CO 2 在中空纤维膜内的吸收分离性能及其在PVA促进传递膜内的吸附特性
发布时间：2021-12-23 14:11
近些年来,随着全球温室效应的不断加剧,CO2等温室气体的处理因而日益受到人们的密切关注。作为未来最具潜力的减排技术,CO2捕获与封存（CCS）技术可从根本上解决电力等行业的碳排放问题,是应对全球气候变化的重要战略抉择。而目前燃煤电厂中主要采用传统的化学吸收法,但是该法存在实验设备装置庞大、占地面积大、质量重、气液相控制不容易等问题。因此,新兴的膜技术工艺方法因其占地面积小、质量轻、气液两相独立操作、气液接触面积大等优势,被认为是一种具有较高前景和较强优势的应用方法。本文首先以CO2捕集作为研究对象,初步设计并搭建了一套利用余热回收技术的中试规模的中空纤维膜接触器吸收与解吸混合气中CO2的实验系统,采用聚丙烯（PP）膜接触器,以CO2/N2为模拟烟气和去离子水为物理吸收剂,从气体流速、液相流速、CO2体积分数和串联膜接触器等方面考察了膜吸收CO2的能力。另一方面,基于有限元分析方法,利用COMSOL Multiphysics软件模拟研究了CO2在中空纤维膜接触器内的吸收过程。研究结果表明,在特定条件下,当增大气体流速或混合气中CO2的体积分数时,CO2脱除率呈现出明显下降的趋势;当液体流...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：136 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
中文摘要
英文摘要
符号说明
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 CO_2脱除方法
1.2.1 燃烧前捕集
1.2.2 富氧燃烧技术
1.2.3 燃烧后捕集
1.3 膜吸收法研究进展
1.3.1 膜吸收法基本原理
1.3.2 膜吸收法的应用进展
1.3.3 吸收剂的选择
1.3.4 膜材料的选择
1.3.5 膜接触器的类别
1.3.6 气液相参数的影响
1.3.7 系统操作条件的影响
1.3.8 膜接触器结构尺寸的影响
1.4 膜吸收法传质过程分析
1.4.1 液相传质
1.4.2 膜侧传质
1.4.3 气相传质
1.5 促进传递膜分离CO_2研究进展
1.5.1 促进传递膜基本原理及模型
1.5.2 促进传递膜CO_2分离研究进展
1.6 本文的选题背景
1.7 本文的主要研究内容
2 聚丙烯中空纤维膜接触器物理吸收烟气中CO_2实验研究
2.1 引言
2.2 实验系统及设备
2.2.1 实验材料与仪器
2.2.2 实验系统与方法
2.2.3 H_2O-CO_2反应机理
2.3 数据分析方法
2.4 结果与讨论
2.4.1 气相流速对CO_2脱除率的影响
2.4.2 液相流速对CO_2脱除率的影响
2.4.3 烟气组分对CO_2脱除率的影响
2.4.4 串联膜组件对CO_2脱除率的影响
2.5 小结
3 中空纤维膜接触器物理吸收CO_2的数值模型研究
3.1 引言
3.2 物理模型
3.3 数学模型
3.3.1 管程控制方程
3.3.2 膜侧控制方程
3.3.3 壳程控制方程
3.4 模型求解及网格分析方法
3.5 模型验证
3.6 小结
4 MDEA/PZEA膜吸收烟气中CO_2特性研究
4.1 引言
4.2 膜接触器参数及操作条件
4.3 化学反应机理
4.3.1 MEA-CO_2反应机理
4.3.2 PG-CO_2反应机理
4.3.3 MDEA/PZEA-CO_2反应机理
4.4 求解方法
4.5 数据分析方法
4.6 模型验证
4.7 三维浓度分布
4.8 气液相参数的影响
4.8.1 气相流速的影响
4.8.2 液相流速的影响
4.8.3 CO_2体积分数的影响
4.8.4 液相浓度的影响
4.8.5 添加剂相对浓度的影响
4.9 系统操作条件的影响
4.9.1 气液相温度的影响
4.9.2 操作压力的影响
4.9.3 流动方向的影响
4.9.4 流动状态的影响
4.9.5 膜接触器串联的影响
4.10膜接触器结构的影响
4.10.1 膜丝半径的影响
4.10.2 膜丝壁厚的影响
4.10.3 纤维膜长度的影响
4.10.4 纤维膜根数的影响
4.10.5 膜接触器半径的影响
4.10.6 孔隙率与曲折因子的影响
4.10.7 润湿性的影响
4.11小结
5 膜吸收技术在沼气中脱除CO_2的应用研究
5.1 引言
5.2 沼气纯化系统
5.3 化学反应机理
5.3.1 TEA-CO_2反应机理
5.3.2 DEA-CO_2反应机理
5.3.3 PA-CO_2反应机理
5.4 数值求解方法
5.5 膜内气液浓度分布
5.6 气液相参数对沼气纯化的影响及模型验证
5.6.1 气速对沼气纯化的影响
5.6.2 液速对沼气纯化的影响
5.6.3 CO_2体积分数对沼气纯化的影响
5.6.4 液相浓度对沼气纯化的影响
5.7 系统操作条件对沼气纯化的影响
5.7.1 操作压力对沼气纯化的影响
5.7.2 流动方向对沼气纯化的影响
5.7.3 流动状态对沼气纯化的影响
5.8 膜接触器结构对沼气纯化的影响
5.8.1 膜丝内径对沼气纯化的影响
5.8.2 膜丝壁厚对沼气纯化的影响
5.8.3 纤维膜长度对沼气纯化的影响
5.8.4 纤维膜根数对沼气纯化的影响
5.8.5 串联膜组件对沼气纯化的影响
5.9 小结
6 CO_2在PVA促进传递膜内的吸附特性研究
6.1 引言
6.2 实验部分
6.2.1 实验材料与设备
6.2.2 自支撑膜的制备
6.2.3 CO_2在促进传递膜内吸附实验测试
6.3 实验数据处理
6.4 红外光谱分析
6.5 温度对CO_2吸附的影响
6.6 压力对CO_2吸附的影响
6.7 进气水蒸汽含量对CO_2吸附的影响
6.8 载体对CO_2吸附的影响
6.9 小结
7 结论与展望
7.1 结论
7.2 本文主要创新点
7.3 研究展望
致谢
参考文献
附录
A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录
B. 作者在攻读博士学位期间发表的期刊社论
C. 作者在攻读博士学位期间申报的专利
D. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目
【参考文献】：
期刊论文
[1]CO2/CH4分离膜技术在沼气提纯中的应用研究进展[J]. 邹雪娜,褚立强,徐徜徉. 膜科学与技术. 2014(05)
[2]增压O2/CO2气氛下煤燃烧特性实验研究[J]. 胡海华,段伦博,陈晓平,韩冬,潘玄. 燃料化学学报. 2014(04)
[3]沼气提纯生物天然气技术研究进展[J]. 郑戈,张全国. 农业工程学报. 2013(17)
[4]中空纤维致密膜基吸收法在CO2脱除中的应用[J]. 姜尚,孙承贵,贾静璇,康国栋,曹义鸣,袁权. 高校化学工程学报. 2013(02)
[5]热致相分离聚偏氟乙烯膜接触器法高压吸收CO2过程及数学模拟[J]. 华从贵,康国栋,贾静璇,李萌,曹义鸣,袁权. 高等学校化学学报. 2013(04)
[6]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)
[7]混合醇胺溶液吸收烟气中CO2[J]. 张亚萍,江金正,季芹芹,罗红情. 化工生产与技术. 2012(01)
[8]膜法海水吸收烟气中二氧化碳的试验研究[J]. 李晓明,郭春刚,刘国昌,张召才,关毅鹏,陈颖. 膜科学与技术. 2012(01)
[9]PVDF中空纤维膜吸收器捕获烟气CO2的工艺技术[J]. 赖春芳,杨波,张国亮,温彩哨,曹荣,吴蓉蓉. 化工学报. 2012(02)
[10]聚砜中空纤维膜去除气流中的CO2、H2O和O2[J]. 周崇阳,冯淑娟,周国庆,金玉仁,徐辉,徐景明,梁俊福. 核化学与放射化学. 2011(05)
博士论文
[1]聚丙烯中空纤维膜接触器分离CO2的研究[D]. 吕月霞.华东理工大学 2011
[2]餐厨垃圾制沼及膜法沼气提纯一体化系统设计及理论研究[D]. 尼姝丽.东北林业大学 2011
[3]膜吸收和化学吸收分离CO2特性的研究[D]. 晏水平.浙江大学 2009
[4]中空纤维膜接触器分离燃煤烟气中二氧化碳的试验研究[D]. 张卫风.浙江大学 2006
[5]固载促进传递CO2分离膜的研究[D]. 沈江南.浙江大学 2005
硕士论文
[1]聚丙烯中空纤维膜接触器脱除CO2及膜孔润湿影响分析的试验研究[D]. 舒建辉.华东交通大学 2014
[2]中空纤维致密膜基吸收脱除CO2研究[D]. 孙承贵.中国科学院研究生院（大连化学物理研究所） 2005
[3]膜吸收法和化学吸收法脱除电厂烟气中二氧化碳的试验研究[D]. 杨明芬.浙江大学 2005
本文编号：3548625
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：136 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
中文摘要
英文摘要
符号说明
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 CO_2脱除方法
1.2.1 燃烧前捕集
1.2.2 富氧燃烧技术
1.2.3 燃烧后捕集
1.3 膜吸收法研究进展
1.3.1 膜吸收法基本原理
1.3.2 膜吸收法的应用进展
1.3.3 吸收剂的选择
1.3.4 膜材料的选择
1.3.5 膜接触器的类别
1.3.6 气液相参数的影响
1.3.7 系统操作条件的影响
1.3.8 膜接触器结构尺寸的影响
1.4 膜吸收法传质过程分析
1.4.1 液相传质
1.4.2 膜侧传质
1.4.3 气相传质
1.5 促进传递膜分离CO_2研究进展
1.5.1 促进传递膜基本原理及模型
1.5.2 促进传递膜CO_2分离研究进展
1.6 本文的选题背景
1.7 本文的主要研究内容
2 聚丙烯中空纤维膜接触器物理吸收烟气中CO_2实验研究
2.1 引言
2.2 实验系统及设备
2.2.1 实验材料与仪器
2.2.2 实验系统与方法
2.2.3 H_2O-CO_2反应机理
2.3 数据分析方法
2.4 结果与讨论
2.4.1 气相流速对CO_2脱除率的影响
2.4.2 液相流速对CO_2脱除率的影响
2.4.3 烟气组分对CO_2脱除率的影响
2.4.4 串联膜组件对CO_2脱除率的影响
2.5 小结
3 中空纤维膜接触器物理吸收CO_2的数值模型研究
3.1 引言
3.2 物理模型
3.3 数学模型
3.3.1 管程控制方程
3.3.2 膜侧控制方程
3.3.3 壳程控制方程
3.4 模型求解及网格分析方法
3.5 模型验证
3.6 小结
4 MDEA/PZEA膜吸收烟气中CO_2特性研究
4.1 引言
4.2 膜接触器参数及操作条件
4.3 化学反应机理
4.3.1 MEA-CO_2反应机理
4.3.2 PG-CO_2反应机理
4.3.3 MDEA/PZEA-CO_2反应机理
4.4 求解方法
4.5 数据分析方法
4.6 模型验证
4.7 三维浓度分布
4.8 气液相参数的影响
4.8.1 气相流速的影响
4.8.2 液相流速的影响
4.8.3 CO_2体积分数的影响
4.8.4 液相浓度的影响
4.8.5 添加剂相对浓度的影响
4.9 系统操作条件的影响
4.9.1 气液相温度的影响
4.9.2 操作压力的影响
4.9.3 流动方向的影响
4.9.4 流动状态的影响
4.9.5 膜接触器串联的影响
4.10膜接触器结构的影响
4.10.1 膜丝半径的影响
4.10.2 膜丝壁厚的影响
4.10.3 纤维膜长度的影响
4.10.4 纤维膜根数的影响
4.10.5 膜接触器半径的影响
4.10.6 孔隙率与曲折因子的影响
4.10.7 润湿性的影响
4.11小结
5 膜吸收技术在沼气中脱除CO_2的应用研究
5.1 引言
5.2 沼气纯化系统
5.3 化学反应机理
5.3.1 TEA-CO_2反应机理
5.3.2 DEA-CO_2反应机理
5.3.3 PA-CO_2反应机理
5.4 数值求解方法
5.5 膜内气液浓度分布
5.6 气液相参数对沼气纯化的影响及模型验证
5.6.1 气速对沼气纯化的影响
5.6.2 液速对沼气纯化的影响
5.6.3 CO_2体积分数对沼气纯化的影响
5.6.4 液相浓度对沼气纯化的影响
5.7 系统操作条件对沼气纯化的影响
5.7.1 操作压力对沼气纯化的影响
5.7.2 流动方向对沼气纯化的影响
5.7.3 流动状态对沼气纯化的影响
5.8 膜接触器结构对沼气纯化的影响
5.8.1 膜丝内径对沼气纯化的影响
5.8.2 膜丝壁厚对沼气纯化的影响
5.8.3 纤维膜长度对沼气纯化的影响
5.8.4 纤维膜根数对沼气纯化的影响
5.8.5 串联膜组件对沼气纯化的影响
5.9 小结
6 CO_2在PVA促进传递膜内的吸附特性研究
6.1 引言
6.2 实验部分
6.2.1 实验材料与设备
6.2.2 自支撑膜的制备
6.2.3 CO_2在促进传递膜内吸附实验测试
6.3 实验数据处理
6.4 红外光谱分析
6.5 温度对CO_2吸附的影响
6.6 压力对CO_2吸附的影响
6.7 进气水蒸汽含量对CO_2吸附的影响
6.8 载体对CO_2吸附的影响
6.9 小结
7 结论与展望
7.1 结论
7.2 本文主要创新点
7.3 研究展望
致谢
参考文献
附录
A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录
B. 作者在攻读博士学位期间发表的期刊社论
C. 作者在攻读博士学位期间申报的专利
D. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目
【参考文献】：
期刊论文
[1]CO2/CH4分离膜技术在沼气提纯中的应用研究进展[J]. 邹雪娜,褚立强,徐徜徉. 膜科学与技术. 2014(05)
[2]增压O2/CO2气氛下煤燃烧特性实验研究[J]. 胡海华,段伦博,陈晓平,韩冬,潘玄. 燃料化学学报. 2014(04)
[3]沼气提纯生物天然气技术研究进展[J]. 郑戈,张全国. 农业工程学报. 2013(17)
[4]中空纤维致密膜基吸收法在CO2脱除中的应用[J]. 姜尚,孙承贵,贾静璇,康国栋,曹义鸣,袁权. 高校化学工程学报. 2013(02)
[5]热致相分离聚偏氟乙烯膜接触器法高压吸收CO2过程及数学模拟[J]. 华从贵,康国栋,贾静璇,李萌,曹义鸣,袁权. 高等学校化学学报. 2013(04)
[6]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)
[7]混合醇胺溶液吸收烟气中CO2[J]. 张亚萍,江金正,季芹芹,罗红情. 化工生产与技术. 2012(01)
[8]膜法海水吸收烟气中二氧化碳的试验研究[J]. 李晓明,郭春刚,刘国昌,张召才,关毅鹏,陈颖. 膜科学与技术. 2012(01)
[9]PVDF中空纤维膜吸收器捕获烟气CO2的工艺技术[J]. 赖春芳,杨波,张国亮,温彩哨,曹荣,吴蓉蓉. 化工学报. 2012(02)
[10]聚砜中空纤维膜去除气流中的CO2、H2O和O2[J]. 周崇阳,冯淑娟,周国庆,金玉仁,徐辉,徐景明,梁俊福. 核化学与放射化学. 2011(05)
博士论文
[1]聚丙烯中空纤维膜接触器分离CO2的研究[D]. 吕月霞.华东理工大学 2011
[2]餐厨垃圾制沼及膜法沼气提纯一体化系统设计及理论研究[D]. 尼姝丽.东北林业大学 2011
[3]膜吸收和化学吸收分离CO2特性的研究[D]. 晏水平.浙江大学 2009
[4]中空纤维膜接触器分离燃煤烟气中二氧化碳的试验研究[D]. 张卫风.浙江大学 2006
[5]固载促进传递CO2分离膜的研究[D]. 沈江南.浙江大学 2005
硕士论文
[1]聚丙烯中空纤维膜接触器脱除CO2及膜孔润湿影响分析的试验研究[D]. 舒建辉.华东交通大学 2014
[2]中空纤维致密膜基吸收脱除CO2研究[D]. 孙承贵.中国科学院研究生院（大连化学物理研究所） 2005
[3]膜吸收法和化学吸收法脱除电厂烟气中二氧化碳的试验研究[D]. 杨明芬.浙江大学 2005
本文编号：3548625
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