·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 ·