔气速的不同，可以将鼓泡塔流动状态分为三个区域：

   • 安静鼓泡区

     空塔气速小于0.05m/s时候，气体通过分布器呈分散的有次序的鼓泡，气泡大小均勻且泡径较其上升速度介于0.18到0.30m/s之间，气泡周围近处液相呈轻微搅动。

   • 湍动鼓泡流区

     在较高的表观气速下，气体以非均一直径的气泡形态与液体接触，大气泡的上升速度快，停留时间短，小气泡上升速度慢，停留时间长。气泡的相互作用加强，由于存在气泡的分裂和聚并，塔内的流体产生强烈的瑞动。此时，塔中心部分气含率高，气泡直径大，壁面附近气含率低，气泡直径小，形成中心部分流体向上流，塔壁附近向下流的局部循环状态。

   • 柱塞流区

     当表观气速很高时，气泡聚并严重，形成的大气泡的直径几乎等于塔径，以柱塞的形式向上流动，这通常发生在高气速、小直径、粘度大的鼓泡反应器中。

     

     上述三种流动状态主要取决于塔径和气速。三种流动状态区域的交界为过渡区，它是流动状态受气体分布器型式，液体的物化性质和液相的流速等影响发生转移而形成的。

8. 空塔气速：

   \[D=\sqrt{\frac{4 G}{\pi u_{G}}} \]

   折算18mm反应釜空塔气速大概为0.39m/s, 处于安静鼓泡区

   且H/D较小(❤️)处于射流和夹带，传质系数较高。

9. 布气装置满足的条件：

   • 小孔气速大于或等于临界小孔气速

     \[u_{0G}\ge u_{0G}^{0} \]

   • 小孔Weber准数大于或等于3，即：

     \[W e_{0}=\frac{u_{0 G}^{2} d_{0} \rho_{G}}{\sigma_{L}} \geq 3 \]

   满足第一个条件，多孔板的小气孔才能全部出气，满足第二个条件，可按气体分布均勻。本实验中\(d_{0}=0.1\quad or\quad 1mm\)

   液相表面张力按照60 mN/m ==> \(u_{0G}^{0}=0.372m/s(d_{0}=1mm), u_{0G}^{0}=1.176m/s(d_{0}=0.1mm)\)

   最小气体流量：

   \[G=\frac{1}{4} \times \pi \times d_{0}^{2} \times u \times n_{0} \]

   最终测得：G = 561ml/min(d₀=1mm), G = 17.7ml/min(d₀=0.1mm), 当大于最小气体流量时，可以使得气体分布器全部出气。

10. 考察指标：

    • 脱除效率\(\eta\)：
    \[\eta=\frac{C_{i n}-C_{o u t}}{C_{i n}} \times 100 \% \]

    • 吸收剂的吸收能力

      \[\alpha=\frac{1000 \times M_{C O_{2}}}{[A] \times V} \]

    • 吸收速率：

      \[r=-\frac{d C}{d t} \]
      \[r=\frac{C_{i n}-C_{o u t}}{22.4 * t} \]

      由于本试验釆用的是半间歇操作而不是间歇式操作，所以这里定义的吸收速率并不等同于反应速率，但是它同样能反映出反应进行的速率和程度。

11. 正交实验

    正交实验设计，是利用规格化的正交表，恰当地设计出实验方案和有效地分析实验结果，提出最优工艺条件，并进而设计出可能更优秀的实验方案的一种科学方法。正交表是利用“均衡搭配”与“整齐可比”这两条基本原理，从大量的全面试验方案中，为挑选出少量具有代表性的试验点，所制成的排列整齐的规格化表格

    • 均衡搭配性：

      均衡搭配是指用正交表所安排的试验方案，能均衡的分散在水平搭配的各种组合方案之中，因而其试验组合具有代表性，容易选出最优方案。

    • 整齐可比性：

      为了对某一因素（如A)比较其各水平（A1、A2、A3的作用，从中找出优秀水平时，其余因素各水平（B1、B2、B3；C1、C2、C3；……）出现的次数应该相同。以便最大限度地排除其它因素的干扰，使这一因素的几个水平之间具有可比性。

    其他参考资料知乎, 正交表

12. 问题

    • 为什么会有这样的曲线：、

      

13. 胺类吸收剂对吸收速率的促进作用的解释：

    穿梭机理：在气液接触表面上，二氧化碳溶解于液相后即迅速与其中的游离胺反应生成氨基甲酸根，这个反应非常快，以至在临近界面区一个狭窄的反应带中即可进行完毕。从而使该区域的CO2浓度分布梯度显著增大，必然导致CO2传质速度的提高，从而提高吸收效率。