·1102 北京科技大学学报 第36卷 母 亨利系数，m3 kPa*kmol-: 吸收CO,的影响因素及其交互作用进行分析，为沼 Ke 气相总传质系数，kmol*m2 s-.kPa": 气提纯工艺的开发和应用提供技术参考. 无化学反应时液相传质系数，ms: 1实验方法 气相传质系数，kmol*m2 s-1.kPa: 填料塔C02吸收速率，kmol·m2sl 1.1实验原料及设备 NA 气液相间传质速率，kmam2g: 实验装置流程图如图1所示，主体设备为填料 气相总压力，kPa: 塔，填料为0环填料（规格为3mm×3mm).气源 V 填料塔气体流量，Lh: 由C02和N2按一定比例配制而成，充入储气袋，由 yA'yA 溶质在气相主体和相界面处摩尔比： 压缩机经过流量计控制流量进入填料塔底：实验所 与ca相平衡时的气相溶质摩尔比： 用DEA试剂级别为分析纯，将其配制成一定浓度由 填料塔高度，m 磁力泵通过液体流量计流入塔顶，与气体逆流接触. 在填料塔的塔体设置有六个取样口，实验过程 下角标 中用在线红外线气体分析仪测量填料塔出口气体中 A C02: C02的体积分数，待填料塔出口气体浓度己不再变 in 填料塔进口： 化，认为此时填料塔中气液反应已达稳定状态，继而 out 填料塔出口. 依次测量不同取样口处的气相C02体积分数.本实 验中所使用的在线红外线气体分析仪型号为QGS一 沼气作为一种可再生的生物质能源，可直接用 O8E:贫富液中C02负载量采用酸解法测量⑨；贫液 作燃料，或经重整后生产合成气.沼气中C02体积 罐外部安装有温控装置：实验中所用气体浮子流量 分数约为30%~40%，沼气经净化提纯后成为一种 计示数均转化为通常状态(20℃，1.013×10Pa)下 生物燃气，具有清洁、高效、安全和可再生四大特征， 流量，然后根据气体状态方程转换为摩尔流量 其高效制备与综合利用是极具代表性的双向清洁过 程，沼气作为一种新型能源在中国具有广阔的应用 前景·-习.脱除C0,的方法主要有化学吸收法、吸 附法、膜分离法、深冷分离法同等.其中，有机醇胺 溶液吸收C0,具有规模适当、产品气纯度高、耗能 14 低等优点 醇胺溶液吸收C02传质过程较为复杂，影响因 10 ■12 素较多，且因素间交互作用影响也较为显著.目前， Aroonwilas和Shen等B-a用微分法在填料塔中测出 ① 了NaOH(氢氧化钠)、MEA(乙醇胺)等水溶液吸 收CO2的体积总传质系数：但此类研究基本都是针 对低C02体积分数(1%~10%)的化学吸收过 程D-,对于高体积分数(30%~40%)C0的化学 1C02和N2气瓶：2一储气袋：3一压缩机：4一气体浮子流量计： 吸收过程较为少见，且其研究对象都是单独因素对 5一精密压力表：6一富液罐：7一磁力泵：8一贫液罐：9一温控仪 化学吸收过程的影响，对于因素间交互作用研究 表：10一液体浮子流量计：11一压差计：12一笔试温度计：13一填 较少. 料塔：14一除水装置：15一C02分析仪 针对醇胺溶液吸收CO,的影响因素较多且各 图1实验装置示意图 因素间存在相互作用现象.本文采用具有交互作用 Fig.1 Schematic diagram of the experimental facility 的正交试验设计，对填料塔中二乙醇胺(DEA)溶液 本实验所使用的填料塔参数以及实验条件见表1. 表1填料塔参数和实验条件 Table 1 Parameters of the column and conditions used in this work 塔高/ 塔内径/进液温度/ 进气流量/ 进液流量/ 进气C02 操作压力/ DEA质量 每摩尔DEA的 mm ℃ (kmol.m-2.h-1)(m3.m-2.h-1) 体积分数/% kPa 分数/% C02负载/mdl 0.65 40 20-60 6.8-13.6 4.0-8.0 15~35 101.3 10 0北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 H 亨利系数，m3 ·kPa·kmol － 1 ; KG 气相总传质系数，kmol·m － 2·s － 1·kPa － 1 ; k 0 L 无化学反应时液相传质系数，m·s － 1 ; kG 气相传质系数，kmol·m － 2·s － 1·kPa － 1 ; N 填料塔 CO2 吸收速率，kmol·m － 2·s － 1 NA 气液相间传质速率，kmol·m － 2·s － 1 ; p 气相总压力，kPa; VA 填料塔气体流量，L·h － 1 ; yA，yAi 溶质在气相主体和相界面处摩尔比; y* A 与 cA相平衡时的气相溶质摩尔比; z 填料塔高度，m． 下角标 A CO2 ; in 填料塔进口; out 填料塔出口． 沼气作为一种可再生的生物质能源，可直接用 作燃料，或经重整后生产合成气． 沼气中 CO2 体积 分数约为 30% ～ 40% ，沼气经净化提纯后成为一种 生物燃气，具有清洁、高效、安全和可再生四大特征， 其高效制备与综合利用是极具代表性的双向清洁过 程，沼气作为一种新型能源在中国具有广阔的应用 前景［1 － 2］． 脱除 CO2 的方法主要有化学吸收法、吸 附法、膜分离法、深冷分离法［3］等． 其中，有机醇胺 溶液吸收 CO2 具有规模适当、产品气纯度高、耗能 低等优点． 醇胺溶液吸收 CO2 传质过程较为复杂，影响因 素较多，且因素间交互作用影响也较为显著． 目前， Aroonwilas 和 Shen 等［4 － 6］用微分法在填料塔中测出 了 NaOH ( 氢氧化钠) 、MEA ( 乙醇胺) 等水溶液吸 收 CO2 的体积总传质系数; 但此类研究基本都是针 对低 CO2 体积 分 数 ( 1% ～ 10% ) 的 化 学 吸 收 过 程［7 － 8］，对于高体积分数( 30% ～ 40% ) CO2 的化学 吸收过程较为少见，且其研究对象都是单独因素对 化学吸收过程的影响，对于因素间交互作用研究 较少． 针对醇胺溶液吸收 CO2 的影响因素较多且各 因素间存在相互作用现象． 本文采用具有交互作用 的正交试验设计，对填料塔中二乙醇胺( DEA) 溶液 吸收 CO2 的影响因素及其交互作用进行分析，为沼 气提纯工艺的开发和应用提供技术参考． 1 实验方法 1. 1 实验原料及设备 实验装置流程图如图 1 所示，主体设备为填料 塔，填料为 θ 环填料( 规格为 3 mm × 3 mm) ． 气源 由 CO2 和 N2 按一定比例配制而成，充入储气袋，由 压缩机经过流量计控制流量进入填料塔底; 实验所 用 DEA 试剂级别为分析纯，将其配制成一定浓度由 磁力泵通过液体流量计流入塔顶，与气体逆流接触． 在填料塔的塔体设置有六个取样口，实验过程 中用在线红外线气体分析仪测量填料塔出口气体中 CO2 的体积分数，待填料塔出口气体浓度已不再变 化，认为此时填料塔中气液反应已达稳定状态，继而 依次测量不同取样口处的气相 CO2 体积分数． 本实 验中所使用的在线红外线气体分析仪型号为 QGS-- 08E; 贫富液中 CO2 负载量采用酸解法测量［9］; 贫液 罐外部安装有温控装置; 实验中所用气体浮子流量 计示数均转化为通常状态( 20 ℃，1. 013 × 105 Pa) 下 流量，然后根据气体状态方程转换为摩尔流量． 1—CO2 和 N2 气瓶; 2—储气袋; 3—压缩机; 4—气体浮子流量计; 5—精密压力表; 6—富液罐; 7—磁力泵; 8—贫液罐; 9—温控仪 表; 10—液体浮子流量计; 11—压差计; 12—笔试温度计; 13—填 料塔; 14—除水装置; 15—CO2 分析仪 图 1 实验装置示意图 Fig． 1 Schematic diagram of the experimental facility 本实验所使用的填料塔参数以及实验条件见表1． 表 1 填料塔参数和实验条件 Table 1 Parameters of the column and conditions used in this work 塔高/ m 塔内径/ mm 进液温度/ ℃ 进气流量/ ( kmol·m － 2·h － 1 ) 进液流量/ ( m3 ·m － 2·h － 1 ) 进气 CO2 体积分数/% 操作压力/ kPa DEA 质量 分数/% 每摩尔 DEA 的 CO2 负载/mol 0. 65 40 20 ～ 60 6. 8 ～ 13. 6 4. 0 ～ 8. 0 15 ～ 35 101. 3 10 0 · 2011 ·