NaOH-CO2体系下并流立体旋流筛板塔传质性能

张玉荣，唐猛，刘燕，王德武，王璐莎，张少峰

（1 河北工业大学化工学院，天津 300130；2 河北工业大学机械学院，天津 300130；3 天津市普林思瑞科技发展有限公司，天津 300130）

二氧化碳（CO2）是大气中的主要温室气体，其减排问题一直备受科研工作者们的关注[1]，我国作为CO2排放大国之一，大力发展CO2捕集技术有着重要的现实意义和战略作用[2-3]。目前，CO2捕集技术主要有冷凝法、吸附法[4-5]、膜分离法[6-7]和吸收法，其中吸收法的技术最成熟。根据吸收溶剂性质的不同，吸收法又分为物理吸收[8-9]和化学吸收[10-11]，物理吸收通常选择甲醇等对CO2溶解度较大的溶液作为吸收剂，其对CO2分压较敏感，不适于低浓度CO2的吸收；而化学吸收常用氨水、MEA、NaOH等碱性溶液，吸收效率高，在工业中应用更多。

塔设备是吸收单元操作的主要设备之一。体积传质系数是塔设备设计的重要参数，能够反映塔内件的传质性能，国内外学者对CO2吸收塔的传质系数进行了诸多研究。曾庆、唐忠利等[12-14]研究了填料塔中氨水吸收CO2的传质规律，发现气相体积总传质系数KGae随气体流量和氨水浓度的增加而增大，传质过程主要受液膜阻力的控制；Tsai、Yang等[15-16]在NaOH-CO2体系下对比了不同结构的金属波纹填料的传质性能，并拟合了有效传质面积Ae的经验关联式；Liu 等[17]通过数值模拟研究了装填不同孔隙率的鲍尔环时氨水吸收CO2的过程，得到了传质性能与填料孔隙率服从正态分布的结论；张信等[18]通过研究发现，在甲醇脱碳塔中分段安装MVG固阀塔板和BDH 条形浮阀塔板，能够在保证脱碳效率的前提下降低能耗。Tan 等[19]从CO2吸收的影响因素方面进行了综述，认为操作参数和塔内件类型均对CO2的吸收产生影响，还提出研发新型塔内件、增加气液接触面积并延长气液接触时间，能够有效提升CO2吸收效率。与填料塔相比，传统板式塔的综合性能并不突出，开发立体结构成为近年来塔板的优化方向[20-21]。此外，传统塔设备多为逆流模式，液泛现象在一定程度上限制其处理量和传质效率，而并流模式具有大通量、低压降的优势，在化学吸收等相平衡常数较小的过程中有较高的传质能力[22-23]，适合于化学法CO2捕集、烟气脱硫等场合。

立体旋流筛板（tridimensional rotational flow sieve tray，TRST）是河北工业大学张少峰课题组提出的一种立体结构塔内件的新构型。其融合筛板和旋流板的结构特性，通过旋流和穿孔流的耦合作用强化传质，在获得较大流通面积的同时还能保证较低的压降和较强的抗堵性能，将其与气液并流模式有机结合，还兼具大通量和防液泛等优势。唐猛和王丽瑶等[24-25]对比考察了气液并流和逆流两种模式下TRST 的压降、流型和液泛情况，发现TRST压降更低、操作范围更宽、无液泛产生，且拥有更适合气液传质的流型，更适用于并流模式。唐猛和刘琛等[26-28]利用CFD 技术研究了TRST 内单气相和气液两相的流场结构，通过对筛孔位置流体速度矢量的判别，揭示了TRST 内气液旋流转变机制。Wang等[29]对简化的立体旋流筛板单元进行了研究，准确测定了旋流和穿孔流体的比例，并提出旋流比预测模型。在传质方面，荆瑞静等[30]研究了TRST的海水脱硫效率，发现随液气比增加，脱硫率有先升后降的趋势，同时塔板组合方式也会影响脱硫效率，但实验的安装塔板数较少（仅为两块），并且未对传质系数规律进行深入研究。

本文作者课题组前期对TRST 流体力学性能进行了较系统的研究，但传质方面研究较少。为此，本文通过实验对气液并流模式下立体旋流筛板塔中NaOH 溶液吸收CO2的气相总体积传质系数进行研究，考察塔板安装数量及方式、气液通量、NaOH和CO2浓度等参数的影响规律，提出塔板段总体积传质系数的计算方法和经验模型。研究结果可为后续TRST 的结构优化、操作调控以及工程设计提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 实验装置

立体旋流筛板结构如图1(a)所示，采用立体镂空式设计，不设降液管，主要由若干扭转的旋流筛板以及起固定作用的内、外筒组成，中心内筒不封闭，截面积约占塔板横截面积的1.6%，能起到一定的节流降压作用。旋流筛板沿周向分布，表面均匀排布筛孔，如图1(b)所示，同一筛板的上、下边沿扭转角度为α，相邻筛板间夹角为β，与筛板数量（m）的关系为β=360°/m。由于旋流筛板具有顺时针和逆时针两种旋向，因此当塔内安装多个TRST时，定义相邻TRST筛板旋向相同时为顺向安装，相反时为逆向安装。本实验中所用到的TRST由3D 打印制作，树脂材质，具体结构参数见表1。

图1 立体旋流筛板结构示意图

表1 立体旋流筛板结构参数

本研究在冷模气液并流吸收塔实验平台上进行，以NaOH 溶液和CO2模拟烟气作为实验物系，主要装置及流程如图2所示。并流吸收塔采用透明有机玻璃制作，塔径φ50mm×5mm，塔内共可安装8 块TRST（图示为5 块）。因为并流操作时只存在一个理论平衡级，所以需要设置一定的板间距离来提供足够的传质推动力。板间距过大，易导致塔体过高，增加设备成本；过小会使气液流动不易充分发展。因此，在充分考虑流体流动状态和参考前期流体力学研究所用并流塔设计的基础上，本研究中TRST 的板间距为100mm。塔底设置循环水箱，里面贮存的NaOH 溶液通过离心泵从塔顶打入吸收塔，经液体分布器后通过塔内TRST 流入水箱，构成液相循环。钢瓶中的CO2气体与空气在缓冲罐中混合后由风机鼓入塔顶，自上而下通过TRST 后，由塔体下方气相出口流出，此过程中气液两相构成并流模式。气液通量和CO2进气浓度分别由涡街流量计、电磁流量计和玻璃转子流量计测定。在各TRST 的上、下端设置CO2气体采样口，浓度由MGA5型红外烟气分析仪实时测定。实验中所考察的操作变量见表2。

表2 操作条件参数

1.2 数据处理与分析

对于吸收操作，常采用全塔气相总体积传质系数（KGae）来衡量塔设备的传质性能。依据双膜理论和物料守恒，可推导出塔设备的传质微分方程如式(1)。

在化学吸收过程中，由于CO2与吸收剂发生快速反应，因此液相组分中CO2分压近似为0，即y*≈0。对式(1)在全塔范围内积分，可得到KGae的表达式如式(2)。

因为式(2)中默认各单元高度传质能力相同，因此更适合于填料等连续式塔内件。而对于塔板等非连续式塔内件，塔内空间存在塔板段和空塔段，虽然塔板段为主要传质区域，但空塔段也存在一定的传质能力，不应忽略，因此直接沿用式(2)并不能准确反映出塔板的实际传质能力。为此，本研究除了测量安装塔板时的传质数据，还进行了一组空塔传质数据的测量，然后通过式(3)对塔板段的KGae进行换算。

为了多方面衡量并流立体旋流筛板塔的传质性能，本文还采用全塔吸收率（η）作为辅助考察指标，如式(4)所示。

此外，为便于与相近领域研究进行比较，采用表观气相动能因子（Fs）和喷淋密度（Lw）分别对气、液通量进行表征，相应的换算公式见式(5)、式(6)。

2 结果与讨论

2.1 出口CO2浓度随采样时间的变化规律

图3 为出口CO2浓度随采样时间的变化规律，可以看出，在设备开启后，出口处CO2浓度在前3min 内会大幅下降，这是因为烟气分析仪需要一定的响应时间，此过程约3min。随着采样时间的延长，出口CO2浓度趋于平稳，说明塔内吸收过程和烟气分析仪均达到稳定状态。如图3所示，在进气CO2体积分数为4%、喷淋密度分别为80m3/(m2·h)、160m3/(m2·h)的条件下（其他操作条件如图），出口体积分数分别稳定在0.8%和0.3%，并且在实验所采集的30min内一直保持平稳。根据此规律，选取5～10min 范围（每分钟采集一个数据）出口CO2浓度的平均值用于后续计算。

图3 出口CO2浓度随采样时间的变化

2.2 塔板安装数量及方式对CO2吸收率和总体积传质系数的影响

图4汇总了不同的塔板安装数量和不同方式下全塔的CO2吸收率，可以明显看出，全塔吸收率随着塔板数量的增加而增大，相较于空塔（即塔板数量为0），安装2 块塔板后吸收率有较大提升，这是由于TRST 的旋-穿耦合作用强化了气液两相的混合状态，气液两相混合得更加均匀、接触更为充分。在Lw=80m3/(m2·h)的条件下，塔板安装数量在2～6块范围内时，吸收率呈线性增长；继续增加塔板数量至8块时，吸收率增幅有所降低。这主要是因为并流操作中随高度的增加，传质推动力会逐渐减弱，在安装2～6 块塔板时，溶液中NaOH溶质含量相对充足，能够使吸收过程中传质推动力维持在较高水平；增加塔板安装数量至6～8 块时，随着吸收的进行，NaOH含量下降，不足以补充不断下降的传质推动力，故吸收率增幅放缓。在Lw为240m3/(m2·h)、400m3/(m2·h)时，吸收率随塔板数量的增加始终保持增长趋势，说明液量较大时溶液中NaOH 含量充足，在实验所考察的8 块塔板安装情况下，均能保持对CO2较为充分的吸收。

图4 塔板安装数量及方式对全塔CO2吸收率的影响

由图4还可以看出，塔板逆向安装时的吸收率要大于顺向安装，其主要原因在于，气液两相在进入塔板后，由于旋流筛板的导流作用，气液会逐渐转变为同筛板旋向的旋流，当旋流气液进入下一块旋向相同的塔板时（即顺向安装），旋流筛板的导流作用降低，此时气液更多的是维持旋流状态，穿孔流动相对较少，因此气液两相的湍流程度相对较低、传质能力较弱。而当塔板逆向安装时，由于气液的旋流方向与筛板旋向相反，气液在进入塔板后会直面撞击筛板表面，撞击作用使得气液两相被更好地分散、混合。与此同时，此过程中还伴随着更多的气液穿孔流动，筛板的旋-穿耦合作用也得到了显著增强，进而促使气液的混合与接触更加充分，传质能力明显提升。

通过对实验数据分析可知，在Lw较大[240m3/(m2·h)、400m3/(m2·h)]时，塔板采用逆向安装较顺向安装时吸收率的提升幅度相对稳定，不随着塔板数量的增加产生明显变化；Lw较小[80m3/(m2·h)]时，吸收率的提升幅度随塔板数量的增加呈先增后减趋势，因为低液量下液相分散相对不均匀，增加逆向安装的塔板数量能够促进液体更好地分散。但是随着吸收过程的进行，NaOH消耗，传质推动力下降，多塔板的增强作用逐渐削弱，导致吸收率提升幅度降低。整体上，塔板的逆向安装较顺向安装时吸收率提高约9.8%，在图4所考察的操作条件下，吸收率最高达到89.7%。将各项操作条件均调整至最优参数，即Fs=0.24kg0.5/(m0.5·s)，Lw=320m3/(m2·h)，φCO2=6%，cNaOH=1.5mol/L，逆向安装8 块TRST，吸收率最高达到95.6%，可见TRST 在吸收领域具有较好的应用潜力。

图5(a)和图5(b)分别汇总了不同塔板安装数量及不同安装方式下的全塔和塔板段的总体积传质系数。由图5(a)可以看出，KGae的整体变化趋势与吸收率相近，均随塔板数量增加而增大，塔板逆向安装时KGae较高，主要差别在于Lw分别为240m3/(m2·h)、400m3/(m2·h)时，KGae随塔板数量的增加呈指数增长。其原因在于KGae反映了传质速率、传质推动力与有效传质面积三者间的关联，增加塔板数与改变塔板安装方式能够有效促进气液混合程度，直接表现即有效传质面积会大幅提高，而传质速率与传质推动力在吸收剂充足的条件下得以保持，故KGae的增幅较大。通过图5(b)可以看出，(KGae)t明显大于KGae，变化趋势也有一定差异，这是因为塔板段的传质能力强于空塔段，所以在消除空塔段的影响后，(KGae)t的数值会大幅提高，但在Lw较小时，由于塔板内持液量较低，气液混合程度较差，因此塔板段传质能力较空塔段的优势较小，消除空塔段影响后，(KGae)t随塔板数量增加的增幅降低，并且NaOH在吸收塔上半段被较多消耗，导致塔的下半段的传质能力下滑较大，故(KGae)t在安装6～8 块塔板时出现小幅下降。

图5 塔板安装数量及方式对KGae和(KGae)t的影响

因为(KGae)t能够直接反映TRST的传质性能，所以后续对Fs、Lw、φCO2和cNaOH等操作条件的考察均采用(KGae)t作为表征参数。同时，吸收塔采用逆向安装8块塔板的方式，传质效果相对较好，实验数据相对稳定、误差较小。

2.3 气相动能因子和喷淋密度对总体积传质系数的影响

图6(a)和图6(b)分别为不同气液通量下(KGae)t及CO2浓度变化梯度的规律。由图6(a)可知，(KGae)t随气相动能因子Fs的增加先增大后减小，随喷淋密度Lw的增加逐渐增大，说明传质过程同时受到气膜和液膜的控制。控制Fs一定，提高Lw时，塔板内持液量增加，流型逐渐由沿筛板表面的连续膜状流转变为能够充斥塔板内部空间的泡沫流和充分发展流，此两种流型下塔板空间利用率得到大幅提升，强旋流伴随着大量穿孔流，气液湍动和混合程度显著提高，液膜阻力降低。同时，Lw的增大也保证了吸收剂中NaOH充足，以供传质过程持续进行，传质速率及推动力也得以维持在较高水平，因而(KGae)t会随之增大。控制Lw一定，提高Fs时，气速和气相中CO2总量都随之增大。由式(2)可知，传质系数与气速呈正相关，与进出口的CO2浓度变化梯度呈负相关。这是因为气速的提高增强气相的初始动能，液相在气相的冲击下能够更好地分散，一定程度上有效降低气、液膜之间的阻力，从而提高传质效率。然而，由于Lw一定，能接触到的气相有限，故持续增大Fs时必然有更多CO2无法有效地与吸收剂接触传质，进而使得CO2浓度变化梯度持续降低，如图6(b)。在以上两方面此消彼长的作用下，造成(KGae)t呈现出先增后减的趋势，在图6所示条件下，不同液量的(KGae)t均在Fs为0.72kg0.5/(m0.5·s)时达到峰值，最高可达12.18kmol/(m3·h·kPa)[Lw=400m3/(m2·h)]。

图6 气相动能因子和喷淋密度对(KGae)t和CO2浓度变化梯度的影响

2.4 CO2浓度对总体积传质系数的影响

图7 为(KGae)t随CO2浓度变化的规律，可以看出，在Fs和NaOH 浓度一定时，不同Lw下的(KGae)t均随着CO2浓度的增大而减小。因为提高CO2的浓度相当于增大了CO2的总体积量，而相同Lw下液相中NaOH 含量固定，所以其对CO2的吸收能力也相对恒定。在反应后期，CO2分压降低，NaOH 含量减少，导致气、液膜阻力增大，相界面间传质推动力下降，CO2难以进入液相进行传质，因此CO2浓度越大，越多的CO2无法被吸收，致使CO2浓度变化梯度降低，(KGae)t也随之减小。

图7 CO2浓度对(KGae)t的影响

2.5 NaOH浓度对总体积传质系数的影响

图8 汇总了不同NaOH 浓度下(KGae)t的变化规律，可以看出，随着NaOH浓度的增大，不同Lw时(KGae)t的变化趋势均是先增后减。在Lw较小[80～240m3/(m2·h)]时，NaOH 浓度的转折点为2mol/L，而Lw较高[320～400m3/(m2·h)]时，NaOH浓度转折点则前移至1.5mol/L。提高溶液中NaOH浓度，使液相主体与边界层中OH-离子浓度增大，在一定范围内增大了相界面传质推动力，是促进化学反应进行的有利因素。但提高NaOH浓度也会导致溶液黏度增加，一方面会降低液相表面OH-离子的更新速率，阻碍CO2向溶液内扩散；另一方面又会导致反应过程产生的热量难以散失，反应温度升高，此两点为传质过程的不利因素。NaOH浓度增加所带来的有利因素与不利因素的强弱转变是(KGae)t发生先增后减变化的主要原因，在Lw较大时，溶液黏度增大造成的负面影响更强，因而NaOH浓度转折点会相应前移。

图8 NaOH浓度对(KGae)t的影响

2.6 塔板段总体积传质系数经验模型的建立

建立（KGae）t经验模型有利于后续工程设计时对TRST 的传质性能进行预测，通过上述研究结果可知，（KGae）t与塔板安装数量n及安装方式、气相动能因子Fs、喷淋密度Lw、CO2浓度φCO2、NaOH浓度cNaOH等相关参数有关。由于TRST 在实际应用中更宜采用逆向安装，故忽略塔板安装方式影响，建立如式(7)关系式。

基于实验数据，采用SPASS 软件对式(7)进行非线性拟合，得到经验模型如式(8)。

将实验数据与模型计算值的对比汇总于图9，可见二者吻合性较好，相关系数R2=0.942，相对误差在20%以内，说明模型建立较准确。在本研究中，模型适用范围为：n=2～8，Fs=0.24～1.20kg0.5/(m0.5·s)，Lw=80～400m3/(m2·h)，φCO2=2%～10%，cNaOH=0.5～2.5mol/L。

图9 (KGae)t实验值与计算值的对比

3 结论

本文以立体旋流筛板为核心传质元件，研究了并流操作模式下吸收塔内NaOH 溶液吸收CO2的总体积传质系数，考察了塔板安装数量及方式、空塔气相动能因子与喷淋密度、CO2和NaOH 浓度等参数的影响规律，得出以下主要结论。

（1）增加塔板数量和采用逆向安装方式能够有效增强气液传质能力，提高全塔吸收率和总体积传质系数，二者最高分别可达89.7%和1.82kmol/(m3·h·kPa)。

（2）塔板段是传质过程的主要区间，其总体积传质系数大幅高于全塔区间。

（3）传质过程受气液通量、CO2和NaOH 浓度的影响显著，总体积传质系数随空塔气相动能因子和NaOH浓度的提高呈现先增大后减小趋势，随喷淋密度和CO2浓度的提高而减小。

（4）建立的经验模型对塔板段总体积传质系数具有较好的预测性，计算值与实验数据的相对误差小于20%。

符号说明

A—— 吸收塔内横截面积，m2

cNaOH—— 液相中NaOH物质的量浓度，mol/L

Fs—— 表观气相动能因子，kg0.5/(m0.5·s)

G—— 进气流量，m3/h

KGae—— 气相总体积传质系数，kmol/(m3·h·kPa)

(KGae)t—— 塔板段的气相总体积传质系数，

kmol/(m3·h·kPa)

(KGae)n—— 空塔段的气相总体积传质系数，

kmol/(m3·h·kPa)

L—— 进液流量，L/h

Lw—— 喷淋密度，m3/(m2·h)

m—— 塔板中筛板叶片的数量

n—— 塔板的安装数量

R—— 理想气体常数

T—— 温度，K

uG—— 表观空塔气速，m/h

y,y*—— CO2在气相中、相平衡时液相中的摩尔分数，%

yin,yout—— 进出口处气相中CO2的摩尔分数，%

Z—— 有效传质高度，m

Zt—— 塔板段的有效传质高度，m

z—— 采样位置，m

α—— 同一筛板上下边沿扭转角度，(°)

β—— 相邻筛板间夹角，(°)

η—— CO2吸收率，%

ρG—— 气相密度，kg/m3

φCO2—— 气相中CO2体积分数，%

下角标

in—— 吸收塔进口处

out—— 吸收塔出口处