第36卷第3期 北京科技大学学报 Vol.36 No.3 2014年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2014 密闭环境内固体吸收剂循环净化C0,反应特性 刘应书2区，贾彦翔，刘文海”，霍婧” 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:ysliut@ustb.cdu.cn 摘要选取LiOH、Ca(0H),和钠石灰三种常用固体化学吸收剂，在密闭环境C02循环净化模拟装置上开展了C0,循环净 化实验研究.三种吸收剂均有吸收C02的作用，且均存在一个较优空速值，分别为110400、38700和40500h‘,在该空速值条 件下将体积分数2%左右的C0,吸收至0.03%左右所需反应时间最短，反应速率最大.通过函数拟合和数学分析，得出实验 条件下三种吸收剂反应速率与C0,质量浓度的关系式以及最大反应速率的排列次序.进一步的分析表明，三种吸收剂在较优 空速值条件下的C02吸收速率均能达到相关标准的要求，可以实际应用于密闭环境内C02净化，且密闭环境中C02体积分数 理论上会在一定的中间值附近波动. 关键词密闭环境：二氧化碳：吸收剂：空气净化：反应动力学 分类号TU834.8 Reaction characteristics of CO,circulation purification by solid absorbents in closed environments l0 Ying-shu',2回，JIA Yan-xiang”,LI Wen-hai',HU0Jimg” 1)School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:ysliu@ustb.edu.cn ABSTRACT By using a simulation device of CO,circulation purification in a closed environment,CO,circulation purification experi- ments were carried out with three kinds of solid chemical absorbents,LiOH,Ca(OH)2 and soda lime.Experimental results show that all the absorbents can absorb CO,and there are the optimal space velocity values for the three absorbents,which are 110400,38700, and 40500h,respectively.Under these space velocity value conditions,the reaction time is the shortest and the reaction rate is the fastest for absorbing the CO volume fraction of 2%to 0.03%.The relationships between reaction rate and CO mass concentration as well as the maximum reaction rate order of the three absorbents under experimental conditions were obtained by function fitting and mathematical analysis.Further analysis indicates that the CO absorption rates of the three absorbents under the optimal space velocity value conditions are able to meet the requirements of relevant standards for actual CO,purification in closed environments,while the CO,volume fraction would fluctuate around certain intermediate values in theory. KEY WORDS closed environment:carbon dioxide:absorbents:air purification:reaction kinetics 密闭环境是指宇宙飞船、宇宙空间站、潜艇、水时，人体新陈代谢产生的二氧化碳是环境内最主要 下工作船、地下工作舱等与大气层隔绝或与外界无 的气体污染物)，亟需采取净化技术对其进行严 气体交换的特殊空间四，其中的空气净化是一个重 格浓度控制，保障人员生命安全.密闭环境中二氧 要的研究问题.人员在密闭环境中较长时间生存 化碳净化方法主要有物理法（吸附法、水洗法、膜分 收稿日期：2012-11-29 基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF-SD-12013A) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.013:http://journals.ustb.edu.cn
第 36 卷 第 3 期 2014 年 3 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 3 Mar． 2014 密闭环境内固体吸收剂循环净化 CO2 反应特性 刘应书1，2) ，贾彦翔1) ，刘文海1) ，霍 婧1) 1) 北京科技大学机械工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 通信作者，E-mail: ysliu@ ustb． edu． cn 摘 要 选取 LiOH、Ca( OH) 2 和钠石灰三种常用固体化学吸收剂，在密闭环境 CO2 循环净化模拟装置上开展了 CO2 循环净 化实验研究． 三种吸收剂均有吸收 CO2 的作用，且均存在一个较优空速值，分别为 110400、38700 和 40500 h － 1，在该空速值条 件下将体积分数 2% 左右的 CO2 吸收至 0. 03% 左右所需反应时间最短，反应速率最大． 通过函数拟合和数学分析，得出实验 条件下三种吸收剂反应速率与 CO2 质量浓度的关系式以及最大反应速率的排列次序． 进一步的分析表明，三种吸收剂在较优 空速值条件下的 CO2 吸收速率均能达到相关标准的要求，可以实际应用于密闭环境内 CO2 净化，且密闭环境中 CO2 体积分数 理论上会在一定的中间值附近波动． 关键词 密闭环境; 二氧化碳; 吸收剂; 空气净化; 反应动力学 分类号 TU 834. 8 Ｒeaction characteristics of CO2 circulation purification by solid absorbents in closed environments LIU Ying-shu1，2) ，JIA Yan-xiang1) ，LIU Wen-hai1) ，HUO Jing1) 1) School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: ysliu@ ustb． edu． cn ABSTＲACT By using a simulation device of CO2 circulation purification in a closed environment，CO2 circulation purification experiments were carried out with three kinds of solid chemical absorbents，LiOH，Ca( OH) 2 and soda lime． Experimental results show that all the absorbents can absorb CO2，and there are the optimal space velocity values for the three absorbents，which are 110400，38700， and 40500 h － 1，respectively． Under these space velocity value conditions，the reaction time is the shortest and the reaction rate is the fastest for absorbing the CO2 volume fraction of 2% to 0. 03% ． The relationships between reaction rate and CO2 mass concentration as well as the maximum reaction rate order of the three absorbents under experimental conditions were obtained by function fitting and mathematical analysis． Further analysis indicates that the CO2 absorption rates of the three absorbents under the optimal space velocity value conditions are able to meet the requirements of relevant standards for actual CO2 purification in closed environments，while the CO2 volume fraction would fluctuate around certain intermediate values in theory． KEY WOＲDS closed environment; carbon dioxide; absorbents; air purification; reaction kinetics 收稿日期: 2012--11--29 基金项目: 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目( FＲF--SD--12--013A) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 03． 013; http: / /journals． ustb． edu． cn 密闭环境是指宇宙飞船、宇宙空间站、潜艇、水 下工作船、地下工作舱等与大气层隔绝或与外界无 气体交换的特殊空间［1］，其中的空气净化是一个重 要的研究问题． 人员在密闭环境中较长时间生存 时，人体新陈代谢产生的二氧化碳是环境内最主要 的气体污染物［2--3］，亟需采取净化技术对其进行严 格浓度控制，保障人员生命安全． 密闭环境中二氧 化碳净化方法主要有物理法( 吸附法、水洗法、膜分
·360 北京科技大学学报 第36卷 离法、空气置换法等)、固体化学吸收法（碱性物质 测，气密性能良好，可视为密闭环境 反应法和超氧化物反应法)等0.针对潜艇、人防、 计算机 煤矿井下紧急避险设施等密闭空间的特殊环境，综 流量计 浓度 合考虑能耗量、可操作性、适应性、可靠性等多种因 检测仪 素，适宜选择能耗低、操作简单及可移植性强的固体 热球■ 化学吸收法进行二氧化碳浓度控制. 风速仪☑ 由于密闭环境中实际反应条件和反应动力学等 混合塔 因素限制，固体化学吸收剂吸收二氧化碳的过程实 质上是将二氧化碳气体多次通过吸收剂以实现降低 Co 风扇2 风扇1 二氧化碳浓度的循环净化过程.国内外相关学者已 经对密闭环境中固体化学吸收法控制二氧化碳浓度 图1密闭空间二氧化碳循环净化实验装置示意图 方面进行了一定的探索性研究.Stutte、何正杰、徐 Fig.I Schematic diagram of the carbon dioxide cycle purification de- 国林等5-)对密闭环境中人体自身代谢产生的有害 vice 气体进行了实验研究：姜磊和赵俊海圆、祝维燕 1.2实验材料 等回对深潜器与潜艇中二氧化碳及其他有害气体 循环净化进行了研究；Bamsey、栗婧、杜焱等o园研 为了研究密闭环境内二氧化碳净化的基本特 性，本实验选取LiOH、Ca(OH),和钠石灰三种常用 究了矿用救生舱中二氧化碳循环净化方式及装置. 吸收剂作为实验材料.对实验材料进行除杂质和粉 上述研究对密闭环境中固体化学吸收法控制二 尘处理，使其粉尘率等指标达到国家相关标准)要 氧化碳浓度提供了一定的理论参考和应用实例，但 求，并将经过处理的LiOH、Ca(OH),和钠石灰三种 未对化学吸收材料及循环净化反应特性进行深入研 吸收剂分别记为LI1、CAH和NA1剂.实验材料 究.笔者在国内外相关学者研究的基础上，选取几 的相关物化性质参数如表1所示. 种常用固体吸收剂作为吸收材料进行密闭环境二氧 化碳循环净化实验，通过分析其浓度衰减曲线与反 表1实验材料相关物化性质 应速率曲线，探究固体吸收剂常温吸收二氧化碳的 Table 1 Related physicochemical properties of experimental materials 实验 粒径/高度/堆密度/每克化合物理论 反应特性与基本规律，旨在对密闭环境固体化学吸 外型 材料 mmmm(g”cm~3)C02吸收量/g 收法控制二氧化碳浓度提供技术指导 L-1扁棒状固体6±0.53.5±0.50.76 0.92 实验测定装置及方法 CA-1长棒状固体3.5±0.56±0.5 0.72 0.59 NA-长棒状固体4±0.56.5±0.50.62 0.49 1.1实验装置 为了模拟密闭环境中化学吸收剂循环净化二氧 1.3实验方法及内容 化碳过程，搭建了如图1所示的实验装置.该装置 首先，打开浓度检测仪及计算机，开始对塔内 由混合塔、反应塔、风扇、浓度监测仪、热球风速仪、 CO2浓度进行实时采集存储，并确保阀门V1、V2、V3 计算机、CO2气瓶、减压阀、流量计、管路及阀门组 和风扇1、2均处于关闭状态，反应塔内装入一定 成.混合塔为不锈钢材质，容积188L,底部安装风 床层高度的吸收剂.然后，打开阀门V,将高压气 扇1：反应塔为不锈钢材质，直径150mm,容积8.8 瓶内纯度≥99.5%的C02气体通入混合塔，并经 L,反应塔下端有限位筛板，上端有活动筛板，吸收 由减压阀减至常压(101.325kPa),流量计控制 剂装填高度可通过上端筛板进行调节；风扇1作用 C0,进气量，待体积分数显示接近2%时关闭阀门 为均匀混合塔内气体，风扇2主要提供循环反应驱 V,停止进气.其次，打开风扇1，使混合塔内气体 动力；浓度检测仪可以对塔内C02气体体积分数进 充分均匀，浓度检测值基本维持恒定后，关闭风扇 行实时精确测定，测量范围0~2%，精度0.01%； 1,打开阀门V2、V:及风扇2，净化反应开始进行， QDF6数字型热球风速仪可测定反应塔内气体流 并用热球风速仪读取反应塔内的流速值.最后，待 速，测量范围0.05~30m·s-1,精度0.01ms-1;计 C02体积分数从2%左右降至0.03%附近时结束 算机通过组态软件对检测数据进行实时采集和记 实验. 录：管路及阀门(V1、V2和V)为PVC材质，总容积 本实验主要内容及具体环境条件及反应塔内平 约为12L.整套装置阀门及对接点均经过气密性检 均气体流速如表2所示
北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 离法、空气置换法等) 、固体化学吸收法( 碱性物质 反应法和超氧化物反应法) 等［4］． 针对潜艇、人防、 煤矿井下紧急避险设施等密闭空间的特殊环境，综 合考虑能耗量、可操作性、适应性、可靠性等多种因 素，适宜选择能耗低、操作简单及可移植性强的固体 化学吸收法进行二氧化碳浓度控制． 由于密闭环境中实际反应条件和反应动力学等 因素限制，固体化学吸收剂吸收二氧化碳的过程实 质上是将二氧化碳气体多次通过吸收剂以实现降低 二氧化碳浓度的循环净化过程． 国内外相关学者已 经对密闭环境中固体化学吸收法控制二氧化碳浓度 方面进行了一定的探索性研究． Stutte、何正杰、徐 国林等［5--7］对密闭环境中人体自身代谢产生的有害 气体进行了实验研究; 姜 磊 和 赵 俊 海［8］、祝维 燕 等［9］对深潜器与潜艇中二氧化碳及其他有害气体 循环净化进行了研究; Bamsey、栗婧、杜焱等［10--12］研 究了矿用救生舱中二氧化碳循环净化方式及装置． 上述研究对密闭环境中固体化学吸收法控制二 氧化碳浓度提供了一定的理论参考和应用实例，但 未对化学吸收材料及循环净化反应特性进行深入研 究． 笔者在国内外相关学者研究的基础上，选取几 种常用固体吸收剂作为吸收材料进行密闭环境二氧 化碳循环净化实验，通过分析其浓度衰减曲线与反 应速率曲线，探究固体吸收剂常温吸收二氧化碳的 反应特性与基本规律，旨在对密闭环境固体化学吸 收法控制二氧化碳浓度提供技术指导． 1 实验测定装置及方法 1. 1 实验装置 为了模拟密闭环境中化学吸收剂循环净化二氧 化碳过程，搭建了如图 1 所示的实验装置． 该装置 由混合塔、反应塔、风扇、浓度监测仪、热球风速仪、 计算机、CO2 气瓶、减压阀、流量计、管路及阀门组 成． 混合塔为不锈钢材质，容积 188 L，底部安装风 扇 1; 反应塔为不锈钢材质，直径 150 mm，容积 8. 8 L，反应塔下端有限位筛板，上端有活动筛板，吸收 剂装填高度可通过上端筛板进行调节; 风扇 1 作用 为均匀混合塔内气体，风扇 2 主要提供循环反应驱 动力; 浓度检测仪可以对塔内 CO2 气体体积分数进 行实时精确测定，测量范围 0 ～ 2% ，精度 0. 01% ; QDF--6 数字型热球风速仪可测定反应塔内气体流 速，测量范围 0. 05 ～ 30 m·s － 1，精度 0. 01 m·s － 1 ; 计 算机通过组态软件对检测数据进行实时采集和记 录; 管路及阀门( V1、V2 和 V3 ) 为 PVC 材质，总容积 约为 12 L． 整套装置阀门及对接点均经过气密性检 测，气密性能良好，可视为密闭环境． 图 1 密闭空间二氧化碳循环净化实验装置示意图 Fig． 1 Schematic diagram of the carbon dioxide cycle purification device 1. 2 实验材料 为了研究密闭环境内二氧化碳净化的基本特 性，本实验选取 LiOH、Ca( OH) 2 和钠石灰三种常用 吸收剂作为实验材料． 对实验材料进行除杂质和粉 尘处理，使其粉尘率等指标达到国家相关标准［13］要 求，并将经过处理的 LiOH、Ca( OH) 2 和钠石灰三种 吸收剂分别记为 LI--1、CA--1 和 NA--1 剂． 实验材料 的相关物化性质参数如表 1 所示． 表 1 实验材料相关物化性质 Table 1 Ｒelated physicochemical properties of experimental materials 实验 材料 外型 粒径/ mm 高度/ mm 堆密度/ ( g·cm － 3 ) 每克化合物理论 CO2 吸收量/g LI--1 扁棒状固体 6 ± 0. 5 3. 5 ± 0. 5 0. 76 0. 92 CA--1 长棒状固体 3. 5 ± 0. 5 6 ± 0. 5 0. 72 0. 59 NA--1 长棒状固体 4 ± 0. 5 6. 5 ± 0. 5 0. 62 0. 49 1. 3 实验方法及内容 首先，打开浓度检测仪及计算机，开始对塔内 CO2 浓度进行实时采集存储，并确保阀门 V1、V2、V3 和风扇 1、2 均处于关闭状态，反应塔内装入一定 床层高度的吸收剂． 然后，打开阀门 V1，将高压气 瓶内纯度≥99. 5% 的 CO2 气体通入混合塔，并经 由减压 阀 减 至 常 压( 101. 325 kPa) ，流 量 计 控 制 CO2 进气量，待体积分数显示接近 2% 时关闭阀门 V1，停止进气． 其次，打开风扇 1，使混合塔内气体 充分均匀，浓度检测值基本维持恒定后，关闭风扇 1，打开阀门 V2、V3及风扇 2，净化反应开始进行， 并用热球风速仪读取反应塔内的流速值． 最后，待 CO2 体积分数从 2% 左右降至 0. 03% 附近时结束 实验． 本实验主要内容及具体环境条件及反应塔内平 均气体流速如表 2 所示． · 063 ·
第3期 刘应书等：密闭环境内固体吸收剂循环净化C02反应特性 ·361· 表2实验内容及基本条件 Table 2 Experimental contents and basic conditions L- CA-1 NA-1 床层高度， 温度， 相对湿度，气体流速，床层高度，温度，相对湿度，气体流速，床层高度，温度， 相对湿度，气体流速， h/mm T/K RH/%/(m-s-1)h/mm T/K RH/%r/(ms-l）h/mm T/K RH/%/(m-s-1) 20 295 50 30 293 52 1.03 30 296 47 1.05 30 295 50 0.95 50 293 52 0.92 50 296 47 1 50 295 50 0.88 80 293 52 0.85 80 296 47 0.9 80 295 50 0.78 100 293 52 0.79 100 296 47 0.85 度随反应时间变化曲线 2 实验结果及分析 2.1C02质量浓度变化规律 GHsv-号-8=oh (1) 为了使得到的C02质量浓度随反应时间变化 式中，GHSV是气体体积空速，h-';Q是气体流量， 曲线更具普遍性，实验对反应塔内的气体流速进行 m3h-1:V是反应床层体积，m3:S是反应塔截面积， 了测定，结果如表2所示.通过式(1)可以计算出不 m2;是气体流速，ms1;h是反应床层高度，m.将 同床层高度下反应塔内的最大空速，结合实验数据 表2中的相关数据经过式(1)计算后得到结果如表 可以得到三种吸收剂在不同空速下的CO,质量浓 3所示. 表3三种吸收剂在不同床层高度下的空速值 Table 3 Space velocity values of absorbents at different bed heights LI-1 CA-1 NA-1 床层高度， 气体流速， 空速/ 床层高度， 气体流速， 空速/ 床层高度， 气体流速， 空速/ h/mm /(m's-1) h-1 h/mm /(ms) h-1 h/mm /(m's-1) h-1 20 1.00 180000 30 1.03 123600 30 1.05 126000 30 0.92 110400 50 0.97 69840 50 1.00 72000 50 0.84 60480 吃 0.86 38700 80 0.90 40500 晚 0.72 32400 100 0.79 28440 100 0.85 30600 在本实验条件下，可以假设CO2为理想气体. 条件需要的反应时间均不相同，但总体趋势一致 通过理想气体状态方程可将实验测得的C0,体积 实验结果表明三种吸收剂均有吸收C02的作用. 分数转化成质量浓度，如下式所示： (1)反应进行前期，CO2质量浓度下降较快，但 P.M 是随着反应的进行，CO2质量浓度逐渐降低，到了反 noo=R-T'Pcoz (2) 应的中后期CO2质量浓度下降的速度变慢，最后趋 式中：nco,为C02质量浓度，g·m-3;P为大气压力 于平缓.因为在本实验C02质量浓度范围内，反应 101325,Pa:R为摩尔气体常量，8.3145J·mol-1· 速率主要与反应温度、相对湿度和CO,质量浓度有 K-1:T为环境温度，K;M为C02摩尔质量，44g· 关，反应温度和相对湿度一定时，反应速率取决于 moll;pco,为C02体积分数. CO2质量浓度的变化.所以，反应前期CO2质量浓 以山-1实验为例，实验温度为22℃，某时刻装 度高，C02质量浓度下降速度快，反应中后期随着 置内C02体积分数为2%，经计算该时刻C02质量 CO2质量浓度的降低，CO,质量浓度下降速度逐渐 浓度为36.353gm-3.综合空速及C0,质量浓度计 减慢. 算值，可以得到不同空速条件下三种吸收剂一1、 (2)每种吸收剂在吸收C02时均存在一个较优 CA-1和NA-1吸收CO2质量浓度随反应时间变化 空速值，在该空速条件下的反应时间最短.原因在 曲线，如图2所示. 于：空速过大时，CO2气体在反应塔内流速过大，造 如图2所示，随着反应的进行，C02质量浓度从 成CO2与吸收剂的接触时间过短，反应还未进行完 36g·m-3(体积分数2%)左右逐渐降低至0.5g· 全气体就己经流出反应塔，促使需要更多的循环次 m3(体积分数0.03%)附近：不同的吸收剂和空速 数才能达到理想的净化效果，导致总反应时间的延
第 3 期 刘应书等: 密闭环境内固体吸收剂循环净化 CO2 反应特性 表 2 实验内容及基本条件 Table 2 Experimental contents and basic conditions LI--1 CA--1 NA--1 床层高度， h /mm 温度， T /K 相对湿度， ＲH /% 气体流速， v/( m·s － 1 ) 床层高度， h /mm 温度， T /K 相对湿度， ＲH /% 气体流速， v/( m·s － 1 ) 床层高度， h /mm 温度， T /K 相对湿度， ＲH /% 气体流速， v/( m·s － 1 ) 20 295 50 1 30 293 52 1. 03 30 296 47 1. 05 30 295 50 0. 95 50 293 52 0. 92 50 296 47 1 50 295 50 0. 88 80 293 52 0. 85 80 296 47 0. 9 80 295 50 0. 78 100 293 52 0. 79 100 296 47 0. 85 2 实验结果及分析 2. 1 CO2 质量浓度变化规律 为了使得到的 CO2 质量浓度随反应时间变化 曲线更具普遍性，实验对反应塔内的气体流速进行 了测定，结果如表 2 所示． 通过式( 1) 可以计算出不 同床层高度下反应塔内的最大空速，结合实验数据 可以得到三种吸收剂在不同空速下的 CO2 质量浓 度随反应时间变化曲线． GHSV = Q V = S·v S·h = v / h． ( 1) 式中，GHSV 是气体体积空速，h － 1 ; Q 是气体流量， m3 ·h － 1 ; V 是反应床层体积，m3 ; S 是反应塔截面积， m2 ; v 是气体流速，m·s － 1 ; h 是反应床层高度，m． 将 表 2 中的相关数据经过式( 1) 计算后得到结果如表 3 所示． 表 3 三种吸收剂在不同床层高度下的空速值 Table 3 Space velocity values of absorbents at different bed heights LI--1 CA--1 NA--1 床层高度， h /mm 气体流速， v/( m·s － 1 ) 空速/ h － 1 床层高度， h /mm 气体流速， v/( m·s － 1 ) 空速/ h － 1 床层高度， h /mm 气体流速， v/( m·s － 1 ) 空速/ h － 1 20 1. 00 180000 30 1. 03 123600 30 1. 05 126000 30 0. 92 110400 50 0. 97 69840 50 1. 00 72000 50 0. 84 60480 80 0. 86 38700 80 0. 90 40500 80 0. 72 32400 100 0. 79 28440 100 0. 85 30600 在本实验条件下，可以假设 CO2 为理想气体． 通过理想气体状态方程可将实验测得的 CO2 体积 分数转化成质量浓度，如下式所示: nCO2 = P·M Ｒ·T ·φCO2 ． ( 2) 式中: nCO2 为 CO2 质量浓度，g·m － 3 ; P 为大气压力 101325，Pa; Ｒ 为 摩 尔 气 体 常 量，8. 3145 J·mol － 1· K － 1 ; T 为环境温度，K; M 为 CO2 摩尔质量，44 g· mol － 1 ; φCO2为 CO2 体积分数． 以 LI--1 实验为例，实验温度为 22 ℃，某时刻装 置内 CO2 体积分数为 2% ，经计算该时刻 CO2 质量 浓度为 36. 353 g·m － 3 ． 综合空速及 CO2 质量浓度计 算值，可以得到不同空速条件下三种吸收剂 LI--1、 CA--1 和 NA--1 吸收 CO2 质量浓度随反应时间变化 曲线，如图 2 所示． 如图 2 所示，随着反应的进行，CO2 质量浓度从 36 g·m － 3 ( 体积分数 2% ) 左右逐渐降低至 0. 5 g· m － 3 ( 体积分数 0. 03% ) 附近; 不同的吸收剂和空速 条件需要的反应时间均不相同，但总体趋势一致． 实验结果表明三种吸收剂均有吸收 CO2 的作用． ( 1) 反应进行前期，CO2 质量浓度下降较快，但 是随着反应的进行，CO2 质量浓度逐渐降低，到了反 应的中后期 CO2 质量浓度下降的速度变慢，最后趋 于平缓． 因为在本实验 CO2 质量浓度范围内，反应 速率主要与反应温度、相对湿度和 CO2 质量浓度有 关，反应温度和相对湿度一定时，反应速率取决于 CO2 质量浓度的变化． 所以，反应前期 CO2 质量浓 度高，CO2 质量浓度下降速度快，反应中后期随着 CO2 质量浓度的降低，CO2 质量浓度下降速度逐渐 减慢． ( 2) 每种吸收剂在吸收 CO2 时均存在一个较优 空速值，在该空速条件下的反应时间最短． 原因在 于: 空速过大时，CO2 气体在反应塔内流速过大，造 成 CO2 与吸收剂的接触时间过短，反应还未进行完 全气体就已经流出反应塔，促使需要更多的循环次 数才能达到理想的净化效果，导致总反应时间的延 · 163 ·
·362 北京科技大学学报 第36卷 40 40 35毫 ■空速180000h-1 35 空速123600h 。空速110400h 30 空速69840h ▲空速60480h 空速38700h ,空速32400h 空速28440h 一拟合曲线 一拟合曲线 20 8 10 810 easww 00 LAA5KK0A 101520253035 40 10152025 30 35 反应时间/min 反应时间/min 40 (e) 3s1 空速126000h 空速72000h 30 A 空速40500h- 空速30600h 25 -拟合曲线 20 10 2 10 15 20 25 反应时间min 图2三种吸收剂下CO2质量浓度随反应时间变化曲线.(a)L-1:(b)CA-:(c)NA-1 Fig.2 Curves of CO2 mass concentration to reaction time for the three kinds of absorbents:(a)LI:(b)CA:(c)NA- 长；空速过小时，C0,气体在反应塔内流速过小，造 线进行数学分析.为此，作如下假设：(1)在反应过 成已反应完的较低浓度CO2气体不能及时流出反 程中反应器内温度、相对湿度保持一致，即反应速率 应塔，延误了塔外较高浓度CO2气体的流入，导致 只与C02质量浓度有关：(2)由于C02含量非常少， 总反应时间的延长 因此认为沿反应器轴向气体流量不发生变化：(3) (3)L-1的较优空速值在110400h-1附近， 反应器轴向压降及偏流忽略不计.在此条件下，该 CA一的较优空速值在38700h-附近，NA一的较优 反应体系的宏观反应速率计算公式可表述为 空速值在40500h~1附近.造成三种吸收剂较优空 速值差别较大的原因主要在于吸收剂的外部型态及 rm,=-×d= (3) dt 其本征物性参数的差异.首先，L一1装填同样床层 式中：To,为单位时间、单位体积内C02的反应量， 高度时堆积密度最大（表1），达到同样的表面流速 即反应速率，gm3·min1;V为反应系统体积，m3: 需要更大的驱动力；其次，该实验发生的反应本质上 mco,为系统C02质量，g;nco,为C02质量浓度，g· 是酸碱反应，这三种吸收剂的碱性I-1>NA-1> m~3;t为反应时间，min. CA-1,在都与C02发生反应且其他反应条件相同 首先对图2中C0,质量浓度曲线进行函数拟 时，该反应发生的难易程度与吸收剂的碱性成正比 合，再依据式(3)对质量浓度函数进行求导计算，得 所以吸收剂LI一H的较优空速值远大于吸收剂CAH 到不同反应时间对应的反应速率值.将山一1、CA一1 与NA1,而吸收剂NA一的较优空速值略大于吸收 和NA-1三种吸收剂的CO2质量浓度值与式(3)计 剂CA-1. 算出的反应速率值作图，得到在不同空速条件下 2.2反应速率变化规律 LI-1、CA-1和NA-1三种吸收剂的反应速率与CO2 2.2.1C02质量浓度对反应速率的影响 质量浓度变化曲线，如图3所示 图2中三种吸收剂的C02质量浓度变化规律 从图3可以看出：三种吸收剂吸收C02的反应 已经定性地揭示了CO,质量浓度与反应速率有一 速率随着CO2质量浓度的增大而增大，但随着C0, 定的相关性.为了进一步研究反应速率与C0,质量 质量浓度的增大，反应速率的增长率有逐渐减小的 浓度的定量关系，对图2中的CO2质量浓度变化曲 趋势；L-1、CA一1和NA-1三种吸收剂在较优空速
北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 2 三种吸收剂下 CO2 质量浓度随反应时间变化曲线． ( a) LI--1; ( b) CA--1; ( c) NA--1 Fig． 2 Curves of CO2 mass concentration to reaction time for the three kinds of absorbents: ( a) LI-1; ( b) CA-1; ( c) NA-1 长; 空速过小时，CO2 气体在反应塔内流速过小，造 成已反应完的较低浓度 CO2 气体不能及时流出反 应塔，延误了塔外较高浓度 CO2 气体的流入，导致 总反应时间的延长． ( 3) LI--1 的较优空速值在 110400 h － 1 附近， CA--1 的较优空速值在38700 h － 1附近，NA--1 的较优 空速值在 40500 h － 1 附近． 造成三种吸收剂较优空 速值差别较大的原因主要在于吸收剂的外部型态及 其本征物性参数的差异． 首先，LI--1 装填同样床层 高度时堆积密度最大( 表 1) ，达到同样的表面流速 需要更大的驱动力; 其次，该实验发生的反应本质上 是酸碱反应，这三种吸收剂的碱性 LI--1 ＞ NA--1 ＞ CA--1，在都与 CO2 发生反应且其他反应条件相同 时，该反应发生的难易程度与吸收剂的碱性成正比． 所以吸收剂 LI--1 的较优空速值远大于吸收剂 CA--1 与 NA--1，而吸收剂 NA--1 的较优空速值略大于吸收 剂 CA--1． 2. 2 反应速率变化规律 2. 2. 1 CO2 质量浓度对反应速率的影响 图 2 中三种吸收剂的 CO2 质量浓度变化规律 已经定性地揭示了 CO2 质量浓度与反应速率有一 定的相关性． 为了进一步研究反应速率与 CO2 质量 浓度的定量关系，对图 2 中的 CO2 质量浓度变化曲 线进行数学分析． 为此，作如下假设: ( 1) 在反应过 程中反应器内温度、相对湿度保持一致，即反应速率 只与 CO2 质量浓度有关; ( 2) 由于 CO2 含量非常少， 因此认为沿反应器轴向气体流量不发生变化; ( 3) 反应器轴向压降及偏流忽略不计． 在此条件下，该 反应体系的宏观反应速率计算公式［14］可表述为 rCO2 = － 1 VS × dmCO2 dt = － dnCO2 dt ． ( 3) 式中: rCO2为单位时间、单位体积内 CO2 的反应量， 即反应速率，g·m － 3·min － 1 ; VS为反应系统体积，m3 ; mCO2为系统 CO2 质量，g; nCO2 为 CO2 质量浓度，g· m － 3 ; t 为反应时间，min． 首先对图 2 中 CO2 质量浓度曲线进行函数拟 合，再依据式( 3) 对质量浓度函数进行求导计算，得 到不同反应时间对应的反应速率值． 将 LI--1、CA--1 和 NA--1 三种吸收剂的 CO2 质量浓度值与式( 3) 计 算出的反应速率值作图，得到在不同空速条件下 LI--1、CA--1 和 NA--1 三种吸收剂的反应速率与 CO2 质量浓度变化曲线，如图 3 所示． 从图 3 可以看出: 三种吸收剂吸收 CO2 的反应 速率随着 CO2 质量浓度的增大而增大，但随着 CO2 质量浓度的增大，反应速率的增长率有逐渐减小的 趋势; LI--1、CA--1 和 NA--1 三种吸收剂在较优空速 · 263 ·
第3期 刘应书等：密闭环境内固体吸收剂循环净化C02反应特性 ·363· 10 拟合曲线 5 一拟合曲线 8 7 6 4 4 wwwww 2 。空速180000h-4空速60480h- 空速123600h ▲空速38700hl ·空速110400h1 ,空速32400h1 1 ·空速69840h ，空速28440h 5 10152025303540 510152025303540 CO,质量浓度g·m C0,质量浓度八g·m力 12 拟合曲线 210 之 ■空速126000h ▲空速40500h' ·空速72000h1空速30600h 510152025303540 C0,质量浓度g·m 图3三种吸收剂CO,反应速率随C02质量浓度变化曲线.(a)-1:(b)CA-1:(c)NA- Fig.3 Curves of reaction rate to CO,concentration for the three kinds of absorbents:(a)LI:(b)CA:(c)NA- 值下的反应速率均明显高于其他三个空速值，这与 ku-*ncoz (7) 图2中的结论一致. d向 au+bu-'ncoz +cu*ncoz 2.2.2反应速率与C02质量浓度相关性分析 对于CA-1,速率方程为 根据吸收剂与C0,气体反应动力学的相关理 (rco,）cH=kg(nco）ca== 论：在同一反应器一定空速条件下，吸收剂与C02 kc-'nco2 反应的反应速率大小受到反应温度和相对湿度、反 (8) 应物的物理化学属性等因素共同影响.在C0,体积 ac+benw,tccnT 对于NA-1,速率方程为 分数小于12%的范围内，Shih等和Haghnegahdar (Tco,）NaH=kg(nco,）N= 等6一刀通过微分动力学实验定义并修正的C02反 kxA*n.coz 应速率值与C02质量浓度值相关性方程如下： (9) ro,=f(T,RH)g(no,）, (4) +bnam,+cn 依据式(7)~(9)，对图3中三种吸收剂在较优 g(nco,）= (5) 空速条件下的反应速率随CO,质量浓度变化曲线 a+bnco +cncoz 进行数值拟合分析，能够得到三种吸收剂在较优空 式中，f(T,RH)是与反应温度和相对湿度相关的函 速条件下反应速率随CO,质量浓度变化规律的数 数，g(nco,）是与C02质量浓度相关的函数，a、b、c 学描述. 和d均为常数.在本实验中，同一种吸收剂在反应 在反应温度为295K、相对湿度50%和空速 时反应温度和相对湿度均为一个不变的定值，故可 110400h-'条件下，LI-1的反应速率与C02质量浓 令式(4)中f(T,RH)=k=u=、kcA=和k-三个定 度关系式为 值.所以，三种吸收剂与C02反应速率方程可以转 2.2.nco2 化成如下形式： ram,）u=-0.167nn,+0.43n2-0.106 k'ncoz rco2=kg(nco,）= (6) (10) a+b*ncoz +c*ncoz 在反应温度为293K、相对湿度52%和空速 对于L-1,速率方程为 38700h-1条件下，CA-1的反应速率与C0,质量浓 (Tco,）u==k“g(nco2）u-= 度关系式为
第 3 期 刘应书等: 密闭环境内固体吸收剂循环净化 CO2 反应特性 图 3 三种吸收剂 CO2 反应速率随 CO2 质量浓度变化曲线． ( a) LI--1; ( b) CA--1; ( c) NA--1 Fig． 3 Curves of reaction rate to CO2 concentration for the three kinds of absorbents: ( a) LI-1; ( b) CA-1; ( c) NA-1 值下的反应速率均明显高于其他三个空速值，这与 图 2 中的结论一致． 2. 2. 2 反应速率与 CO2 质量浓度相关性分析 根据吸收剂与 CO2 气体反应动力学的相关理 论: 在同一反应器一定空速条件下，吸收剂与 CO2 反应的反应速率大小受到反应温度和相对湿度、反 应物的物理化学属性等因素共同影响． 在 CO2 体积 分数小于 12% 的范围内，Shih 等［15］和 Haghnegahdar 等［16--17］通过微分动力学实验定义并修正的 CO2 反 应速率值与 CO2 质量浓度值相关性方程如下: rCO2 = f( T，ＲH)·g( nCO2 ) ， ( 4) g( nCO2 ) = nCO2 a + bnCO2 + cnd CO2 ． ( 5) 式中，f( T，ＲH) 是与反应温度和相对湿度相关的函 数，g( nCO2 ) 是与 CO2 质量浓度相关的函数，a、b、c 和 d 均为常数． 在本实验中，同一种吸收剂在反应 时反应温度和相对湿度均为一个不变的定值，故可 令式( 4) 中 f( T，ＲH) = k = kLI--1、kCA--1和 kNA--1三个定 值． 所以，三种吸收剂与 CO2 反应速率方程可以转 化成如下形式: rCO2 = k·g( nCO2 ) = k·nCO2 a + b·nCO2 + c·nd CO2 . ( 6) 对于 LI--1，速率方程为 ( rCO2 ) LI--1 = k·g ( nCO2 ) LI--1 = kLI--1 ·nCO2 aLI--1 + bLI--1 ·nCO2 + cLI--1 ·n dLI--1 CO2 . ( 7) 对于 CA--1，速率方程为 ( rCO2 ) CA--1 = k·g ( nCO2 ) CA--1 = kCA--1 ·nCO2 aCA--1 + bCA--1 ·nCO2 + cCA--1 ·n dCA--1 CO2 . ( 8) 对于 NA--1，速率方程为 ( rCO2 ) NA--1 = k·g ( nCO2 ) NA--1 = kNA--1 ·nCO2 aNA--1 + bNA--1 ·nCO2 + cNA--1 ·n dNA--1 CO2 . ( 9) 依据式( 7) ～ ( 9) ，对图 3 中三种吸收剂在较优 空速条件下的反应速率随 CO2 质量浓度变化曲线 进行数值拟合分析，能够得到三种吸收剂在较优空 速条件下反应速率随 CO2 质量浓度变化规律的数 学描述． 在反应 温 度 为 295 K、相 对 湿 度 50% 和 空 速 110400 h － 1条件下，LI--1 的反应速率与 CO2 质量浓 度关系式为 ( rCO2 ) LI--1 = 2. 2·nCO2 0. 167·nCO2 + 0. 43·n0. 465 CO2 － 0. 106． ( 10) 在反应温度为 293 K、相对湿度 52% 和 空 速 38700 h － 1条件下，CA--1 的反应速率与 CO2 质量浓 度关系式为 · 363 ·
·364 北京科技大学学报 第36卷 2.13nco2 度、相对湿度等)和动力学(C0,质量浓度、接触面 m,）c-0.12mm+0.55n-0.07 积等)两方面因素的影响，当CO,质量浓度较低时， 11) 动力学(C02质量浓度、接触面积等)影响处于主导 在反应温度为296K、相对湿度47%和空速 地位，所以CO2质量浓度从零逐渐增大时，反应速 40500h-1条件下，NA-1的反应速率与C02质量浓 率迅速增大：随着CO,质量浓度的增大，动力学影 度关系式为 响逐渐降低，热力学影响逐渐占据主导地位，当CO, 2.48"nco2 质量浓度增大到一定值后(CA-一1实验中no,=106 (rco,)=0.02-0.075no,+0.46 088 gm-3),动力学影响逐渐可以忽略不计，反应速率 的大小完全由热力学因素决定 (12) 三个拟合函数相关系数R≥0.998，残差平方 (3)密闭环境中C0,净化的相关标准图规定： 和SSE≤0.005，反应速率拟合值与经典质量浓度曲 密闭环境中的C0,最高体积分数必须控制在1%以 线求导计算值平均误差均在1%以内.证明式(10)~ 下，C02净化速率不低于每人0.5Lmin.依据式 (12)能够很好地描述在一定反应条件下三种吸收 (3)和式(6)对三种吸收剂较优空速值下的吸收速 剂与C02反应的反应速率与C02质量浓度关系. 率进行计算，当（po2）H≥0.27%、（pco,）c≥ 2.2.3反应速率分析 0.45%及(pm,）N-≥0.24%时，LI-1、CA-1和NA- (1)分析三种吸收剂在较优空速条件下反应速 1三种吸收剂的CO,吸收速率能够达到标准的要 率随C0,质量浓度变化规律的数学表达式(10)~ 求.所以从反应速率角度来看：(1)LI一1、CA一1和 (12)可知：这三个函数均为单调增函数，C02质量 NA一1三种吸收剂较优空速值下的CO2吸收速率均 浓度越高，反应速率越大；这三个函数的导数均为单 能达到标准的要求，可以用于密闭环境中CO2的净 调减函数，说明随着反应浓度的增大，反应速率的增 化：(2)实际应用LI-1、CA-1和NA-1三种吸收剂 长率逐渐减小：在实验浓度范围内，代入任意相同的 进行密闭环境C02质量浓度控制时，环境中的CO, 浓度值进行计算，得到三种吸收剂的最大反应速率 体积分数理论上会在0.27%、0.45%和0.24%这三 TNA-H>ruH>TCAH· 个中间值附近波动.因为当C02体积分数低于中间 (2)相关微分反应器动力学实验证明，在反 值时，C02净化速率满足不了标准要求，环境C02 应温度60~90℃和相对湿度30%~70%条件下，当 体积分数逐渐上升：当环境C02体积分数升至高于 C02体积分数高于10%~12%时，Ca(0H),吸收 中间值后，C02净化速率大于标准要求，环境C02 C02的反应速率ro,=f(T,RH),与C02质量浓度 体积分数逐渐下降，理论上最终会稳定在中间值 无关.本实验同样以吸收剂为Ca(OH),为例，对式 附近 (8)求导，得到CA-1的导数方程式为 3结论 0.29n82-0.036 c4(0.12no,+0.55n80-0.017)2 (1)LI-1、CA-1和NA-1三种固体化学吸收剂 (13) 均有吸收CO2的作用，并且三种吸收剂在较优空速 式(13)的数学意义为反应速率随C02质量浓 值条件下的CO2吸收速率均能达到相关标准对净 度变化的变化率，当变化率小于0.01时，近似认为 化速率的要求，可以用于密闭环境中C02的净化 反应速率与CO,质量浓度变化无关.用matlab对式 (2)LI-1、CA-1和NA一1三种吸收剂在吸收 C02时均存在一个较优空速值，分别为110400、 (13)进行求解，当 dr co2 dncoz =0.01时，nco2=106 38700和40500h-1,在该空速值条件下将体积分数 CA- g°m-3.所以，依据本实验的反应速率方程进行数学 2%左右的C02吸收至0.03%左右所需反应时间最 分析后可以预测：在温度293K、相对湿度52%和空 短，反应速率最大 速38700h-条件下，当C02质量浓度高于106g· (3)在本实验的环境条件下，LI一1、CA一1和 m3(即体积分数5.8%)时，CA-1吸收C02的反应 NA一】三种吸收剂最大反应速率与CO,质量浓度的 速率ro,=f(T,RH),与反应温度和相对湿度有关， 关系式为 与C02质量浓度无关.本实验也出现相似规律的原 2.2ncoz 因在于：由式(4)可知反应速率主要受到热力学（温 m）uH-0.167mn+0.43na-0.106
北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 ( rCO2 ) CA--1 = 2. 13·nCO2 0. 12·nCO2 + 0. 55·n0. 752 CO2 － 0. 017． ( 11) 在反应温度为 296 K、相对湿度 47% 和 空 速 40500 h － 1条件下，NA--1 的反应速率与 CO2 质量浓 度关系式为 ( rCO2 ) NA--1 = 2. 48·nCO2 0. 02 － 0. 075·nCO2 + 0. 46·n0. 88 CO2 . ( 12) 三个拟合函数相关系数 Ｒ2 ≥0. 998，残差平方 和 SSE≤0. 005，反应速率拟合值与经典质量浓度曲 线求导计算值平均误差均在 1% 以内． 证明式( 10) ～ ( 12) 能够很好地描述在一定反应条件下三种吸收 剂与 CO2 反应的反应速率与 CO2 质量浓度关系． 2. 2. 3 反应速率分析 ( 1) 分析三种吸收剂在较优空速条件下反应速 率随 CO2 质量浓度变化规律的数学表达式( 10) ～ ( 12) 可知: 这三个函数均为单调增函数，CO2 质量 浓度越高，反应速率越大; 这三个函数的导数均为单 调减函数，说明随着反应浓度的增大，反应速率的增 长率逐渐减小; 在实验浓度范围内，代入任意相同的 浓度值进行计算，得到三种吸收剂的最大反应速率 rNA--1 ＞ rLI--1 ＞ rCA--1 ． ( 2) 相关微分反应器动力学实验［15］证明，在反 应温度 60 ～ 90 ℃和相对湿度 30% ～ 70% 条件下，当 CO2 体积分数高于 10% ～ 12% 时，Ca ( OH) 2 吸收 CO2 的反应速率 rCO2 = f( T，ＲH) ，与 CO2 质量浓度 无关． 本实验同样以吸收剂为 Ca( OH) 2 为例，对式 ( 8) 求导，得到 CA--1 ( 的导数方程式为 drCO2 dnCO ) 2 CA--1 = 0. 29·n0. 752 CO2 － 0. 036 ( 0. 12·nCO2 + 0. 55·n0. 752 CO2 － 0. 017) 2 ． ( 13) 式( 13) 的数学意义为反应速率随 CO2 质量浓 度变化的变化率，当变化率小于 0. 01 时，近似认为 反应速率与 CO2 质量浓度变化无关． 用 matlab 对式 ( 13) 进行求解，当 ( drCO2 dnCO ) 2 CA--1 = 0. 01 时，nCO2 = 106 g·m － 3 ． 所以，依据本实验的反应速率方程进行数学 分析后可以预测: 在温度 293 K、相对湿度 52% 和空 速 38700 h － 1 条件下，当 CO2 质量浓度高于 106 g· m － 3 ( 即体积分数 5. 8% ) 时，CA--1 吸收 CO2 的反应 速率 rCO2 = f( T，ＲH) ，与反应温度和相对湿度有关， 与 CO2 质量浓度无关． 本实验也出现相似规律的原 因在于: 由式( 4) 可知反应速率主要受到热力学( 温 度、相对湿度等) 和动力学( CO2 质量浓度、接触面 积等) 两方面因素的影响，当 CO2 质量浓度较低时， 动力学( CO2 质量浓度、接触面积等) 影响处于主导 地位，所以 CO2 质量浓度从零逐渐增大时，反应速 率迅速增大; 随着 CO2 质量浓度的增大，动力学影 响逐渐降低，热力学影响逐渐占据主导地位，当 CO2 质量浓度增大到一定值后( CA--1 实验中 nCO2 = 106 g·m － 3 ) ，动力学影响逐渐可以忽略不计，反应速率 的大小完全由热力学因素决定． ( 3) 密闭环境中 CO2 净化的相关标准［18］规定: 密闭环境中的 CO2 最高体积分数必须控制在 1% 以 下，CO2 净化速率不低于每人 0. 5 L·min － 1 ． 依据式 ( 3) 和式( 6) 对三种吸收剂较优空速值下的吸收速 率进 行 计 算，当 ( φCO2 ) LI--1 ≥0. 27% 、( φCO2 ) CA--1 ≥ 0. 45% 及( φCO2 ) NA--1≥0. 24% 时，LI--1、CA--1 和 NA-- 1 三种吸收剂的 CO2 吸收速率能够达到标准的要 求． 所以从反应速率角度来看: ( 1) LI--1、CA--1 和 NA--1 三种吸收剂较优空速值下的 CO2 吸收速率均 能达到标准的要求，可以用于密闭环境中 CO2 的净 化; ( 2) 实际应用 LI--1、CA--1 和 NA--1 三种吸收剂 进行密闭环境 CO2 质量浓度控制时，环境中的 CO2 体积分数理论上会在 0. 27% 、0. 45% 和 0. 24% 这三 个中间值附近波动． 因为当 CO2 体积分数低于中间 值时，CO2 净化速率满足不了标准要求，环境 CO2 体积分数逐渐上升; 当环境 CO2 体积分数升至高于 中间值后，CO2 净化速率大于标准要求，环境 CO2 体积分数逐渐下降，理论上最终会稳定在中间值 附近． 3 结论 ( 1) LI--1、CA--1 和 NA--1 三种固体化学吸收剂 均有吸收 CO2 的作用，并且三种吸收剂在较优空速 值条件下的 CO2 吸收速率均能达到相关标准对净 化速率的要求，可以用于密闭环境中 CO2 的净化． ( 2) LI--1、CA--1 和 NA--1 三种吸收剂在吸收 CO2 时均存在一个较优空速值，分 别 为 110400、 38700 和 40500 h － 1，在该空速值条件下将体积分数 2% 左右的 CO2 吸收至 0. 03% 左右所需反应时间最 短，反应速率最大． ( 3) 在本实验的环境条件下，LI--1、CA--1 和 NA--1 三种吸收剂最大反应速率与 CO2 质量浓度的 关系式为 ( rCO2 ) LI--1 = 2. 2nCO2 0. 167nCO2 + 0. 43n0. 465 CO2 － 0. 106， · 463 ·
第3期 刘应书等：密闭环境内固体吸收剂循环净化C02反应特性 ·365· 2.13nc02 救生专业分会第五届学术年会论文集.北京，1998：201) （m,）c=-0.12nm.+0.55nr-0.07 [8]Jiang L,Zhao J H.Research on absorption methods of carbon di- 2.48nco2 oxide applied in human occupied vehicle.Shipbuild China,2010, （rcm）-0.02-0.075nn+0.46n0' 51(3):169 (姜磊，赵俊海.载人深潜器二氧化碳清除方式研究.中国造 且最大反应速率rA>IH>TcA· 船，2010,51(3)：169) (4)实际应用LI-1、CA-1和NA1三种吸收剂 [9] Zhu W Y,Gong Z G,Zhang Z M,et al.The technologies of syn- 进行密闭环境C02质量浓度控制时，环境中的C02 thetical decontaminating harmful gases in submarine.Ship Sci Technol,.2008,30(6):179 体积分数理论上会在0.27%、0.45%和0.24%这三 (祝维燕，宫志刚，张志梅，等.潜艇有害气体综合净化技术 个中间值附近波动. 舰船科学技术，2008,30(6)：179) [10]Bamsey M,Graham T,Stasiak M,et al.Canadian advanced life 参考文献 support capacities and future directions.Adr Space Res,2009, 44(2):151 [1]She Y Z,Jiang Y L,Li J,et al.Experimental study on CO dispo- [11]Li J,Jin LZ,Wang S.Research on the device of carbon dioxide sition methods in an enclosed chamber.J China Coal Soc,2011, purification in coal mine refuge chamber.Saf Coal Mines,2010 36(9):1519 (10):1 (佘阳梓，蒋彦龙，李俊，等.密闭小空间内C0净化方法探 (栗婧，金龙哲，汪声.矿用救生舱中二氧化碳净化装置研 究.煤炭学报，2011,36(9)：1519) 究.煤矿安全，2010(10)：1) Wang PX.Space Enrironmental Control and Life Support Engi- [12]Du Y,Jin L Z,Wang S,et al.Study on purification characteris- neering.Beijing:National Defense Industry Press,2003 tic of carbon dioxide in mine refuge chamber.J Saf Sci Technol, (王普秀.航天环境控制与生命保障工程基础.北京：国防工 2012,8(7):20 业出版社，2003) (杜焱，金龙哲，汪声，等.矿用救生舱内二氧化碳净化特性 B]Chen G N.Carbon dioxide control in closed environment//Pro- 研究.中国安全生产科学技术，2012,8(7)：20) ceedings of the Second Session of National of Man-Machine-Enri- [13]State Administration of Work Safety.MT454-2008 The Calcium ronment System Engineering Academic Conference.Beijing,1995: Hydroxide Specification for the Isolation Type Oxygen Respirator 152 and Self-rescuer.Beijing:Coal Industry Press,2009 (陈根年.密闭环境中二氧化碳的控制/第二届全国人一机一 (国家安全生产监督管理总局.MT454一2008隔绝式氧气呼 环境系统工程学术会议论文集.北京，1995：152) 吸器和自救器用氢氧化钙技术条件.北京：煤炭工业出版 4]Cao L B,Xu L,Li J.Purification method for CO,in mine rescue 社，2009) capsule and experimental study.Coal Min Saf Enriron Prot, [14]Zhu B C.Chemical Reaction Engineering.5th Ed.Beijing: 2012,39(2):16 Chemical Industry Press,2012 (曹利波，徐雷，李俊.矿用救生舱C02净化方法与试验研 (朱炳辰.化学反应工程.5版.北京：化学工业出版社， 究.矿业安全与环保，2012,39(2)：16) 2012) 5]Stutte G W,Wheeler R M.Accumulation and effect of volatile or- [15]Shih M S,Ho C S,Song Y S,et al.Kinetics of the reaction of ganic compounds in closed life support systems.Ade Space Res, Ca(OH)2 with CO2 at low temperature.Ind Eng Chem Res, 1997,20(10):1913 1999,38(4):1316 [6]He Z J,Yu F,He XX,et al.Gas chromatography/mass spectro- 016]Haghnegahdar M R,Rahimi A,Hatamipour M S.A rate equa- metric analysis for volatile organic compound of human metabolites tion for Ca(OH)2 and CO2 reaction in a spouted bed reactor at in sealed cabin.Chin J Anal Chem,2011,29(8):978 low gas concentrations.Chem Eng Res Des,2011,89(6):616 (何正杰，于芳，何新星，等.密闭环境中人体自身代谢挥发 17] Haghnegahdar M R,Hatamipour M S,Rahimi A.Removal of 性有机化合物气相色谱/质谱分析.分析化学，2011,29(8)： carbon dioxide in an experimental powder-particle spouted bed re- 978) actor.Sep Purif Technol,2010,72(3):288 ]Xu C L.Qi Z N,Chang S Y,et al.Experimental observation of 18] Specifications for Coal Mine Mobile Refuge Chambers [EB/OL]. the confined cabin body energy metabolism and harmful gas effu- State Administration of Work Safety [20119-3].http://www. ent/Proceedings of the Fifih Annual Conference Proceedings of chinasafety.gov.en/newpage/Contents/Channel_6292/2011/ the Chinese Society of Aeronautics and Astronautics Human Engi- 0914/148432/fle5_founder_2860120146/201964623.doc neering,Ariation Medicine,Life-saving Professional Chapters.Bei- (煤矿可移动式硬体救生舱通用技术条件EB/0L].国家安 jing,1998:201 全生产监督管理总局[20119-3].http:/hwww.chinasafety.. (徐国林，祁章年，常绍勇，等.密闭舱内人体能量代谢及有 gov.cn/newpage/Contents/Channel_6292/2011/0914/148432/ 害气体排出物的实验观察/中国航空学会人体工程、航医、 fles_founder_2860120146/201964623.doc)
第 3 期 刘应书等: 密闭环境内固体吸收剂循环净化 CO2 反应特性 ( rCO2 ) CA--1 = 2. 13nCO2 0. 12nCO2 + 0. 55n0. 752 CO2 － 0. 017， ( rCO2 ) NA--1 = 2. 48nCO2 0. 02 － 0. 075nCO2 + 0. 46n0. 88 CO2 ， 且最大反应速率 rNA--1 ＞ rLI--1 ＞ rCA--1 ． ( 4) 实际应用 LI--1、CA--1 和 NA--1 三种吸收剂 进行密闭环境 CO2 质量浓度控制时，环境中的 CO2 体积分数理论上会在 0. 27% 、0. 45% 和 0. 24% 这三 个中间值附近波动． 参 考 文 献 ［1］ She Y Z，Jiang Y L，Li J，et al． Experimental study on CO disposition methods in an enclosed chamber． J China Coal Soc，2011， 36( 9) : 1519 ( 佘阳梓，蒋彦龙，李俊，等． 密闭小空间内 CO 净化方法探 究． 煤炭学报，2011，36( 9) : 1519) ［2］ Wang P X． Space Environmental Control and Life Support Engineering． Beijing: National Defense Industry Press，2003 ( 王普秀． 航天环境控制与生命保障工程基础． 北京: 国防工 业出版社，2003) ［3］ Chen G N． Carbon dioxide control in closed environment / / Proceedings of the Second Session of National of Man-Machine-Environment System Engineering Academic Conference． Beijing，1995: 152 ( 陈根年． 密闭环境中二氧化碳的控制 / / 第二届全国人--机-- 环境系统工程学术会议论文集． 北京，1995: 152) ［4］ Cao L B，Xu L，Li J． Purification method for CO2 in mine rescue capsule and experimental study． Coal Min Saf Environ Prot， 2012，39( 2) : 16 ( 曹利波，徐雷，李俊． 矿用救生舱 CO2 净化方法与试验研 究． 矿业安全与环保，2012，39( 2) : 16) ［5］ Stutte G W，Wheeler Ｒ M． Accumulation and effect of volatile organic compounds in closed life support systems． Adv Space Ｒes， 1997，20( 10) : 1913 ［6］ He Z J，Yu F，He X X，et al． Gas chromatography /mass spectrometric analysis for volatile organic compound of human metabolites in sealed cabin． Chin J Anal Chem，2011，29( 8) : 978 ( 何正杰，于芳，何新星，等． 密闭环境中人体自身代谢挥发 性有机化合物气相色谱/质谱分析． 分析化学，2011，29( 8) : 978) ［7］ Xu G L，Qi Z N，Chang S Y，et al． Experimental observation of the confined cabin body energy metabolism and harmful gas effluent / / Proceedings of the Fifth Annual Conference Proceedings of the Chinese Society of Aeronautics and Astronautics Human Engineering，Aviation Medicine，Life-saving Professional Chapters． Beijing，1998: 201 ( 徐国林，祁章年，常绍勇，等． 密闭舱内人体能量代谢及有 害气体排出物的实验观察 / / 中国航空学会人体工程、航医、 救生专业分会第五届学术年会论文集． 北京，1998: 201) ［8］ Jiang L，Zhao J H． Ｒesearch on absorption methods of carbon dioxide applied in human occupied vehicle． Shipbuild China，2010， 51( 3) : 169 ( 姜磊，赵俊海． 载人深潜器二氧化碳清除方式研究． 中国造 船，2010，51( 3) : 169) ［9］ Zhu W Y，Gong Z G，Zhang Z M，et al． The technologies of synthetical decontaminating harmful gases in submarine． Ship Sci Technol，2008，30( 6) : 179 ( 祝维燕，宫志刚，张志梅，等． 潜艇有害气体综合净化技术． 舰船科学技术，2008，30( 6) : 179) ［10］ Bamsey M，Graham T，Stasiak M，et al． Canadian advanced life support capacities and future directions． Adv Space Ｒes，2009， 44( 2) : 151 ［11］ Li J，Jin L Z，Wang S． Ｒesearch on the device of carbon dioxide purification in coal mine refuge chamber． Saf Coal Mines，2010 ( 10) : 1 ( 栗婧，金龙哲，汪声． 矿用救生舱中二氧化碳净化装置研 究． 煤矿安全，2010( 10) : 1) ［12］ Du Y，Jin L Z，Wang S，et al． Study on purification characteristic of carbon dioxide in mine refuge chamber． J Saf Sci Technol， 2012，8( 7) : 20 ( 杜焱，金龙哲，汪声，等． 矿用救生舱内二氧化碳净化特性 研究． 中国安全生产科学技术，2012，8( 7) : 20) ［13］ State Administration of Work Safety． MT454—2008 The Calcium Hydroxide Specification for the Isolation Type Oxygen Ｒespirator and Self-rescuer． Beijing: Coal Industry Press，2009 ( 国家安全生产监督管理总局． MT454—2008 隔绝式氧气呼 吸器和自救器用氢氧化钙技术条件． 北京: 煤炭工业出版 社，2009) ［14］ Zhu B C． Chemical Ｒeaction Engineering． 5th Ed． Beijing: Chemical Industry Press，2012 ( 朱炳辰． 化 学 反 应 工 程． 5 版． 北 京: 化 学 工 业 出 版 社， 2012) ［15］ Shih M S，Ho C S，Song Y S，et al． Kinetics of the reaction of Ca( OH) 2 with CO2 at low temperature． Ind Eng Chem Ｒes， 1999，38( 4) : 1316 ［16］ Haghnegahdar M Ｒ，Ｒahimi A，Hatamipour M S． A rate equation for Ca( OH) 2 and CO2 reaction in a spouted bed reactor at low gas concentrations． Chem Eng Ｒes Des，2011，89( 6) : 616 ［17］ Haghnegahdar M Ｒ，Hatamipour M S，Ｒahimi A． Ｒemoval of carbon dioxide in an experimental powder-particle spouted bed reactor． Sep Purif Technol，2010，72( 3) : 288 ［18］ Specifications for Coal Mine Mobile Ｒefuge Chambers ［EB /OL］． State Administration of Work Safety［2011-9-13］． http: / /www． chinasafety． gov． cn / newpage /Contents/Channel _ 6292 /2011 / 0914 /148432 /files_founder_2860120146 /201964623． doc ( 煤矿可移动式硬体救生舱通用技术条件［EB /OL］． 国家安 全生产监督管理总局［2011--9--13］． http: / /www． chinasafety． gov． cn / newpage /Contents/Channel _ 6292 /2011 /0914 /148432 / files_founder_2860120146 /201964623． doc) · 563 ·
