【摘 要】
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化学吸收法是目前应用最为广泛的燃烧后二氧化碳捕集技术之一,通常采用不锈钢填料吸收塔作为气液传质的设备。为了降低设备投资,采用成本低廉的聚丙烯塑料填料替代不锈钢填料。聚丙烯属于疏水材料,经过亲水改性,塑料填料的亲水性能得以提升。但现有研究缺乏对亲水改性聚丙烯填料流体力学性能和传质性能的测试研究,特别是不同吸收剂体系下与不锈钢填料的性能对比分析。本文在搭建的填料性能测试平台上进行了填料流体力学性能测试
【基金项目】
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国家重点研发计划项目:“用于CO2捕集的高性能吸收剂/吸附材料及技术”（2017YFB0603300）；
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化学吸收法是目前应用最为广泛的燃烧后二氧化碳捕集技术之一,通常采用不锈钢填料吸收塔作为气液传质的设备。为了降低设备投资,采用成本低廉的聚丙烯塑料填料替代不锈钢填料。聚丙烯属于疏水材料,经过亲水改性,塑料填料的亲水性能得以提升。但现有研究缺乏对亲水改性聚丙烯填料流体力学性能和传质性能的测试研究,特别是不同吸收剂体系下与不锈钢填料的性能对比分析。本文在搭建的填料性能测试平台上进行了填料流体力学性能测试,并针对ST 250Y亲水改性塑料填料的结构进行模拟优化以降低其干塔压降。同时,在不同吸收剂体系（表面张力和粘度）下进行了填料传质性能测试,并提出了不同吸收剂体系下的填料有效传质面积预测公式。主要研究结论如下:流体力学性能测试表明,改性塑料填料的压降随液相负荷和气速的提高而增大,变化趋势与不锈钢填料相同。但改性塑料填料的压降损失高于不锈钢填料,常规工况下其液泛气速低于不锈钢约28.0%。提高溶液粘度或降低溶液表面张力会导致填料的压降升高,但表面张力影响较稳定,而粘度的影响随液相负荷提高而增大。在Fluent软件中构建了双波纹板和填料块模型以研究结构参数对亲水改性塑料填料干塔压降性能的影响。双板模型的测试结果表明,板片厚度增加会导致改性塑料填料干塔压降提高,而板片开孔半径和开孔率对压降没有明显影响。同时,塑料填料的压降会随波纹倾角增大而升高。气速1.0-2.0m/s时,45°波纹倾角压降比30°高94.9-111.7%。填料块模型进一步验证了,减小波纹倾角能够降低改性塑料填料压降。同时,填料块的层间压降损失显著高于填料块内部,减小波纹倾角同样能降低层间压降。层间压降的占比会随气速增加提高,气速升至2.8m/s后层间压降占比逐渐稳定。填料块的堆叠角度对填料干塔压降没有显著影响。填料传质性能测试表明,改性塑料填料的有效传质面积随气速和液相负荷的增加而提高,与不锈钢填料相似。不同吸收剂物性条件下的测试表明降低溶液表面张力能够提高填料的有效传质面积,而溶液粘度对填料有效传质面积没有明显影响。由于亲水改性塑料填料表面的多孔微纳结构在低表面张力条件下毛细作用更为明显,所以其在低表面张力的碳捕集吸收环境中更具优势。在30.0m~3/（m~2·h）液相负荷条件下,改性塑料填料在表面张力30.8和13.0m N/m的工况中有效传质面积分别高于不锈钢填料2.62%和4.29%。提出了ST 250Y亲水改性塑料和不锈钢填料应用于碳捕集吸收塔的有效传质面积预测公式,预测相对偏差约为5%,可以为工业应用提供有效设计参考。比较了填料在混合胺和离子液体等吸收剂中的传质性能。混合胺吸收剂中,（AMP+PZ）的吸收体系下填料的传质面积较高。而在离子液体（[emim][Tf2N]）体系中,填料的有效传质面积远高于在有机胺吸收剂中的。
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