双驱动搅拌器内N-甲基二乙醇胺吸收剂吸收二氧化碳的传质研究

胡 豹,蔡 正,陈诗瑶,晋 梅

(江汉大学 化学与环境工程学院，湖北 武汉 430056)

CO2作为引起全球气候变暖的主要温室气体之一，其排放问题已成为各个国家可持续发展所面临的重要挑战之一，而CO2又是具有较高工业应用价值的碳资源，因此，CO2的捕集回收就显得非常重要[1-2]。目前，国内外CO2捕集技术有物理吸收法、膜吸收法、化学吸收法和O2/CO2燃烧法。化学吸收法被认为是目前最为成熟的CO2捕集方法，用于吸收CO2的吸收剂主要有氨水、热钾碱溶液和醇胺溶液等，其中，N-甲基二乙醇胺(MDEA)具有处理能力高、稳定性好且无腐蚀性等诸多优点，被广泛应用[3-4]。

在工业生产过程中，可用于吸收的单元操作设备很多，对单元操作的吸收传质过程进行研究具有工业实际应用意义。本文在双驱动搅拌器内，采用MDEA作为吸收剂，通过改变吸收温度、双驱动搅拌器中上、下搅拌速率和进气流量等工艺条件，考察对CO2吸收的传质效果影响。

1 实验部分

实验在江汉大学双驱动搅拌吸收器中进行，其中搅拌浆直径为6 cm，实验装置如图1所示。

实验所用CO2钢瓶(纯度99.99%)来自武汉钢铁集团公司，MDEA(分析纯)来自萨恩化学技术上海有限公司。实验中，通过调节气体流量计，CO2和空气以一定比例进入稳压管1，观察稳压管内鼓泡情况；开气体调节阀并通过皂膜流量计3调节到适当流量(V0mL/min)，调节气相及液相搅拌转速到所需值；待恒温槽到达所需温度，CO2置换完装置内空气后，向吸收器7内加0.03 mol/L的MDEA吸收液，使吸收剂液面与液相搅拌器上浆叶下缘相切，作为吸收过程开始的“零点”；每隔一分钟用皂膜流量计14测定出口气体流量(V1mL/min)直至不变，吸收结束。

1-气体稳压管；2,12-气体温度计；3,14-皂膜流量计；4-气体调节阀；5,15-压差计；6-气体增湿器；7-双驱动搅拌吸收器；8-吸收液取样阀；9,10-直流电机；11-弹簧夹；13-吸收剂瓶

图1 双驱动搅拌器中吸收CO2实验装置示意图

2 吸收原理

MDEA吸收CO2具有物理吸收和化学反应双特性，吸收过程为：首先，CO2溶解于MDEA溶液中，而后，CO2与MDEA溶液发生化学反应，如式(1)和式(2)所示，其中式(1)是CO2水化反应，液膜控制，反应极慢，为整个吸收反应的控制步骤；式(2)为瞬间可逆反应[5]。式(3)为整个吸收过程的总反应式。

(1)

(2)

(3)

3 数据处理

3.1 传质系数的计算

从吸收原理可得：MDEA吸收CO2过程是从气相主体扩散到气液界面，在界面与溶液中OH-进行化学反应并向液相主体扩散，其中气膜阻力可忽略，吸收速率表达式如式(4)所示：

(4)

式中，NCO2：单位时间单位面积传递的CO2量；β：增强因子；KL：液相传质系数；CCO2：气相中CO2平衡浓度；CCO2L*：液相中的CO2浓度。

CCO2=H·PCO2

(5)

(6)

(7)

PCO2+P空气=P-PH2O

(8)

(9)

3.2 平均吸收速率和平均传质系数[6]

在整个吸收过程中，吸收速率和传质系数是不断变化的，因此采用平均传质系数来确定该吸收过程中的传质现象。平均吸收速率是以从吸收开始直至吸收结束间整个时间段内总吸收量和总吸收时间为基准进行计算，如式(10)所示，平均传质系数可表示为式(11)：

(10)

(11)

4 实验结果与讨论

在MDEA吸收液体积不变和浓度不变的情况下，通过改变操作条件，如吸收温度(31～37 ℃)、上搅拌速率(150～300 r/min)、下搅拌速率(125～200 r/min)和气体流量(60～120 ml/min)，对双驱动搅拌器内MDEA吸收液对CO2的瞬时吸收传质速率和平均传质系数进行研究。

4.1 吸收温度对传质的影响

在上搅拌速率300 r/min、下搅拌速率200 r/min和气体流量90 mL/min时，不同吸收温度下双驱动搅拌器内MDEA对CO2的吸收传质速率随吸收时间变化如图2所示，平均传质系数随吸收温度变化关系如图3所示。

从图2可以看出：不同吸收温度下，MDEA溶液对CO2瞬时吸收速率均随时间增加呈下降趋势，且逐渐趋于平缓。然而，在同一吸收时间下，随着温度的升高，CO2吸收速率先增大而后降低。从吸收动力学可知，CO2的溶解度系数和CO2在吸收液中扩散系数均为温度的函数，因此升高温度，溶液粘度降低，CO2溶解度系数和扩散系数均增大，有利于吸收液对CO2吸收[7-8]；另一方面，随着温度的升高，PCO2减小。鉴于此，两者综合呈现出来的结果是在同一吸收时间下，随着温度的升高，CO2吸收速率呈现先上升后下降的趋势。从图3可得：提高吸收温度并不能提高平均传质系数，这主要是由于吸收过程受多方面因素影响，温度虽然可以提高反应过程的速率，但是气体在液相中溶解度的降低则起着主要作用，从而导致平均传质系数随温度升高而呈现先上升后下降的综合趋势。

图2 不同吸收温度下瞬时吸收速率与时间关系

图3 平均传质系数与温度关系

4.2 搅拌速率对传质的影响

在双驱动搅拌器中，存在上搅拌浆和下搅拌浆。在吸收温度33 ℃和气体流量90 mL/min时，不同上、下搅拌速率下双驱动搅拌器内MDEA对CO2的吸收传质速率随吸收时间变化如图4(下搅拌速率200 r/min)和图5(上搅拌速率300 r/min)所示，平均传质系数与上、下搅拌速率之间关系如图6和图7所示。

图4 不同上搅拌速率下瞬时吸收速率与时间关系

图5 不同下搅拌速率下瞬时吸收速率与时间关系

图6 平均传质系数与上搅拌速率关系

图7 平均传质系数与下搅拌速率关系

从图4和图5可看出：在不同搅拌速率下，MDEA溶液对CO2瞬时吸收速率均随时间增加而呈下降趋势，逐渐趋于平缓。另外，瞬时吸收速率随着上、下搅拌速率增加而增大，这主要是由于随着搅拌速率增大，液体湍流程度加剧，增大了气液相接触面积，有利于传质。从图6和图7中：提高上、下搅拌浆搅拌速率均会提高平均传质系数，这主要是由于搅拌速率的提高，增大了气液相的接触面积和气体在液相中的溶解度，从而有利于平均传质系数的提高。

4.3 进气流量对传质的影响

在吸收温度33 ℃、上搅拌速率300 r/min和下搅拌速率200 r/min时，不同进气流量下双驱动搅拌器内MDEA对CO2的瞬时吸收传质速率随吸收时间变化如图8所示，平均传质系数与进气流量间关系如图9所示。

图8 不同进气流量下瞬时吸收速率与时间关系

图9 平均传质系数与进气流量关系

从图8可得：随着吸收时间增加，不同进气流量下吸收速率均呈下降趋势，并逐渐趋于平缓；在同一吸收时间下，CO2瞬时吸收速率随着流量升高先增大后降低。这主要是由于：进气流量增大，一方面会引起气液相传质阻力减小，有利于CO2吸收；另一方面随着进气量增加会缩短气相的停留时间。从传质动力学观点看，溶质在液膜中的扩散、气体在气膜中的扩散、反应物/生成物在相际间的传质及吸收反应，都需要一定的时间才能完成[9]，因此，缩短停留时间会使气液接触时间缩短，导致吸收效果变差。

5 结论

(1)在双驱动搅拌器中，以0.03 mol/L浓度的MDEA溶液为吸收剂，通过对吸收温度、搅拌速率和进气量的变化，对其在吸收CO2过程中的传质现象进行研究；

(2)通过对传质影响因素的研究，可以得出在本实验工况下对瞬时传质速率和平均传质系数具有显著影响因素为吸收温度和搅拌速率；

(3)在不同吸收温度、不同上/下搅拌速率、不同进气量工况下，瞬时传质速率均随时间的增加呈现下降趋势，并逐步趋于平缓；随着吸收温度的升高，CO2的瞬时吸收速率和平均传质系数呈现先上升后下降的趋势；随着上、下搅拌速率的增加，CO2的瞬时吸收速率和平均传质系数均呈现上升趋势；随着进气量的增加，CO2瞬时吸收速率和平均传质系数先增大后降低。

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