纳米陶瓷膜对再生气的水热回收特性研究

发布时间：2022-01-02 16:18

　　针对在化学吸收法脱碳工艺中再生过程能耗较大,在富液分级流工艺的基础上,采用纳米级陶瓷膜作为分流的富液和再生气间的新型换热器,利用多孔陶瓷膜能够进行热质耦合传递的特性,有效回收再生气中的部分水蒸气及其所携带的热量,达到降低系统再生能耗的目的。以热回收通量和水回收率为指标,研究了再生气温度、流速、水蒸气摩尔分数以及分流的MEA富液温度、流速、MEA浓度等参数对不同孔径和长度的陶瓷膜水热回收效果的影响。结果表明,陶瓷膜的水热回收性能随MEA富液流量的增加而增加,但随富液温度的升高而大幅下降。同时,随着再生气流速和再生气中水蒸气摩尔分数的增大,热回收通量均会增大。10 nm陶瓷膜的热回收性能优于20 nm陶瓷膜。 

【文章来源】：能源工程. 2020,(06)

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

陶瓷膜管截面SEM图像

基于陶瓷膜换热器的再生气水热回收系统主要包括陶瓷膜换热腔室、蒸汽发生器系统、气体预热系统以及液相输送系统,其流程图如图2所示。实验中,模拟再生气为H2O(g)与CO2的混合气,根据H2O/CO2的摩尔比控制纯水与CO2的入口流量。入口纯水的流量由蠕动泵精确控制,进入蒸汽发生器内产生水蒸气,钢瓶CO2由质量流量计控制流量,进入系统内与产生的水蒸气充分混合均匀,经加热后形成一定温度的模拟再生气,然后自上而下进入竖直固定的陶瓷膜换热器管程中。与此同时,MEA富液在水浴锅中被加热至所需温度后由蠕动泵(BT600M/YZ1515x)自下而上送入到换热器壳程,与再生气形成逆向流动,气液相在膜换热器中进行热质传递,模拟回收再生气中水热的过程。气相水蒸气分压大于液相,在分压差的作用下再生气中的水蒸气和冷凝水会透过膜孔传递至富液侧。实验选用的陶瓷膜孔径为10 nm和20 nm。过程中,水蒸气迅速在膜孔内发生毛细冷凝[20],气侧冷凝水在毛细力的作用下源源不断被吸入膜孔进入富液侧。热交换后的富液离开膜换热器被收集至溶液罐内,再生气则从陶瓷膜换热器末端排出。实验中,保持液相侧压力为大气压力,管程内气体压力由压力调节阀控制在表压为50 kPa。气液进出口温度由K型热电偶测量,出口气体冷凝后经天平称量增重量,计算得到水的总传质通量。同时,气体进出口湿度由湿度传感器测量以验证水的传质通量。

富液流速对膜换热器传热传质性能的影响规律如图3所示。可以看出四种规格膜换热器的热回收通量qrec均随富液流速的增大有明显的升高。富液流速增大使得膜换热器壁面处的热边界层变薄,换热热阻变小,强化气液两相的换热效果[21]。同时,随富液流速的增大,水回收率也升高,意味着在相对较大的流速下,水蒸气被回收的更多,回收的潜热也更多。因此,富液流速升高时,显热和潜热回收都更多,造成总热回收通量的大幅升高。另外,在流速大于40 mL/min后,随流速的继续增大热回收通量的增长幅度有减小的趋势,因为通过陶瓷膜壁面处的热边界层变薄强化气液间的换热效果是有限的。因此,在较低的富液流速下,提高富液流速能大大增加热回收通量,但持续增加富液流速并不能带来热回收通量的无限制增大。因此,在实际工程应用中,分流的富液流速不是越大越好,需要综合确定使总能耗最小的流速。孔径相同、长度不同时,300 mm膜换热器的热回收量大于200 mm膜换热器。长度增加使得换热过程的有效接触面积增加,气液接触更充分,带来更好的热回收效果。考虑到换热器的长度不宜过长,可以用其他方式增加接触面积,理论上可使用多通道或单通道多管束陶瓷膜增加气液接触面积提高换热效果,但需进一步实验验证。

【参考文献】：
期刊论文
[1]利用膜吸收技术分离沼气中CO2[J]. 晏水平,陈竞翱,艾平,王媛媛,张衍林.  农业工程学报. 2012(11)
[2]华能北京热电厂CO2捕集工业试验研究[J]. 黄斌,许世森,郜时旺,刘练波,陶继业,牛红伟,蔡铭,程健.  中国电机工程学报. 2009(17)
[3]多孔陶瓷膜毛细管冷凝分离传质模型[J]. 李韡,许锡恩.  化工学报. 1999(03)



本文编号：3564493