本文關(guān)鍵詞：哌嗪活化氨溶液脫除二氧化碳的試驗及數(shù)值模擬研究　出處：《東南大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：氨法脫碳具有成本低廉、再生能耗小、腐蝕性弱及可實現(xiàn)多種污染物綜合脫除等優(yōu)勢,因此在CO_2減排方面具有廣闊的應(yīng)用前景。但目前氨法脫碳仍然存在吸收速率慢和氨逃逸嚴重等瓶頸問題,制約了氨法脫碳的工業(yè)化應(yīng)用。針對以上問題,本文提出采用哌嗪(PZ)作為添加劑對氨水溶液進行活化,并對其CO_2吸收特性展開了基礎(chǔ)性研究,包括氨法脫碳微觀反應(yīng)機制、PZ活化機制、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)特性、噴淋塔吸收試驗。在此基礎(chǔ)上,進一步建立了 PZ活化氨溶液脫碳過程三維數(shù)值模擬研究平臺,為其今后大規(guī)模減排CO_2工程應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。針對微觀尺度的氨法脫碳反應(yīng)機制及PZ活化機制,本文基于量子化學(xué)理論,首先采用隱式溶劑模型與顯式溶劑模型相結(jié)合的方法考察了 NH_3-CO_2-H_2O體系中NH_3、H_2O及CO_2之間存在的反應(yīng)路徑,隨后進一步考察了添加劑PZ對上述反應(yīng)路徑的影響及其自身與CO_2的反應(yīng)機制。結(jié)果表明,氨水溶液脫除CO_2的過程中存在兩類反應(yīng)路徑:氨基甲酸銨生成路徑及碳酸氫銨生成路徑。通過AIM(Atoms in Molecules)分析及NPA(Natural Population Analysis)分析,發(fā)現(xiàn)氨基甲酸銨反應(yīng)路徑包含兩步反應(yīng):首先由NH_3與(CO_2反應(yīng)生成兩性離子產(chǎn)物NH_3+CO_2-,隨后該兩性離子與鄰近的NH_3發(fā)生幾乎無勢壘的質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)生成NH4+與NH_2COO-;表明NH_3+CO_2-生成過程為該反應(yīng)路徑的速控步。然而以水分子取代NH_3參與質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)時,活化自由能遠遠高于NH_3及NH_3+CO_2-的分解反應(yīng),表明水分子并不能作為質(zhì)子轉(zhuǎn)移載體。在添加PZ后,發(fā)現(xiàn)PZ對兩性離子NH_3+CO_2-的生成過程并不存在催化作用,但PZ可同樣與CO_2生成PZ+CO_2-兩性離子,且反應(yīng)活化自由能遠低于NH_3+CO_2-生成路徑。而在隨后的質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程中,PZ與NH_3可分別與兩性離子PZ+CO_2-發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)生成PZCOO-和相應(yīng)的陽離子PZH+或NH4+,且兩者反應(yīng)活化自由能均低于PZ+CO_2-的分解反應(yīng)。這表明PZ對于氨水溶液的活化機制是由于其降低了兩性離子生成過程中的活化自由能。對于碳酸氫銨反應(yīng)路徑,盡管在NH_3或PZ的參與下,反應(yīng)活化能得到降低,并生成HCO3-相應(yīng)的陽離子NH4+或PZH+;但反應(yīng)活化能仍遠遠高于氨基甲酸銨反應(yīng)路徑,表明氨基甲酸銨反應(yīng)路徑為吸收二氧化碳的主要反應(yīng)。建立了濕壁塔反應(yīng)系統(tǒng),考察了 PZ活化氨溶液吸收(CO_2的傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)特性�；诹孔佑嬎慊瘜W(xué)的結(jié)果,針對氨水溶液、PZ溶液及PZ活化氨溶液吸收CO_2過程,提出了新的吸收反應(yīng)模型,并根據(jù)濕壁塔試驗結(jié)果,獲得了相應(yīng)的關(guān)鍵性動力學(xué)參數(shù)。新模型結(jié)果與前人試驗結(jié)果進行對比,吻合良好。隨后根據(jù)PZ活化氨溶液的濕壁塔試驗結(jié)果回歸動力學(xué)模型時,發(fā)現(xiàn)僅僅采用氨法脫碳及PZ溶液脫碳的動力學(xué)參數(shù)就已經(jīng)和試驗結(jié)果吻合較好。這一方面與PZ對氨法脫碳的活化機制有關(guān),另一方面由于PZ添加較少,因此NH_3是主要的質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)物。隨后,本文進一步放大研究對象,建立了實驗室規(guī)模的CO_2噴淋吸收系統(tǒng),考察了 PZ添加量、氨水濃度、吸收液流量、吸收液溫度、煙氣流量及煙氣溫度對脫碳效率、出口 NH_3濃度、CO_2體積總傳質(zhì)系數(shù)及氨逃逸率的影響。發(fā)現(xiàn)PZ添加量和氨水濃度對脫碳效率及CO_2體積總傳質(zhì)系數(shù)正向影響顯著;氨水濃度與吸收液溫度則對出口氨濃度及氨逃逸率影響較大;吸收液溫度對脫碳效率存在最優(yōu)值,而氨逃逸率先隨著吸收液流量的增加而上升,達到最高值后則呈現(xiàn)出緩慢下降的趨勢�；谇拔牡幕A(chǔ)性研究結(jié)果,在數(shù)值模擬基礎(chǔ)平臺上,采用DPM模型及自行編譯的傳熱傳質(zhì)模塊(UDF),建立了耦合氣液流動、傳熱傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)的PZ活化氨溶液脫除CO_2的三維數(shù)值模型。模擬對象為所搭建的噴淋吸收系統(tǒng)。模擬結(jié)果揭示了反應(yīng)器內(nèi)部氣液兩相流動的速度場、溫度場、組分分布、CO_2吸收速率及NH_3揮發(fā)速率等重要特性。并且與試驗結(jié)果吻合較好,驗證了模型的合理性。在此基礎(chǔ)上,對一些重要操作參數(shù)進行了探究,加深了對PZ活化氨溶液脫除CO_2過程的認識,是對試驗研究的重要補充和拓展,也為吸收塔的優(yōu)化設(shè)計與操作提供了重要的參考和研究手段。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：X701

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本文編號：1335422