基于中空纤维膜接触器的氨水吸收CO_(2)的膜润湿性能模拟研究

膜接触器吸收(膜吸收)技术结合了膜分离与气体吸收的优点,在碳捕集技术中应用潜力巨大,但膜润湿是制约其发展和应用的主要障碍之一。着重研究了基于中空纤维膜接触器的氨水吸收CO_(2)过程中的膜润湿问题。本工作通过引入润湿分数的概念,利用COMSOL建立了润湿状态的二维稳态非润湿膜吸收模型,考察了不同操作参数下膜润湿对CO_(2)吸收性能的影响。结果显示膜润湿对传质性能具有显著的影响,完全润湿条件下的CO_(2)脱除效率和传质速率相比非润湿条件分别下降了38.5%和32.5%;气相参数的变化对非润湿状态的影响更大,而液相参数则对润湿状态的影响更明显。

中空纤维膜接触器捕集燃煤电厂烟气中CO_(2)研究进展

以燃煤发电为主的基础能源电力行业是煤消耗大户和大型的CO_(2)固定排放源,通过捕集系统减少燃煤电厂CO_(2)排放是实现我国碳达峰和碳中和减排目标的重要途径之一。膜气吸收分离CO_(2)工艺同时具备了化学吸收法的高选择性和膜分离工艺结构紧凑的特点,是一种有望代替传统燃煤电厂烟气低浓度CO_(2)的分离方法。概述了膜气吸收法分离CO_(2)的主要工作原理,重点从吸收剂选择、膜材料分类、膜-溶剂交互作用机理和系统长周期运行稳定性4个方面介绍中空纤维膜接触器分离燃煤电厂烟气中CO_(2)的研究进展,最后对中空纤维膜接触器分离烟气CO_(2)工艺的发展趋势和应用挑战进行了展望。

中空纤维致密膜基吸收CO_2传质机理分析

研究了硅橡胶/聚砜中空纤维致密膜基吸收CO2的传质机理,考察了吸收剂种类(NaOH、MEA、DEA、TEA)、NaOH浓度、吸收剂流速、吸收剂压力和气相压力对CO2传质系数的影响,并采用数学模型对实验结果进行了分析。其中,用2×103mol·m·3NaOH溶液作吸收剂时,聚合物膜传质为控制步骤,总传质系数与CO2在膜中的传质系数相近,且实验过程中无漏液、鼓泡等现象发生。

微乳液体系(OP-7+OP-4)/苯甲醇/D2EHPA/煤油/盐酸的增溶性能及其对钕的膜萃取

研究了以OP-7[壬基酚聚氧乙烯(7)醚]和OP-4[壬基酚聚氧乙烯(4)醚]为非离子表面活性剂、苯甲醇为助表面活性剂所形成的W/O型微乳液体系(OP-7+OP-4)/苯甲醇/D2EHPA/煤油/盐酸在不同混合表面活性剂配比、盐酸浓度、温度、NaCl浓度等条件下对盐酸的增溶性能;将微乳液作为液膜用于对稀土钕的萃取时,采用了新的膜萃取过程即微乳液/中空纤维膜接触器萃取。结果表明,微乳液对盐酸的增溶量随混合表面活性剂的亲水亲油平衡值(HLB值)以及盐酸浓度的增大而增大,随温度的升高、NaCl浓度的增大而减小。当以逆流方式萃取时,微乳液内相盐酸浓度越大,萃取率越高,但内相富集倍数减小;当微乳液流量为6mL·min^(-1)、料液初始浓度为200mg·L^(-1)、有效萃取时间为6min时,Nd^(3+)的萃取率达96.3%,微乳液内相浓度富集倍数为21.2,有效萃取时间超过6min后,萃取率基本不变,表明该非离子型微乳液对钕Nd^(3+)具有很好的萃取和富集功能,所采用的新膜萃取过程同时具有膜萃取过程的热力学稳定性和液膜分离过程非平衡性的优点。

PVDF中空纤维膜吸收器捕获烟气CO_2的工艺技术

以水(H2O)、氢氧化钠(NaOH)、氨基乙酸钾(GLY)、氨基乙酸钾-哌嗪(GLY-PZ)水溶液为吸收剂,研究了疏水性聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜接触器分离CO2/N2模拟烟气中CO2的技术,具体考察了流动方式、气液流率、吸收液浓度和温度、原料气CO2浓度、填充密度等对膜接触器吸收效率的影响。结果表明,气液逆流的腔流程模式具有较高的分离效率。不同吸收剂的分离性能为:NaOH>GLY-PZ>GLY>H2O。温度对各种吸收剂的影响随其种类不同而有所差异。膜接触器对烟气CO2的分离效率随填充密度、吸收液浓度和流率的提高而增大,随气体流率及其中CO2浓度的增大而减小。

填充密度对中空纤维膜接触器精馏过程壳程传质的影响

探讨了填充密度对新型聚丙烯中空纤维膜接触器精馏过程中壳程传质的影响。中空纤维膜接触器在填充密度为4.7%、9.5%、19%时均可在远离常规填料液泛线以上的气速范围操作。低填充密度下,壳程的Sher-wood数理论值大于实验值,但填充密度较高时,实验值大于理论值。高Reynolds数有利于壳程传质,低填充密度时的Sherwood数高于高填充密度时。随着F因子逐步增大,壳程气相传质阻力随之变小,且膜接触器的填充密度越高,气相传质阻力越大。3种不同填充密度膜接触器的气相总传质系数随着接触器填充密度的增大而迅速减小,由391.84×10-5m·s-1降低为83.28×10-5m·s-1。

不同中空纤维膜接触器分离烟气中CO_2的性能比较

在中空纤维膜接触器试验台上,对模拟烟气中CO2的分离效果进行了比较试验。试验采用MEA、MDEA和AAAP 3种吸收液,分别在小型常规膜接触器、中型常规膜接触器和中型新膜接触器3个试验台上进行CO2的分离,重点考察了CO2的脱除效率和传质速率。试验结果显示:采用中型新膜接触器对CO2的分离效果较好,其CO2脱除效率和传质速率最高。

对中空纤维膜接触器空间结构的分析与探讨

介绍了中空纤维膜接触器在气体分离、净化以及精馏结构填料替代等方面研究的最新进展,并结合笔者所进行的实验工作,从膜接触器中体系的流动方式、壳程挡板、纤维膜组器的填充密度等方面详细探讨了中空纤维膜接触器的空间结构对于过程传质和分离效果的影响.分析结果表明,在气液接触分离过程中,为有效提高膜接触分离过程的传质系数,大多数研究采用了平流中的逆流方式;壳程挡板的增设可以促进过程的分离效果,但其作用并非始终随挡板数量的增加而增强;膜组器填充密度对壳程传质的影响明显,且大多数实验结果表明,过程分离的总传质系数随填充密度的增加而减小.

新型中空纤维膜接触器用于乙醇/水体系分离的探索

Non-porous polyether sulfone hollow fibers(with a 5 μm poly(dimethylsiloxane)coating)were used as structured packing in the distillation of ethanol-water solutions.In this novel membrane contactor,liquid flowed through the lumens of the fibers,and vapor flowed countercurrently outside the fibers.The results showed that the new membrane contactor gave better,more productive separations than traditional packing in distillation.The minimal HETP of hollow fibers could reach as low as 5.8 cm,and the contactor worked well above the limit where flooding normally occurs in conventional cases.The overall mass-transfer coefficient and individual mass-transfer coefficients based on the gas side and liquid side were calculated respectively.The theoretical analysis indicated that the resistance in the liquid was responsible for more than half of the total resistance.

膜法海水吸收烟气中二氧化碳的试验研究

采用自制聚丙烯中空纤维膜接触器,以海水作为吸收剂,对模拟烟气中CO2进行吸收试验研究.主要考察烟气流量、CO2浓度、海水流量、海水pH值及膜填充率对CO2脱除率及膜接触器传质性能的影响.研究结果表明:(1)提高烟气流量或CO2浓度能提高膜接触器对CO2的处理量,导致脱碳率下降;(2)提高海水流量能明显提高脱碳率和传质速率;(3)提高海水pH可增大海水对CO2的吸收能力,直接决定了海水对CO2的吸收机制;(4)增大膜接触器填充率所对应的脱碳率并非最高,有效气液接触面积是影响脱碳率和过程传质的重要因素.

膜接触器分离混合气中二氧化碳的研究

研究了聚丙烯纤维微孔膜 (HFPPM )膜接触器分离CO2 /N2 混合气中CO2 技术 ,考察了吸收剂的种类、HFPPM的透气率和流程等因素对CO2 分离效率的影响 .结果表明 ,液相中传质在分离过程中占主导作用 ;3种吸收剂的性能依次为单乙醇胺 (MEA) >NaOH >二乙醇胺 (DEA) .以浓度 2 5mol·L- 1、流速 4 0～ 1 6 0L·h- 1的MEA水溶液处理浓度 2 0 %、流速 0 5～ 1 0m3 ·h- 1的CO2 /N2 混合气时 ,CO2 的脱除率为 95 %～ 99 5 %,CO2 的传质系数为 4 5～ 6 8× 1 0 - 4m·s- 1;透气率大的膜组件传质系数大 ,腔流程中CO2 的脱除率比壳流程高 30 %以上 .

料液中盐对气态膜法脱氨过程的影响

系统研究了气态膜法脱氨操作过程中无机盐种类和浓度对氨传质性能的影响,并初步探讨了温度对盐效应的影响。实验结果表明,盐效应和盐溶液的黏度变化均影响氨的传质。盐对氨的盐析效果越强,氨的膜相传质系数kM越大,而盐溶液的黏度越大,氨的液相传质系数kL越小,总传质系数K的变化是kM和kL变化的综合结果。在几种常见的无机盐中,氯化钠、硫酸钠、硫酸铵对氨具有不同程度的盐析效应,可促进氨在体系中的传质;而氯化铵和氯化钙对氨具有盐溶效应,其中氯化钙的盐溶效应最为明显。温度对盐效应和体系的传质性能有显著影响,硫酸铵和氯化钙的盐效应均随着温度的升高而减弱。

混合吸收剂膜减压再生特性的试验研究

针对现有基于醇胺类溶液的化学吸收分离燃煤电厂烟气CO2技术能耗高的问题,对新型混合胺吸收剂膜减压再生进行研究,以期大幅度降低再生能耗。文中采用聚丙烯中空纤维膜接触器作为再生装置。混合胺吸收剂是以乙醇胺(MEA)为基础,添加羟乙基乙二胺(AEEA)、三乙烯四胺(TETA)、二乙烯三胺(DETA)、2-氨基-2-甲基丙醇(AMP)、哌嗪(PZ)、N-甲基二乙醇胺(MDEA),按30%质量分数配比而成。实验研究了不同吹扫蒸汽流量,不同再生温度对于混合胺吸收剂再生特性的影响,并将混合吸收剂膜减压再生能耗与传统热再生进行比较。实验表明:在80℃再生温度条件下,15%MEA+15%MDEA混合吸收剂再生程度最高,为45.9%;20%MEA+10%AMP混合吸收剂的再生传质速率为1.34 mol/(m2h),相比30%MEA提高了63.4%。再生能耗方面,70℃再生温度并且不考虑吹扫蒸汽作用下,20%MEA+10%AMP的再生过程电耗最低,仅为732.6 kJe/kg(CO2)。综合再生程度,再生传质速率以及再生能耗表现,可以看出MEA+AMP系列混合吸收剂是更好的选择。

膜接触器分离混合气中二氧化碳

以N-甲基二乙醇胺(MDEA)水溶液为吸收剂,采用疏水性聚丙烯中空纤维膜组件(HFPPM)作为膜接触器,研究了膜接触器分离CO2/N2混合气传质性能,主要考察了吸收剂浓度,液速,吸收温度,原料气浓度和气速等因素对CO2吸收性能的影响,比较了同一膜组件不同流程和不同膜组件及膜形态对分离效果的影响,并对膜组件运行的稳定性进行了初步考察.实验结果表明,采用MDEA溶液和HFPPM膜接触器分离CO2/N2混合气具有较快的传质速率和较高的分离效率.

中空纤维膜接触器脱碳和传质性能的数值研究

中空纤维膜吸收烟气中CO2是一种清洁、高效、最具潜力的脱碳技术方法之一。本文建立了一个二维的中空纤维膜接触器平行逆流吸收混合气中CO2的非润湿模型。考虑轴向和径向扩散,模拟了EEA、EDA和PZ 3种吸收剂在不同操作条件下对CO2的脱除效果和传质性能。结果表明:脱碳性能从大到小为PZ>EDA>EEA;气相参数对脱碳和传质的影响比液相参数更显著;提高气体流速、CO2浓度和气温,脱碳率均会下降;提高液速、吸收剂浓度和液温,脱碳率均增大,而传质速率只有在提高气温时会下降,其他参数的升高均会使其增大;应采用适当的液相参数,防止操作参数过高带来的不利影响。

中空纤维膜器中乳化液膜体系提取铟的研究

采用中空纤维支撑乳化液膜非分散提取工艺,对所构建的乳化液膜体系OP-4/流动载体/液体石蜡/煤油/盐酸进行In(Ⅲ)的提取研究,考察了流动载体、乳化剂OP-4浓度、内相盐酸浓度、料液/乳液流速比等因素对提取结果的影响,计算了膜的渗透通量和渗透系数。结果表明:在所考察的三种流动载体P204[二(2-乙基己基)磷酸]、P507[二(2-乙基己基-单-乙基己基)磷酸]、TBP(磷酸三丁酯)中,P204对In(Ⅲ)的提取效果最好;随着乳化剂OP-4浓度增大,提取率降低;内相盐酸浓度为2 mol·L-1时提取率最高,达到99.6%;料液/乳液流速比越大,提取率越低;膜的渗透通量和渗透系数随着料液/乳液流速比的增大而增大。在含杂质Fe(Ⅲ)、Zn(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)的料液中,各离子提取率大小顺序为In(Ⅲ)(81.5%)>Fe(Ⅲ)(71.9%)>Zn(Ⅱ)(25.3%)>Cu(Ⅱ)(3.4%),表明Fe(Ⅲ)对In(Ⅲ)的提取有较大影响。

中空纤维膜组件壳程流动的数值模拟

利用随机顺序添加算法(RSA)建立了中空纤维膜组件壳程三维几何模型,研究了膜组件壳程复杂结构条件下的流体力学特征,进行了组件壳程流动的数值模拟。通过与实验数据及现有经验关联式的比较表明,在低Reynolds数下,基于上述几何模型的数值模拟可较好地预测膜组件的传质特性,能够替代经验关联式,为具有特定几何结构的膜组件和膜过程设计提供依据。模拟结果表明,膜丝轴向的非平行分布导致的径向流动能够消除局部沟流和死区带来的影响,合理地安排膜丝沿组件轴向的排布方式是提高组件分离性能的潜在手段之一。

气液膜接触器分离混合气中CO_2过程研究

建立了膜接触器吸收CO2 ,溶液热再生连续循环实验装置 ,评价了疏水性PP(聚丙烯 )微孔膜 ,MDEA(N 甲基二乙醇胺 )溶液及添加活化剂PZ(哌嗪 )的活化MDEA溶液吸收CO2 传质过程。结果表明 :在溶液浓度 2 5mol L ,气速0 5～ 3 0L min,液速 15～ 15 0mL min时 ,总传质系数Kov为 1 0× 10 - 5～ 3 6× 10 - 5m s(MDEA) ,1 6× 10 - 5～ 4 5×10 - 5m s(MDEA +PZ)。采用阻力层无因次关联方程模型预测Kov值 ,计算值和实验值符合较好。基于模型和实验结果 ,将PZ的吸收行为作为溶液的活化作用 ,在计算Kov值时 ,考虑活化作用因素并归结于化学增强因子E中 ,模型能更好地预测实验结果。

中空纤维膜吸收低浓度CO_2工艺研究

采用疏水性聚丙烯中空纤维膜组件为吸收装置,分别以一乙醇胺(MEA)和甘氨酸钾(PG)为吸收液对低浓度CO2(≤0.5%)进行吸收,考察了吸收液浓度、吸收液流量、吸收液碳化度、气体流量、进气CO2含量、气液流动方式等因素对CO2吸收效率η和总体积传质系数KGa的影响,同时对2种不同结构的中空纤维膜接触器进行了比较。研究结果表明:MEA和PG均可作为低浓度CO2吸收的吸收剂,但在相同操作条件下,MEA的吸收效果优于PG;吸收过程主要受气相阻力控制,气液采取逆流或并流的流动方式对吸收效果影响不大。

气-液膜接触器结构优化及其传质性能研究

以海水作为吸收剂,采用模拟烟气,对气-液膜接触器进行传质性能评价试验,考察其工艺结构参数、气液介质流动速率及方式、气液压差、烟气SO2浓度等因素对传质系数、脱硫率及膜效用的影响.试验表明,在气相压力较低情况下,气液流速、气液压差对总气相传质系数影响明显,而烟气SO2浓度的影响可忽略不计.适当提高膜接触器的填充密度,增加膜吸收级数,采用错流模式的气液流动方式,均可改善烟气流场分布,增大有效传质面积,提高膜效用.与传统吸收塔相比,新型膜气体吸收装置的气液两相独立控制,可灵活应对烟气浓度变化对脱硫稳定性的影响,同时具有低气阻、耐污染、规模可线性放大等优点,工业化应用前景广阔.