第8期 魏广飞等：沼气提纯过程中二乙醇胺溶液吸收二氧化碳的影响因素 ·1103· 1.2实验原理 乱堆填料塔中进行，沿塔高方向在不同取样口测量 1.2.1气相总体积传质系数Kca。 气相中C02体积分数，并以C02体积分数对塔高作 在稳态传质过程中，溶质在气相中的传质速率 图.由于此时C02体积分数沿塔高方向已不再具有 等于在液相中的传质速率，即 线性相关性，为对不同操作参数的传质性能进行定 NA=kcP(ya-yA）, (1) 性分析，本文通过求取不同塔高下的dya/dz,然后 NA=Ek(c-cA）. (2) 求取各塔高下斜率的平均值，再将该平均斜率代入 因相界面处气体及液体的组成y:与c:难以测 式(7)计算出该操作参数下的气相总体积传质系数 量.对于传质速率，一般使用推动力来表达气相浓 Kcae. 度与液相达平衡时的气相浓度的差值对应的总传质 1.2.2转化率 系数.以气相分压差表示推动力的气相总传质系数 C02转化率)为填料塔中被吸收的C02量与 K。,对应的总传质速率方程表示如下： 原料气中C02的量的比值，表征的是醇胺溶液吸收 NA=Kcp(ya-y). (3) CO2反应进行的程度，其计算式如下： 根据双膜理论，气相总传质系数与气液相分传 ,(8) 质系数的关系可表达为 刀s'AinCin-VAouCout=1-ot·· VAincin 11H 1.3正交试验方案设计 衣=+E9 (4) 影响DEA吸收CO2传质性能的影响因素较多， 各传质系数的倒数即为相应的传质阻力. 笔者结合现有实验条件以及前人己做研究，主要研 微分法1-冈是测量填料塔总体积传质系数方 究进液流量、进气流量、C02体积分数、进液温度等 便有效的手段.在逆流连续接触的填料塔中，任意 因素及其交互作用对实验指标的影响，各因素代号 横截面上取d山z高度有 及其水平列于表2.转化率)和气相总体积传质系 No.dz-Gnd(1- 数Kea。为沼气提纯工业生产中的重要参数，故本实 (5) 验采用)和Ka。作为实验考察指标.实验采用 将式(3)代入式(5)可得 L,(3)正交表，充分考虑各因子之间的交互作 Kop(y)a.d=1) (6) 用，其表头设计如表3所示 表2正交试验因素水平表 DEA吸收CO,属于快速反应.在气液相接触 Table 2 Experimental parameters and levers for orthogonal test 的反应过程中，液流主体反应已进行完毕圆，可认 水平 为与液相主体C0,相平衡的气相C02分压趋于零， 实验因素 1 2 3 即y≈0.则对式(6)进行一定处理，得出适用于高 A,进液温度/℃ 20 40 60 C02体积分数的气相总体积传质系数为 B,进口C02体积分数/% 15 25 35 GB Kca.= dya ya(1-ya)2d正 (7) C,进液流率/(m3·m2h1) 4.0 6.0 8.0 D,进气流率/(kmol*m2.h1) 6.8 10.213.6 本文中，醇胺水溶液吸收高C0,体积分数在一 表3L(33)正交试验表表头设计 Table 3 Table head of L(313) 列号1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 (A×B), (A×C) (A×D), 因素 A B (A×B),C (A×C)2 (AxD),(B×C),(BxD),(C×D), (CxD) (BxD) (B×C): 常用的分析方法.根据极差的大小来判断因子对指 2 实验结果与分析 标的影响大小，将每个因子的不同水平平均值与因 2.1实验结果 子的水平的关系制成表或图，可以判断出实验结果 L7(3)正交设计的实验结果如表4所示. 随因子变化而变化的关系.L,(3)正交试验的直 2.2实验结果直观分析 观分析结果如表5所示. 直观分析是正交试验设计结果分析中直观的且 由表5可知，影响因素及其交互作用对DEA溶第 8 期 魏广飞等: 沼气提纯过程中二乙醇胺溶液吸收二氧化碳的影响因素 1. 2 实验原理 1. 2. 1 气相总体积传质系数 KGae 在稳态传质过程中，溶质在气相中的传质速率 等于在液相中的传质速率［10］，即 NA = kGp( yA － yAi ) ， ( 1) NA = Ek0 L ( cAi － cA) ． ( 2) 因相界面处气体及液体的组成 yAi与 cAi难以测 量． 对于传质速率，一般使用推动力来表达气相浓 度与液相达平衡时的气相浓度的差值对应的总传质 系数． 以气相分压差表示推动力的气相总传质系数 KG，对应的总传质速率方程表示如下: NA = KGp( yA － y* A ) ． ( 3) 根据双膜理论，气相总传质系数与气液相分传 质系数的关系可表达为 1 KG = 1 kG + H Ek0 L ． ( 4) 各传质系数的倒数即为相应的传质阻力． 微分法［11 － 12］是测量填料塔总体积传质系数方 便有效的手段． 在逆流连续接触的填料塔中，任意 横截面上取 dz 高度有 NAaedz = GB d ( yA 1 － y ) A ． ( 5) 将式( 3) 代入式( 5) 可得 KGp( yA － y* A ) aedz = GB ( 1 － yA) 2 dyA． ( 6) DEA 吸收 CO2 属于快速反应． 在气液相接触 的反应过程中，液流主体反应已进行完毕［13］，可认 为与液相主体 CO2 相平衡的气相 CO2 分压趋于零， 即 y* A ≈0． 则对式( 6) 进行一定处理，得出适用于高 CO2 体积分数的气相总体积传质系数为 KGae = GB pyA ( 1 － yA) 2 dyA dz ． ( 7) 本文中，醇胺水溶液吸收高 CO2 体积分数在一 乱堆填料塔中进行，沿塔高方向在不同取样口测量 气相中 CO2 体积分数，并以 CO2 体积分数对塔高作 图． 由于此时 CO2 体积分数沿塔高方向已不再具有 线性相关性，为对不同操作参数的传质性能进行定 性分析，本文通过求取不同塔高下的 dyA / dz，然后 求取各塔高下斜率的平均值，再将该平均斜率代入 式( 7) 计算出该操作参数下的气相总体积传质系数 KGae ． 1. 2. 2 转化率 CO2 转化率 η 为填料塔中被吸收的 CO2 量与 原料气中 CO2 的量的比值，表征的是醇胺溶液吸收 CO2 反应进行的程度，其计算式如下: η = VAin cin － VAoutcout VAin cin = 1 － cout 1 － cout · 1 － cin cin ． ( 8) 1. 3 正交试验方案设计 影响 DEA 吸收 CO2 传质性能的影响因素较多， 笔者结合现有实验条件以及前人已做研究，主要研 究进液流量、进气流量、CO2 体积分数、进液温度等 因素及其交互作用对实验指标的影响，各因素代号 及其水平列于表 2． 转化率 η 和气相总体积传质系 数 KGae 为沼气提纯工业生产中的重要参数，故本实 验采用 η 和 KGae 作为实验考察指标． 实验采用 L27 ( 313 ) 正交表［14］，充分考虑各因子之间的交互作 用，其表头设计如表 3 所示． 表 2 正交试验因素水平表 Table 2 Experimental parameters and levers for orthogonal test 实验因素 水平 1 2 3 A，进液温度/℃ 20 40 60 B，进口 CO2 体积分数/% 15 25 35 C，进液流率/( m3 ·m － 2·h － 1 ) 4. 0 6. 0 8. 0 D，进气流率/( kmol·m － 2·h － 1 ) 6. 8 10. 2 13. 6 表 3 L27 ( 313 ) 正交试验表表头设计 Table 3 Table head of L27 ( 313 ) 列号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 因素 A B ( A × B) 1 ( C × D) 1 ( A × B) 2 C ( A × C) 1 ( B × D) 1 ( A × C) 2 ( A × D) 1 ( B × C) 1 D ( A × D) 2 ( B × C) 2 ( B × D) 2 ( C × D) 2 2 实验结果与分析 2. 1 实验结果 L27 ( 313 ) 正交设计的实验结果如表 4 所示． 2. 2 实验结果直观分析 直观分析是正交试验设计结果分析中直观的且 常用的分析方法． 根据极差的大小来判断因子对指 标的影响大小，将每个因子的不同水平平均值与因 子的水平的关系制成表或图，可以判断出实验结果 随因子变化而变化的关系． L27 ( 313 ) 正交试验的直 观分析结果如表 5 所示． 由表 5 可知，影响因素及其交互作用对 DEA 溶 · 3011 ·