高壓填料塔內(nèi)脫碳傳質(zhì)模型的建立及適用性分析

花亦懷，劉云飛，王 銘，桑 偉，唐建峰，陳 靜，姚寶龍，孫培源

（1.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，北京 100027；2.中國石油大學(xué)（華東） 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580；3.北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100032）

天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、高效的清潔能源，在中國能源結(jié)構(gòu)中的占比保持上升趨勢?！笆奈濉币?guī)劃中，采用天然氣替代煤炭和汽、柴油，將是防治大氣污染的重要途徑[1]。采出天然氣中含有CO2，會(huì)造成管道腐蝕、熱值降低等問題，因此脫除CO2等酸氣成為天然氣預(yù)處理中的重要環(huán)節(jié)。脫除天然氣中CO2的方法主要有化學(xué)吸收法和變壓吸附法等。其中，利用醇胺溶液作為化學(xué)吸收劑的胺法脫碳工藝，因具備氣體處理量大、運(yùn)行成本低和技術(shù)較成熟等優(yōu)點(diǎn)，目前應(yīng)用較多，發(fā)展迅速[2-3]。填料塔是胺法脫碳工藝中的關(guān)鍵設(shè)備之一，通過相關(guān)理論建立填料塔傳質(zhì)模型，是研究其傳質(zhì)性能的重要手段。

目前經(jīng)典的傳質(zhì)理論主要包括雙膜理論[4]、表面更新理論[5]和滲透理論[6]。其中，表面更新理論和滲透理論雖然與實(shí)際的傳質(zhì)過程更為接近，但是，相關(guān)參數(shù)（例如氣液接觸時(shí)間、表面更新率）很難獲得。因此，在目前的應(yīng)用中普遍采用雙膜理論。雙膜理論于20世紀(jì)20年代由WHⅠTMAN[4]提出。其基本觀點(diǎn)為，當(dāng)氣液兩相相互接觸時(shí)，兩相界面處會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定的層流膜，包括厚度為δg的氣膜層與厚度為δL的液膜層。在膜層內(nèi)，氣液兩相作層流流動(dòng)；在膜層之間，物質(zhì)傳遞以分子擴(kuò)散的形式從氣相進(jìn)入液相，氣液兩相濃度在界面上處于平衡狀態(tài)，界面?zhèn)髻|(zhì)阻力為零；在膜層外，兩相主流區(qū)流體充分流動(dòng)，物質(zhì)以對(duì)流擴(kuò)散形式進(jìn)行擴(kuò)散，傳質(zhì)阻力不計(jì)。

在傳質(zhì)性能方面，已有部分學(xué)者對(duì)胺法脫碳的傳質(zhì)過程進(jìn)行了合理簡化，建立了傳質(zhì)模型，并利用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)吸收過程進(jìn)行研究。MOⅠOLⅠ等[7]利用改進(jìn)后的Aspen Plus作為建模框架，建立了規(guī)整填料塔內(nèi)哌嗪（PZ）脫碳的傳質(zhì)模型，從溫度分布和CO2濃度分布兩方面，描述了PZ溶液吸收CO2過程中的傳質(zhì)行為。NAAMⅠ等[8]使用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的DX規(guī)整填料塔，對(duì)比了單乙醇胺（MEA）、N-甲基二乙醇胺（MDEA）和叔氨基醇4-二乙氨基-2-丁醇（DEAB）吸收CO2的傳質(zhì)性能，建立了總傳質(zhì)系數(shù)隨工藝參數(shù)變化的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，發(fā)現(xiàn)DEAB溶液具有良好的傳質(zhì)系數(shù)，高于MDEA但低于MEA。KHAN等[9]開發(fā)了一種基于速率的CO2吸收模型，用于預(yù)測填料塔內(nèi)乙醇胺溶液捕集煙氣中CO2的傳質(zhì)過程，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有良好的一致性。SAⅠDⅠ等[10]基于表面更新理論，建立了規(guī)整填料塔內(nèi)MDEA + PZ混合水溶液CO2吸收速率的數(shù)值模型，該模型能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測CO2分壓在4~16 kPa范圍內(nèi)，混合胺水溶液的吸收速率和傳質(zhì)系數(shù)。

以上研究主要針對(duì)吸收壓力低、CO2濃度低的工況。隨著近年來我國天然氣工業(yè)快速發(fā)展，高含CO2天然氣田被不斷勘探。國內(nèi)某天然氣處理陸上終端的原料氣中，CO2含量高達(dá)35%（體積分?jǐn)?shù)），且氣田開采出的天然氣壓力較高，對(duì)氣液物性有一定影響。吸收高濃度CO2過程中，填料塔內(nèi)CO2濃度和溫度梯度沿軸向變化較大，改變了CO2在醇胺溶液中的溶解和擴(kuò)散性能[11]。因此，建立高壓、高濃度CO2下，填料塔內(nèi)傳質(zhì)模型具有重要意義。本文基于雙膜理論，以自主搭建的θ環(huán)填料塔為基礎(chǔ)，建立適用于高壓、高濃度CO2原料氣條件下，填料塔內(nèi)MDEA + PZ脫碳傳質(zhì)模型。引入傳質(zhì)通量修正因子對(duì)模型進(jìn)行修正，在不同進(jìn)氣、溶液流量下，對(duì)模型的適應(yīng)性進(jìn)行分析，以期為相應(yīng)特征天然氣的凈化提供借鑒。

1 傳質(zhì)模型的建立

1.1 物理模型

設(shè)定醇胺溶液各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36% MDEA+ 4% PZ + 60% H2O，初始流量為 40 mL/min，醇胺溶液進(jìn)入吸收塔時(shí)由預(yù)熱器加熱至50 ℃。原料氣體各組分的體積分?jǐn)?shù)為 35% CO2+ 65% N2，流量為7.5 L/min，溫度為 25 ℃，其中N2不與醇胺溶液反應(yīng)。

基于自主搭建的小型θ環(huán)填料塔，建立物理模型。填料塔內(nèi)徑為38 mm，壁厚為4 mm，材質(zhì)為304不銹鋼。吸收塔內(nèi)裝填有直徑為3 mm的316SSθ網(wǎng)環(huán)，填料高度為 1500 mm。將填料塔沿軸向分割為微元，填料塔理論物理模型如圖1所示。由圖1可知，通過氣體質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)流量，氣相由塔下部進(jìn)入填料塔，液相經(jīng)平流泵由塔上部流入填料塔，氣液兩相在吸收塔內(nèi)逆流接觸，在填料表面提供的有效傳質(zhì)面積上進(jìn)行傳質(zhì)。氣液兩相在填料塔中的流動(dòng)過程為穩(wěn)態(tài)軸對(duì)稱流動(dòng)。在同一傳質(zhì)單元內(nèi)，假定氣液兩相能夠達(dá)到完全混合，則在模型建立過程中暫不考慮軸向反混。隨傳質(zhì)過程的進(jìn)行，沿填料吸收高度，氣、液流量及濃度不斷變化，而氣相中的N2流量不發(fā)生改變，只有CO2被溶劑吸收，忽略液相溶劑的揮發(fā)。

圖1 填料塔物理模型Fig.1 Physical model of packed tower

填料微元內(nèi)的CO2傳質(zhì)通量，可在氣液界面處用菲克定律表示如式(1)。填料微元間，氣、液相進(jìn)出口濃度cA、cB分別由式(2)和式(3)求得。

式中，NA為CO2傳質(zhì)通量，mol/(m2?s)；DA為CO2在溶液中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；cA為液膜中CO2的濃度，mol/L；x為擴(kuò)散距離，m；dV為微元填料體積，m3；aV為填料有效傳質(zhì)比表面積，m2/m3；G、L分別為氣相、液相摩爾流量，kmol/s；下標(biāo)A、B分別代表氣、液相中的活性組分CO2、醇胺；下標(biāo)j、j+1代表每個(gè)微元間的傳質(zhì)前、傳質(zhì)后。

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 控制方程

（1）質(zhì)量守恒方程

基于雙膜理論，氣相與液相在液膜內(nèi)逆流接觸，吸收過程存在化學(xué)反應(yīng)。在單位傳質(zhì)單元dz中，對(duì)醇胺溶液吸收CO2的傳質(zhì)過程進(jìn)行物料衡算。CO2由氣相主體進(jìn)入液相為x正方向。在MDEA +PZ吸收CO2過程中，PZ在液膜中穿梭，主要起活化作用。因此，該過程將PZ及MDEA視作一種醇胺，可得式(4)。在單位填料dz內(nèi)dx方向上，對(duì)醇胺溶液吸收CO2進(jìn)行物料衡算，根據(jù)菲克定律，得到關(guān)系式(5)。氣液接觸傳質(zhì)過程中，PZ能夠?qū)O2較快地轉(zhuǎn)移給MDEA進(jìn)行反應(yīng)，因此假定液膜中PZ的濃度基本不變，總反應(yīng)速率rA計(jì)算如式(6)。由雙膜理論中的假設(shè)，可知控制方程的邊界條件如式(7)和式(8)。聯(lián)立式(5)和式(6)，并進(jìn)行化簡得式(9)。則單位傳質(zhì)單元dz中，CO2的質(zhì)量守恒方程為式(10)。

式中，YCO2為傳質(zhì)單元內(nèi)氣相CO2的體積濃度，L/m3；rA為總反應(yīng)速率；k為速率常數(shù)；cAl為CO2在界面處的濃度，mol/L；cBl為MDEA在液相主體的濃度，mol/L；H為亨利常數(shù)，L?kPa/mol；p為壓力，kPa；δ為CO2由界面進(jìn)入液相主體的距離，m。

（2）能量守恒方程

填料塔軸向方向任一填料微元dz，其能量守恒關(guān)系引用李虎等[11]文中所述，并進(jìn)行修正。微元填料內(nèi)，流出微元的能量為流入微元的能量與微元內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的放熱量之和。其中，流入微元填料的能量Er如式(11)所示，流出的能量Ec如式(12)所示，化學(xué)反應(yīng)熱Qf如式(13)所示，根據(jù)守恒關(guān)系式化簡得式(14)，其定解條件為式(15)。

式中，u、ug分別為液相、氣相流速，m/s；ρ、ρg分別為液相、氣相密度，kg/m3；Cp、Cp,g分別為液相、氣相定壓比熱容，J/(kg?K)；λ為液相導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?K)；T為溫度，K；Ni為傳質(zhì)通量，mol/(m2?s)；ΔH為反應(yīng)生成焓，J/mol；h為對(duì)流散熱系數(shù)，W/(m2?K)；z為高度，m；Z為填料塔高度，m；l為填料塔周長，m；d為填料塔直徑，m。

1.2.2 傳質(zhì)模型參數(shù)

（1）物質(zhì)物性

MDEA、PZ和H2O的物性參數(shù)如表1所示。

表1 物性參數(shù)Table 1 Physical parameters

在吸收壓力為 0.1 MPa時(shí)，MDEA、PZ和H2O的定壓比熱容擬合公式[13]如下。

（2）物理溶解度及擴(kuò)散系數(shù)

CO2與醇胺溶液會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，故不能直接測量CO2在醇胺溶液中的物理溶解度和擴(kuò)散系數(shù)。因此，需使用非反應(yīng)性氣體N2O替代CO2，利用“N2O類比法”估算，如式(19)和式(20)所示。用于計(jì)算CO2及N2O物理溶解度的相關(guān)公式如表2所示。用于計(jì)算氣、液相擴(kuò)散系數(shù)的相關(guān)公式如表3所示。

表2 CO2及N2O物理溶解度計(jì)算公式Table 2 Calculation formulas for physical solubility of CO2 and N2O

表3 CO2及N2O擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算公式Table 3 Calculation formulas for diffusion of CO2 and N2O

式中，HCO2,a、HN2O,a分別為CO2、N2O在醇胺溶液中的物理溶解度，L?kPa/mol；HCO2,w、HN2O,w分別為CO2、N2O在純水中的物理溶解度，L?kPa/mol；DCO2,a、DN2O,a分別為CO2、N2O在醇胺溶液中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；DCO2,w、DN2O,w分別為CO2、N2O在純水中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。

表4 二元醇胺溶液N2O擴(kuò)散系數(shù)相關(guān)性參數(shù)Table 4 Correlation parameter of N2O diffusion coefficient of binary alkanolamine solution

（3）反應(yīng)速率常數(shù)

PZ活化的MDEA溶液吸收CO2，其反應(yīng)機(jī)理[18-19]如式(21)~式(26)所示，其中R1R2R3N代表MDEA，R1、R2代表—C2H4OH，R3代表—CH3。式(21)為MDEA作為堿催化水吸收CO2的過程。式(22)為PZ與CO2反應(yīng)生成氨基甲酸鹽產(chǎn)物PZCOO-的過程，SAMANTA等[20]研究表明，PZ與CO2反應(yīng)，和MDEA吸收CO2反應(yīng)過程平行，均為擬一級(jí)快速反應(yīng)。式(23)可以理解為，在活化過程中，PZ與擴(kuò)散進(jìn)入液膜的CO2結(jié)合形成PZ-CO2，快速地將CO2轉(zhuǎn)移給MDEA并進(jìn)行下一步反應(yīng)。式(24)為PZCOO-與MDEA進(jìn)行反應(yīng)，將CO2轉(zhuǎn)化為碳酸氫鹽，同時(shí)PZ在此反應(yīng)中被還原，被還原的PZ迅速接受擴(kuò)散進(jìn)入液膜的CO2，PZ的活化效應(yīng)得到顯現(xiàn)。由于PZ分子含有 2個(gè)氨基，式(25)理論上會(huì)發(fā)生，但LⅠU等[21]認(rèn)為可以忽略該反應(yīng)。式(26)的平衡常數(shù)很小，反應(yīng)過程中幾乎不起作用，相關(guān)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)文獻(xiàn)[22-23]中均做忽略處理。

（4）動(dòng)力黏度

MDEA+PZ混合醇胺溶液的動(dòng)力黏度采用Weiland方程進(jìn)行計(jì)算，如式(29)和式(30)所示。

式中，μi為溶液動(dòng)力黏度，mPa?s；a、b、c和d為參數(shù)，數(shù)值見表5。

表5 Weiland方程模型參數(shù)[26]Table 5 Model parameters of Weiland equation[26]

（5）導(dǎo)熱系數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，純MDEA的導(dǎo)熱系數(shù)由式(31)計(jì)算。氣液在填料塔吸收過程中未達(dá)到飽和狀態(tài)，則取水為過冷水狀態(tài)，其常壓下導(dǎo)熱系數(shù)由LEMMON[27]提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到的四階公式如式(32)所示。由5~90 ℃相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合得到PZ導(dǎo)熱系數(shù)的二階公式，如式(33)所示。對(duì)于三元體系的液體混合物，由秦正龍等[28]提供的公式(34)計(jì)算，其中Kij為作用矯正系數(shù)，如式(35)所示。具體計(jì)算過程為，獲得組分物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，根據(jù)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算出混合液體的導(dǎo)熱系數(shù)。

式中，Uij為組分i與j導(dǎo)熱系數(shù)的比值，其中數(shù)值大者做分母，故Uij<1；下標(biāo)m代表混合液體。

1.3 模型的計(jì)算流程

計(jì)算高壓下填料塔內(nèi)MDEA + PZ脫碳傳質(zhì)模型。首先假設(shè)填料塔上部氣相中CO2的濃度值（體積分?jǐn)?shù)，下同），對(duì)于第一個(gè)傳質(zhì)單元，已知MDEA +PZ醇胺溶液濃度及溫度，將傳質(zhì)單元內(nèi)質(zhì)量守恒方程，在x方向進(jìn)行離散并帶入邊界條件，通過TDMA（The tridiagonal matrix algorithm）法求得傳質(zhì)單元內(nèi)氣、液相濃度，利用菲克定律得到下一傳質(zhì)單元?dú)庀喑隹跐舛群鸵合嗳肟跐舛?。?duì)能量守恒方程在z方向進(jìn)行離散并帶入邊界條件，利用TDMA法得到傳質(zhì)單元的溫度。自塔上部至下部，依次計(jì)算每一傳質(zhì)單元內(nèi)氣、液相濃度及溫度。將求解的模型中，填料塔下部最終CO2濃度與已知的入塔CO2濃度進(jìn)行比較，如果計(jì)算值高，則重復(fù)該過程，如果計(jì)算值低，則增加初始CO2濃度假設(shè)值，直到與底部的CO2濃度相等為止。利用C語言計(jì)算機(jī)編程軟件，對(duì)上述過程進(jìn)行編程，如圖2所示。通過迭代運(yùn)算，得到填料塔數(shù)值模型中CO2濃度場及溫度場。

圖2 填料塔傳質(zhì)模型計(jì)算流程Fig.2 Computing procedure of mass transfer model for packed tower

2 模擬結(jié)果及模型修正

將得到的模型用于高壓條件下，MDEA + PZ混合溶液CO2吸收性能的模擬分析。但高壓吸收過程中，沿填料塔總氣體流速顯著下降，會(huì)導(dǎo)致不同傳質(zhì)單元間傳質(zhì)通量較實(shí)際情況有所不同。因此，需要對(duì)模型進(jìn)行修正。

2.1 不同吸收壓力下模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用初步搭建的脫碳傳質(zhì)模型，控制模型中其他參數(shù)不變，在吸收壓力為常壓、1 MPa、2 MPa、3 MPa和 4 MPa時(shí)，分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與模擬計(jì)算，結(jié)果見圖3。由圖3可知，高壓下模擬得到的，填料塔中CO2濃度曲線和溫度曲線，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差異較大。同時(shí)，隨吸收壓力的提高，誤差逐漸增大，CO2濃度最大誤差為86.64%，溫度最大誤差為28.63%。

圖3 不同吸收壓力下填料塔內(nèi)CO2濃度(a)和溫度(b)分布Fig.3 Distribution of CO2 concentration (a) and temperature (b)in packed tower under different absorption pressures

2.2 引入傳質(zhì)通量修正因子

針對(duì)上述問題，引入傳質(zhì)通量修正因子F，對(duì)較高吸收壓力下的傳質(zhì)模型進(jìn)行了修正[29]。F計(jì)算方法為，在相同壓力下，以填料塔高度為X軸，CO2濃度為Y軸，輸入不同節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)值及模擬值，二者作商，其值用MATLAB進(jìn)行二階擬合得到二階擬合函數(shù)。溫度場亦用相同方法進(jìn)行處理。將溫度場和濃度場對(duì)比后的擬合函數(shù)，以填料塔高度為X軸，輸出Y值二者相加取平均值，再次進(jìn)行二階擬合得到擬合函數(shù)。最后以填料塔高度為X軸，輸出Y值相加得到均值，即為F值。高壓下單位傳質(zhì)單元內(nèi)引入F后，傳質(zhì)通量NA1如式(36)所示。

以吸收壓力4 MPa為例，綜合考慮填料塔CO2濃度場、溫度場模擬值及實(shí)驗(yàn)值間的均方誤差，當(dāng)F為0.2315時(shí)，均方誤差達(dá)到最低，見圖4。由圖4可知，填料塔內(nèi)CO2濃度模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果間最大誤差為9.75%，溫度最大誤差為3.03%，模型準(zhǔn)確性顯著提高?；诓煌諌毫ο绿盍纤﨏O2濃度及溫度場實(shí)驗(yàn)值，對(duì)建立的傳質(zhì)模型進(jìn)行了修正，得到0.1~4.0 MPa下F值曲線如圖5所示。

圖4 模型修正后4 MPa下填料塔內(nèi)CO2濃度(a)和溫度(b)分布Fig.4 Distribution of CO2 concentration (a) and temperature (b) in packed tower under 4 MPa after model correction

圖5 不同吸收壓力下F值曲線Fig.5 F value curve under different absorption pressures

3 模型適用性分析

實(shí)際生產(chǎn)中，輸送到脫碳裝置的原料氣氣量處于波動(dòng)狀態(tài)，為探究工藝參數(shù)對(duì)MDEA + PZ吸收CO2過程中傳質(zhì)行為的影響，基于國內(nèi)某終端天然氣處理廠現(xiàn)場氣液比，及自主搭建的小型θ環(huán)填料塔裝置最大處理量，選擇不同進(jìn)氣、溶液流量，對(duì)傳質(zhì)模型的適用性進(jìn)行分析。

3.1 不同進(jìn)氣流量下模型的適用性

利用修正的高壓填料塔內(nèi)MDEA+PZ脫碳傳質(zhì)模型，控制模型中其他參數(shù)不變，探究了模型不同進(jìn)氣流量下的適用性。在進(jìn)氣流量為5.5 L/min、6.5 L/min、7.5 L/min、8.5 L/min和 9.5 L/min時(shí)，分別進(jìn)行了模擬計(jì)算，并且與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖6。由圖6(a)可知，進(jìn)氣流量從5.5 L/min提升至9.5 L/min，模擬得到的填料塔中CO2濃度曲線，與實(shí)驗(yàn)測得的趨勢較為一致，最大誤差為8.79%。小型θ環(huán)填料塔實(shí)驗(yàn)裝置外側(cè)有保溫套，但實(shí)際仍存在熱量散失，而模型中未考慮填料塔散熱。因此，實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)溫度比模擬的稍低，并且越靠近塔底幅度越大，最大誤差為2.37%。

圖6 不同進(jìn)氣流量下填料塔內(nèi)CO2濃度(a)和溫度(b)分布Fig.6 Distribution of CO2 concentration (a) and temperature (b) in packed tower under different inlet gas flow rates

進(jìn)一步分析可知，填料塔內(nèi)存在一個(gè)快速反應(yīng)區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)，氣、液相傳質(zhì)阻力的變化趨勢相反，使得反應(yīng)速率幾乎不變。進(jìn)氣流量增大會(huì)使該區(qū)域向塔頂移動(dòng)，而其他區(qū)域由于某一相傳質(zhì)阻力相較于另一相過大，導(dǎo)致了反應(yīng)速率快速下降。由圖6(b)可知，進(jìn)氣流量增大會(huì)改善填料塔內(nèi)的溫度分布。

3.2 不同溶液流量下模型的適用性

控制模型中其他參數(shù)不變，探究了模型不同溶液流量下的適用性。在溶液流量為30 mL/min、35 mL/min、40 mL/min、45 mL/min和 50 mL/min時(shí)，進(jìn)行了模擬計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見圖7。由圖7可知，隨著溶液流量從30 mL/min提升至50 mL/min，模擬得到的填料塔中CO2濃度曲線，與實(shí)驗(yàn)測得的趨勢較為一致，最大誤差為5.39%；從塔頂?shù)剿祝瑴囟鹊哪M值與實(shí)驗(yàn)值差距逐漸增大，最大誤差為1.98%。

圖7 不同溶液流量下填料塔內(nèi)CO2濃度(a)和溫度(b)分布Fig.7 Distribution of CO2 concentration (a) and temperature (b) in packed tower under different solution flow rates

進(jìn)一步分析可知，溶液流量增大會(huì)使填料塔內(nèi)快速反應(yīng)區(qū)向塔頂移動(dòng)，其他規(guī)律與不同進(jìn)氣流量下的結(jié)果類似。溶液流量為50 mL/min時(shí)，塔底的最高溫度比 35 mL/min、40 mL/min和 45 mL/min時(shí)低，說明溶液流量已經(jīng)高于完全處理原料氣中CO2所需要的流量，這與圖7(a)得到的結(jié)果是相對(duì)應(yīng)的。

4 結(jié)論

本文以自主搭建的小型θ環(huán)填料塔實(shí)驗(yàn)裝置為基礎(chǔ)，采用TDMA算法，基于雙膜理論，結(jié)合物理溶解度及擴(kuò)散系數(shù)、反應(yīng)速率常數(shù)、運(yùn)動(dòng)黏度和導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)，建立了填料塔內(nèi)MDEA + PZ脫碳傳質(zhì)模型。通過引入傳質(zhì)通量修正因子，對(duì)高壓下傳質(zhì)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行修正，并考察了不同進(jìn)氣和溶液流量下，模型的適應(yīng)性，得到如下結(jié)論。

（1）使用初步搭建的模型，高壓下模擬得到的填料塔中的CO2濃度曲線和溫度曲線，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差別較大，且隨吸收壓力增大而提高，CO2濃度最大誤差為86.64%，溫度最大誤差為28.63%。

（2）引入傳質(zhì)通量修正因子，對(duì)脫碳傳質(zhì)模型進(jìn)行修正，得到了不同吸收壓力下F的擬合曲線。模型修正后適用于高壓工況，填料塔內(nèi)CO2濃度模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果最大誤差降至9.75%，溫度的最大誤差降至3.03%。

（3）不同進(jìn)氣和溶液流量下，模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢較為一致。填料塔內(nèi)，溫度場最大誤差為2.37%、CO2濃度場最大誤差為8.79%，說明修正后模型的可靠性較強(qiáng)。