管式降膜再沸器內(nèi)CO2吸收液傳熱傳質(zhì)性能研究

李藍茜，許利華，董文峰，吳海茜，方夢祥，夏芝香，王 濤，史躍崗，周樟華

（1.浙江大學 能源清潔利用國家重點實驗室，浙江 杭州310027；2.杭州鍋爐集團股份有限公司，浙江 杭州310021）

0 引 言

碳捕集技術(shù)（CCS）是化石燃料燃燒過程實現(xiàn)碳減排的有效手段，其中化學吸收法是目前二氧化碳捕集技術(shù)中最成熟的技術(shù)［1，2］。 在化學吸收法中，解吸過程需要吸收外部熱量進行CO2再生的過程，熱量需求由塔底再沸器提供。 再沸器是一種安裝在解吸塔塔底的特殊換熱器，將部分液相汽化形成二次蒸汽并于塔內(nèi)形成氣相回流，為解吸塔提供CO2再生需要的熱量和傳質(zhì)動力。 但在吸收劑高溫受熱的情況下，易發(fā)生熱降解和揮發(fā)損失， 出現(xiàn)變質(zhì)結(jié)焦， 影響再沸器換熱效率［3，4］。 另一方面，由于吸收劑呈堿性，長時間滯留會對設備造成腐蝕［5，6］。 垂直管降膜再沸器用于CO2捕集系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：（1）薄膜蒸發(fā)，傳熱系數(shù)大、溫差低，具有較大的降耗潛力；（2）料液在降膜管內(nèi)停留時間短，能夠緩解吸收劑的熱降解，增加吸收劑可循環(huán)利用時間，降低成本；（3）能夠解吸部分CO2，降低貧液負荷，增加CO2吸收量。

降膜再沸器分為水平管降膜再沸器和垂直管降膜再沸器［7］。 其中，水平管降膜再沸器液膜在管外形成，多應用于制冷、化工、石油精煉和海水淡化工業(yè)中；垂直管降膜再沸器在管內(nèi)形成液膜，在食品濃縮和氣體解吸中應用較多［8，9］。 Chun 和Seban［10］進行降膜傳熱實驗，將水作為料液，以電加熱的形式對垂直管外降膜傳熱性能進行了探究，得到層流和湍流階段的實驗關(guān)聯(lián)式，廣泛應用在液膜理論模擬的驗證中。 在單組分料液理論分析的基礎(chǔ)上，Bryan C.Hoke［11］將實際應用料液中的二元混合物作為分析對象，聯(lián)立動量和傳質(zhì)方程求解出了傳質(zhì)系數(shù)。 王永福［12］將能量方程補充進該模型后，建立了傳熱傳質(zhì)的耦合模型，探究了傳質(zhì)阻力對傳熱的影響。 Bouman 等［13］以乳制品作為實驗工質(zhì)，采用垂直單管對全脂牛奶和脫脂牛奶進行了蒸發(fā)器管內(nèi)傳熱和壓降的實驗研究。 Krupiczka等［14］對異丙醇、甲醇、水飽和液膜在垂直管內(nèi)的蒸發(fā)進行了實驗研究。 Song等［15］以果汁為液相，研究證明了原料流量、蒸發(fā)溫度、溫差和果汁可溶性固形物含量對垂直降膜蒸發(fā)器傳熱系數(shù)有較大的影響。 欒善東［16］的實驗表明：降膜載氣蒸發(fā)在低熱負荷、小溫差傳熱時對提高傳熱膜系數(shù)、增強傳熱更有效。

目前對降膜蒸發(fā)傳熱性能的研究很多，但對胺溶液的降膜傳熱特性還未進行實驗研究。 因此，也無法直接利用Aspen EDR等軟件直接進行降膜再沸器的結(jié)構(gòu)設計，需要先對管內(nèi)胺溶液降膜傳熱傳質(zhì)特性進行實驗研究。 因此，本文以不同濃度的MEA溶液作為液相進行單管降膜傳熱實驗，以熱通量、降膜換熱系數(shù)和再生率作為指標，研究了液相流量、加熱功率和液相進口溫度對降膜傳熱效果的影響，并得到關(guān)于胺溶液的降膜傳熱實驗關(guān)聯(lián)式，以此作為CO2捕集系統(tǒng)中降膜再沸器降膜側(cè)傳熱傳質(zhì)性能參照，為工程設計提供參考。

1 實驗與方法

1.1 實驗材料

采用化學吸收法中常用吸收劑MEA作為液相溶 液， 由 純 單 乙 醇 胺 溶 液（MEA， 純 度≥99.3%）與去離子水混合配制而成三種質(zhì)量分數(shù)分別為25%、30%和35%的MEA吸收液。 配制完成后利用滴定儀對溶液濃度進行測量并驗證。通過鼓泡吸收法在溶液中通入CO2，溶液CO2負荷為2 mol CO2/L吸收液。

實驗設計了一種溢流型布膜器，結(jié)構(gòu)簡單，操作彈性大。 布膜器上端由引流管構(gòu)成，管口形狀為鋸齒狀，在降膜管管板上方延伸一段，利用管板液體靜壓溢流進管內(nèi)，下端與降膜管連接。 布膜器和降膜管材質(zhì)都為不銹鋼材質(zhì)，具體尺寸參數(shù)見表1。

表1 布膜器和降膜管結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 實驗裝置

為探究CO2化學捕集系統(tǒng)中胺溶液的降膜蒸發(fā)傳熱傳質(zhì)效果，搭建了單管降膜蒸發(fā)實驗臺。 實驗臺由液相預熱系統(tǒng)、降膜蒸發(fā)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)幾個部分組成，流程圖如圖1 所示。

圖1 單管降膜蒸發(fā)實驗流程圖

（1）預加熱系統(tǒng)：用于胺溶液的預熱。 采用電加熱的方式，主要由不銹鋼加熱桶組成，溫度可在100 ℃以內(nèi)調(diào)節(jié)，旨在將出口溶液預熱至85 ～90 ℃，保證齒輪泵泵入布膜器的溶液進口溫度在75 ～85 ℃。

（2）降膜再沸系統(tǒng)：用于胺溶液的降膜蒸發(fā)，是實驗主體部分。 胺溶液通過布膜器的作用在降膜管內(nèi)壁均勻成膜。 降膜管外壁加裝電流電壓可調(diào)節(jié)的加熱絲，對管內(nèi)流體進行加熱，以模擬實際工藝中蒸汽加熱。 胺溶液在降膜管內(nèi)蒸發(fā)是利用溶液沿垂直壁面方向的重力作用，通過布膜器在降膜管壁面均勻分布，形成薄液膜，如圖2 所示。降膜管外壁熱源通過壁面的導熱將熱量傳遞至管內(nèi)壁，胺溶液與內(nèi)壁面進行對流傳熱。 從沸騰機理來看，降膜再沸器主要以對流沸騰為主，伴隨著少量的泡核沸騰。 降膜流動雷諾數(shù)的計算與充滿液體的管子計算方法一致，但其由于流動的液體沒有完全充滿管子，在相同流率下，降膜管的傳熱系數(shù)要更大一些。 同時，汽液向下一同流動時，受氣流剪切力影響，液膜減薄，強化換熱效果。

圖2 胺溶液降膜蒸發(fā)過程

（3）冷卻系統(tǒng)：用于冷凝二次蒸汽。 分離出的二次蒸汽主要包括水蒸氣和CO2，為測量二次蒸汽流量，采用水冷的方式冷凝，主要由低溫槽、冷凝管和氣液分離罐組成。 由于在冷凝后仍為氣態(tài)，二次蒸汽經(jīng)冷凝器后需再次進入氣液分離罐，將冷凝液和CO2分離，冷凝液稱重測量。

（4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：用于記錄流量、溫度和壓力等實驗參數(shù)。 采用無紙記錄儀記錄液相進口流量、液相進出口溫度、降膜管外壁面溫度、液相進口壓力和降膜管底部氣液分離罐壓力。

1.3 操作參數(shù)

實驗內(nèi)容包括對不同溶液流量、溶液濃度、電加熱功率和進口溫度條件下降膜蒸發(fā)的傳熱傳質(zhì)性能進行測試，溶液質(zhì)量濃度為25%MEA、30%MEA和35%MEA，流量為0.06 ～0.13 m3/h，加熱功率為3.9 ～5.7 kW，溶液進口溫度為78 ～87 ℃。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

在降膜蒸發(fā)的過程中，熱量通過降膜管管壁傳遞給管內(nèi)成膜流動的吸收劑。 加熱壁面的過熱度大于4 ℃，主要發(fā)生的是核態(tài)沸騰，具有溫壓小，傳熱強的特點。 在熱量交換的過程中，換熱系數(shù)是表征傳熱過程強烈程度的重要標尺，傳熱過程越強烈，汽化核心數(shù)增加，氣泡擾動越劇烈，換熱系數(shù)越大［17］。 傳熱效率不僅受到液相流量、加熱功率和進口溫度等操作參數(shù)的影響，還與蒸發(fā)過程產(chǎn)生的二次蒸汽有關(guān)［18，19］。 另外，當降膜蒸發(fā)應用于CO2捕集系統(tǒng)的再沸設備時，由于溶液中還存在少量CO2，在蒸發(fā)的過程還有少部分CO2再生。 因此，在降膜再生傳熱傳質(zhì)過程中，需對熱通量、換熱系數(shù)以及再生率進行計算分析。

本實驗將電加熱絲鑲嵌在柱狀陶瓷管中對降膜管進行加熱，以模擬實際工藝中蒸汽加熱。 考慮到降膜管較長以及陶瓷管管壁的熱阻，熱量耗散較多，采用電加熱功率來計算熱流量存在一定的誤差，故通過液相側(cè)來直接計算熱流量。 降膜在單管降膜蒸發(fā)的過程，液相側(cè)熱流量主要包括液體的溫升顯熱和二次蒸汽熱流量兩部分，計算公式如下：

式中：Qc為液相側(cè)計算得到的熱流量，kW；mH2O為二次蒸汽流量，kg/s；γv為對應壓力下的二次蒸汽潛熱，kJ/kg；Ccp為液體比熱容，kJ/（kg·K）；mc為溶液流量，kg/s；Δt為液體出口溫度t2和進口溫度t1之差，即t2-t1，K。

熱通量q是評價熱量傳遞效果的重要指標，能夠直接反映受熱部分的單位面積從加熱側(cè)獲得的熱量，其計算公式如下：

式中：A為降膜換熱面積，m2。

在本實驗中，換熱系數(shù)的大小不僅與參與傳熱過程流體種類有關(guān)，還與換熱過程中流體的流量、進口溫度以及加熱功率相關(guān)，換熱系數(shù)計算公式如下：

式中：k為總換熱系數(shù)，W/（m2·K）；ΔT為溫差，℃；Tw為壁面平均溫度，℃；Ts為二次蒸汽出口壓力對應的飽和溫度，℃；do是換熱管外徑，m；L 是換熱管長度，m。

由于本實驗是通過降膜管外壁溫與飽和溫度計算溫差，以管外壁作為熱傳遞起點，傳熱過程包括管壁的導熱和管內(nèi)對流傳熱兩部分，因此，根據(jù)總換熱系數(shù)和導熱熱阻可得到膜側(cè)換熱系數(shù)，計算公式如下：

式中：h 為降膜傳熱系數(shù)，W/m2·K；δ為換熱管壁厚，m；λ為不銹鋼導熱系數(shù)，W/（m·K）。

降膜蒸發(fā)過程的再生率計算公式如下：

式中：ν為再生率；ωin為MEA溶液進口CO2負荷，mol/L；ωout為MEA溶液出口CO2負荷，mol/L。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 液相流量對傳熱效果的影響

液相流量對降膜蒸發(fā)的傳熱性能影響規(guī)律如圖3 所示。 熱通量為12 kW/m2，溫差為8 K的條件下，隨著流量由0.06 m3/h 增加至0.13 m3/h，熱通量不斷增加，如圖3（b）所示，降膜換熱系數(shù)呈先降低后上升趨勢，如圖3（a）所示。 傳熱效率與液相流量的關(guān)系分為兩個階段。 在小流量進液的情況下，由于平均液膜隨流量的增大而增大，增大了傳熱阻力，換熱系數(shù)下降。 隨著進液流量的進一步增大，液體流速增加，蒸發(fā)表面的潤濕速率增大。 在充分潤濕的前提下，熱通量的增加有利于核態(tài)沸騰傳熱，汽化核心數(shù)增加，增加了液膜湍流度，換熱系數(shù)增大，最高可達1963 W/（m2·K）。 因此，在實際工程應用中，需要適當增加溶液流量來強化換熱效果。

圖3 液相流量對傳熱傳質(zhì)性能的影響

對于不同質(zhì)量濃度MEA溶液，25%MEA溶液換熱效果優(yōu)于30%MEA和35%MEA。 隨著濃度的增加，液體粘度增大，膜流動性減弱，膜厚增加，蒸發(fā)器壁面產(chǎn)生的氣泡難以從液面排出，熱阻增大，湍流度降低，導致傳熱效果減弱。

隨著液體流量的增加，CO2再生率和換熱系數(shù)變化趨勢一致，如圖3（c）所示。 說明蒸發(fā)速率直接影響CO2再生率，蒸發(fā)速率越快，CO2再生效果越好，溶液CO2負荷由2 mol/L最低下降至1.85 mol/L。因此，利用降膜蒸發(fā)器作為二氧化碳捕集系統(tǒng)的再沸器能夠?qū)崿F(xiàn)提供傳質(zhì)動力的同時，還能實現(xiàn)進一步解吸功能。 同時，二次蒸汽冷凝液的胺濃度低于0.5%，胺蒸發(fā)量較小，胺濃度在系統(tǒng)溫度最高處的波動小，有利于整個系統(tǒng)的循環(huán)。

2.2 加熱功率對傳熱效果的影響

在質(zhì)量濃度為30%MEA，傳熱溫差8 K的條件下，加熱功率對降膜蒸發(fā)過程傳熱系數(shù)的影響如圖4（a）所示。 在其他工作參數(shù)固定的情況下，換熱系數(shù)隨著加熱功率的升高而增大。 一方面，加熱功率的增加導致熱通量迅速增加，如圖4（b）所示，溶液溫度上升速率加快，降膜換熱系數(shù)增加。 另一方面，溶液溫度的升高降低了吸收劑黏度，從而降低了溶液的流動阻力，蒸發(fā)速率加快。

圖4 加熱功率對傳熱傳質(zhì)性能的影響

當加熱功率由3900 W 增加至5700 W 時，熱通量增加，蒸發(fā)速率增加，CO2再生率也隨之增加。 0.06 m3/h 液體流量下，CO2再生率由7.4%上升至10.8%；0.08 m3/h 液體流量下，CO2再生率由4.4%上升至9.8%；0.10 m3/h 液體流量下，CO2再生率由6.4%上升至10.3%；0.11 m3/h 液體流量下，CO2再生率由7.4%上升至10.3%，如圖4（c）所示。 流量較小或較大時，降膜蒸發(fā)過程吸收劑的再生效果較好。

2.3 液相進口溫度對傳熱效果的影響

液相進口溫度對降膜傳熱效果的影響如圖5所示。 在加熱功率固定為4800 W，溶液質(zhì)量濃度為30%MEA的條件下，隨著液相進口溫度由78 ℃上升至87 ℃，降膜換熱系數(shù)逐漸增大，增幅在10% ～20%左右，如圖5（a）所示。 由于液相進口溫度增加后，達到溶液蒸發(fā)溫度速率加快，熱通量增加，如圖5（b）所示。 同時，當溶液進口溫度的升高時，吸收劑最初流入降膜管時粘度降低，流動阻力降低，湍流度增加，蒸發(fā)速率加快，降膜換熱效果加強。 因此，在工程應用中適當提高吸收劑進口溫度有利于加強換熱效果。

液相進口溫度對再生率的關(guān)系也是正相關(guān)的，如圖5（c）所示。 當液相進口溫度達到87℃時，再生率高達10%，將貧液中的少量CO2再生較為完全。 當溫度上升到87 ℃時，再生率都在10%左右，受流量的影響較小。 因此，從實際工業(yè)應用的角度來說，提高溶液進口溫度，不僅能夠提升換熱效率，還能加強再生效果。

圖5 液相進口溫度對傳熱傳質(zhì)的影響

3 管內(nèi)降膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)實驗關(guān)聯(lián)式

管內(nèi)降膜蒸發(fā)是一個相變換熱的過程，影響傳熱的因素復雜，除了與液相進液量有關(guān)，還受到管內(nèi)蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽的影響。 為量化這兩個主要影響因素對傳熱效果的影響，采用因次分析法來得到關(guān)于胺溶液管內(nèi)降膜蒸發(fā)的實驗關(guān)聯(lián)式，即：

式中：h+為無因次傳熱系數(shù)；Rel為液相雷諾數(shù)；Rev為二次蒸汽雷諾數(shù)；νl為液體運動粘度，m2/s；g 為 重 力 加 速 度， m/s2； λl為 液 體 導 熱 系 數(shù)，W/（m·K）；Γl為液體周邊流量，kg/（m·s）；μl為液體動力粘度，kg/（m·s）；mv為二次蒸汽蒸發(fā)速率，kg/s；d 為降膜管內(nèi)徑，m；μv為蒸汽動力粘度，kg/（m·s）。

在加熱功率和溶液進口溫度相同時，隨著液相流量的改變，二次蒸汽雷諾數(shù)Rev也在不斷變化，無法保證單一變量，故先在定流量的條件下，既液相雷諾數(shù)Rel一定時，探究Rev對傳熱的影響。 在湍流區(qū)域，無因次傳熱系數(shù)h+與Rev的0.31次方成正比，如圖6 所示。 線性回歸的系數(shù)R2為0.98 左右，誤差較小。

圖6 無因次傳熱系數(shù)h+隨二次蒸汽雷諾數(shù)Re v的影響

確定h+與Rev的關(guān)系后，液相流量在0.06 ～0.13 m3/h 范圍內(nèi)調(diào)整，液相雷諾數(shù)Rel變化范圍為1600 ～3300。 如圖7 所示，當Rel＜1900 時，h+隨著Rel的增加而逐漸減??；當Rel＞1900 時，h+隨著Rel的增加而逐漸增大。 將h+/Rev0.31與Rel進行線性回顧，系數(shù)R2大于0.979，結(jié)果如下：

圖7 無因次傳熱系數(shù)h+隨液相雷諾數(shù)Re l的影響

與其他研究者得到的降膜傳熱實驗關(guān)聯(lián)式與實驗條件的對比如圖8 所示。 小試實驗熱側(cè)多以電加熱的形式，與蒸汽加熱效果相差不大。 從實驗工質(zhì)比較而言，MEA降膜蒸發(fā)換熱與Elle采用的R11 工質(zhì)相比，換熱系數(shù)低49%左右，與水較為接近。 這也說明降膜蒸發(fā)傳熱傳質(zhì)效果受實驗工質(zhì)的影響。 本實驗通過線性回歸分析得到的傳熱實驗關(guān)聯(lián)式與Fujita［20］和鄧鴻［21］的結(jié)果相差較小，比Fujita的結(jié)果高7%左右，比鄧鴻的結(jié)果低12%左右。 考慮到采用的溶液不同以及實驗誤差，本實驗得到的傳熱實驗關(guān)聯(lián)式能為CO2捕集系統(tǒng)中降膜再沸器的設計提供參考。

圖8 本文與其他降膜蒸發(fā)實驗關(guān)聯(lián)式對比

4 結(jié) 論

基于MEA溶液的單管降膜傳熱實驗，得出以下結(jié)論：

（1）熱通量隨著液相流量、加熱功率和液相進口溫度的增加而增大，相比較而言，進口溫度的影響較小，熱通量增幅較小。

（2）降膜換熱系數(shù)在小流量下，隨著流量的增大而減小，再增大流量，降膜換熱系數(shù)增大。 隨著加熱功率和液相進口溫度的增加，降膜換熱系數(shù)增大。

（3）再生率的變化趨勢與降膜換熱系數(shù)一致，說明傳熱和傳質(zhì)受液相流量、加熱功率和液相進口溫度的影響相同，再生率在5% ～10%左右。

（4）考慮二次蒸汽對降膜傳熱的影響，得到了以下關(guān)于胺溶液的降膜傳熱實驗關(guān)聯(lián)式：

本文得到的關(guān)聯(lián)式可用于CO2化學吸收系統(tǒng)中的降膜再沸器的設計。