废碱液同时吸收CO2和H2S方法与传质模型的研究

第 卷第 期 年

月

煤炭学报

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文章编号：（ ）

废碱液同时吸收 和 方法与传质模型的研究

杨兰和 ，刘淑琴 ，梁杰 ，余力

（ 中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州

； 中国矿业大学化工与环境工程系，北京

）

摘

要：提出并研究了利用工业废碱液对地下气化煤气中 和 进行同时吸收的新方法 分

析了碱液吸收 和 的基本原理，并建立了碱液吸收 和 的传质模型 在模型实验和数值模拟的基础上，研究了 的存在对碱液吸收 的影响 通过研究发现，在适宜的碱液浓度及液气比条件下， 的脱除效率可达 以上 当 脱除率为 ， 或大于 时，

煤气热值可分别提高 ， 和 以上 计算结果表明，数值模拟值与实验值基本一致

关键词：废碱液；吸收； ； ；传质模型；煤炭地下气化中图分类号：

文献标识码：

研究表明，影响煤炭地下气化产品煤气有效热值的主要因素是其不可燃酸性气体———二氧化碳和硫化物的含量较高，一般占 左右，最高达 这不仅降低了地下气化煤气的热值，而且增加了大气中二氧化碳和硫化物的排放量 因此，脱除地下气化煤气中的酸性气体，是目前十分迫切而又非常重要的一个问题 关于对 的捕获和处理方法已有理论及实验报道，但由于其反应条件复杂，投资及运行费用较为昂贵，故难以推广应用 笔者从废物的综合利用及环境保护的角度，提出利用工业废碱水对 和 同时进行吸收的方法，在填料塔实验的基础上，对 体系进行了实验研究和数值模拟

!碱液吸收 "和 " 的基本原理

碱液吸收 和 ，由于反应机理、反应速率、溶剂的黏度、表面张力和有效接触面积等的变化，

［ ］

都会影响吸收速率 目前，气液反应的传质模型应用比较广泛的是双膜论模型 双膜论假定气液界面两

侧各存在一个静止膜，气相一侧为气膜，液相一侧为液膜，而气液两相的物质传递速率仅取决于气膜和液膜的分子扩散速率 带有化学反应的气液反应，不仅存在着气液相间的传递过程，而且在液相中还存在着化学反应 液膜或液流主体中的化学反应减少了被吸收组分的浓度，增加了被吸收组分的推动力，从而加快了吸收速率 当反应属缓慢反应时，吸收反应通常在液流主体中进行；当反应属快速反应时，吸收反应可在液膜中进行完毕；当反应属瞬时反应时，吸收反应则常在界面或液膜中的某一平面上完成

"实验装置与方法

实验设计填料塔由硼硅酸盐玻璃制成（图 ），有效填料高度 ，直径 ，塔内为乱堆拉西瓷环（ ） 按图 布置和连接各个管路，检查各部分的气密性 （ ）实验方法实验采用流动循环法，开启 ， 及空气钢瓶，用减压阀调节各自所需流量，来自钢瓶的 和 气体经减压、净化后与压缩空气混合，混合气用转子流量计计量后由塔底进入吸收塔，待气量稳定后，吸收液由高位槽引入，通过流量计控制液体流速 吸收速率由进、出口流量计差值算

收稿日期：

基金项目：国家自然科学基金资助项目（ ， ）；国家高技术研究发展计划（ 计划）项目（ ）

（ ）实验装置

第1期杨兰和等：废碱液同时吸收CO2和H2S方法与传质模型的研究65

出，气体吸收前后CO2及H2S的含量用3420-C型气相色谱仪测定，总硫量用ICP-OES测定.实验中未观察到有碳酸钠及碳酸氢钠析出.所测数据的可靠性通过对吸收液始末组成的分析及物料衡算检验.填料塔在大气压下操作.可变参数有温度（20~70C）、吸收碱液起始浓度（［OH-］，0.1~1.0

、流速（4~15L/1）及气体总流速（0.3m3/1，25C，mol/L）

1X102kPa）.

实验所用氢氧化钠为化学纯，CO2气体纯度大于99.5%.以N2稀释的4.9%H2S标气由北京分析仪器厂配气站配置标定，混配气中，CO2浓度为20%左右，H2S质量分数为0.005~0.009.

图1Fig.1

填料吸收塔实验装置wit1fillingmaterial

!传质模型

!"#

模型的建立

在氢氧化物溶液中，硫化氢和二氧化碳的反应可表示为

CO2+OH-H2S+OH--HCO3+OH--，HCO3

!HS-+H2O，

Testdeviceofabsorptiontower

（1）（2）（3）

2

CO3-+H2O，

2

（4）S-+H2O

反应（1）~（4）的平衡常数分别用 1， 2， 3， 4表示，反应（2）~（4）与扩散速率相比可认为是

HS-+OH-

-］瞬间反应，反应（1）的速率可表示为 1 ［［CO2］［OH-］ （1 1）［HCO3］，其中 为速率常数.

--考虑H2S，HS-，S2-，CO2，HCO3-，CO23，OH的传输过程，对于给定的界面及液相主体的边界条

件，由膜理论知对于任意组分有

d d

） 0，d d

式中， 为浓度； 为扩散度； 为生成速率

［2］

组分 在任意位置的流速可表示为

则吸收过程的稳态物料平衡可表示为

2

d［CO］

［CO2］［OH-］ 0， 2

d

（5）

d

，d

（6）

（7）（8）（9）

22-［S］，d 2

{}d［HS］d［HS］d［S］ { 0，

d d d }

d［CO］d［HS］d［CO［OH］

{

d d d d

222-］-d［CO2］d［HCO3d［CO23］ 0，

d 2 2d 2

2

2

2

2

-2

2-2

2

2

-2

2

1

2

3

4

2

2

2

22

2

2-3］

2

}

（10）

式中， 1， 2， 3， 4代表反应（1）~（4）的反应速率.

由瞬间反应的平衡可得

--［-［［HS-］ ［［OH-］，［CO2，［S2-］ ［OH-］OH-］ 2H2S］3］ ［3HCO3］4HS］

边界条件：

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在液膜边界处，当 时，各组分的浓度等于其在液相主体的浓度值，即［ ］ ［ ］ ，

］［ ］，［ ］［ ］ ［ ］［ ］ ［ ］［ ［ ］ ［ ］ ， ， ， ［ ］ ［ ］ ，

［ ］

在气液界面处，当 !时，

］［ ］［［ ］ ］［， ，

(){}

[(

］ ］ ［［ ［ ］［ ［ ］［］ ］ ，

)()]

(){}

模型的求解

为了求得 及 的脱除效率，可沿塔高将塔分为 等分，高度为 ，在每一个 高度上，各组

分满足以上双膜论及平衡条件，以真实的液相主体浓度及气相分压为边界条件

定义 及 的增长因子 和气相阻力百分数" 分别为

! ，

，

" （ !） ， ， ，

)

式中， !! 为液膜的有效厚度； ， 为液相浓度； 为液膜边界处被吸收组分的浓度； 为液相传质系

数； ， 为气相传质分系数； 为溶解度系数

对于上述微分方程，采用差分数值解法，用差商代替相应的导数，即可将微分方程离散化，在此基础上求解就比较容易了

结果与讨论

定义 的选择系数为 （ ，［（ ，］，其中 ， （ ， ， ） ， ） ， ） ，

出口分压 模型计算及实验结果见表 ， 为组分 的进、

表

!）（ ［ ］

模型实验测试与数值计算结果

（ ） （ ）

实验

计算

!）（ ） （ ［ ］ ）# #（

!

实验计算

实验

计算

） ［ ］ （

!

!为液相中总 浓度；!为液相中总 浓度； !为气相流速； !为液气表观摩尔流速比 注：［ ］［ ］

第 期杨兰和等：废碱液同时吸收 和 方法与传质模型的研究

由表 的实验结果表明：

（ ）相同碱液浓度条件下，气速增大，液气比降低， ， 的脱除率均减小，而 的选择系数提高，说明气速增大有利于 的选择吸收

（ ）在其它实验条件相同的情况下，温度升高， 的脱除率有所减小，而 的脱除率增大， 的选择系数下降，说明升高温度有利于 的吸收 虽然升高温度会使 的溶解度降低，但有利于 反应速率常数提高的因素占主导地位，因此总的效应表现为 的脱除率增大

（ ）由于 与 间的反应为瞬间反应，所以在 与 同时存在时， 优先被吸收 在低碱液浓度时，主要是 被脱除， 脱除率很低 随着碱液浓度的增大， ， 的脱除率均提高，但 的选择系数下降 这时， 的存在对 的脱除率无显著影响，但液相中总 浓度的增加会影响液相的碱度及下一步的固碳反应

（ ）图 为!"和!"随塔高的变化情况 由图 可知， 吸收的增长因子较 吸收的增长因子小得多， 的气相传质阻力百分数远大于 的气相阻力百分数 这充分表明碱液对 的吸收主要受气相

［ ］

传质控制，而 的吸收主要受液相传质控制 吸收过程由气相传质控制还是由液相传质控制，取决于

气相与液相的传质系数比

图

， 吸收的增长因子和气相阻力与塔高的关系

，

表 为不同 脱除率下，模拟煤气的组成及热值变化 由表 可以看出，随着 脱除率的增大，煤气中其它组分含量上升，由于可燃组分 ， ， 含量的增加，煤气热值得到提高 数据显示，当脱除率为 时，煤气热值提高 ；当脱除率为 时，煤气热值可提高 ；而当脱除率大于 时，煤气热值的提高率达 以上

表

!

!

不同 脱除率下模拟煤气的组成及热值

煤气组分

#

!注：! 为 脱除率

煤

语

炭学报

年第 卷

结

在填料塔模型实验的基础上，建立了碱液对 和 同时吸收的数学模型 研究表明，气速增大， ， 的脱除率均减小，而 的选择系数增大 根据实验结果得出，温度升高， 的脱除率降低，而 的脱除率增大， 的选择系数减小；当 与 同时存在时， 优先被选择吸收，在低 浓度时，主要是 脱除，当 浓度较高时， 的选择系数下降 数值模拟结果显示，模型计算值与实验值基本吻合，由此表明本文的实验方法和数值模型的建立是正确的 参考文献：

［ ］［ ］［ ］

朱炳辰 化学工程手册［ ］ 北京：化学工业出版社， 张成芳 气液反应与反应器［ ］ 北京：化学工业出版社， 王志魁 化工原理［ ］ 北京：化学工业出版社，

作者简介：

杨兰和（ ），男，山东禹城人，博士，副教授， 年毕业于中国矿业大学矿山建设工程专业，获博士学位，主要从事煤炭地下气化技术方面的教学与科研工作，发表“报废矿井煤炭地下气化及其产品气的综合利用”等论文近 篇 ： ， ：

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废碱液同时吸收CO2和H2S方法与传质模型的研究

作者：

作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

杨兰和， 刘淑琴， 梁杰， 余力

杨兰和(中国矿业大学,资源与地球科学学院,江苏,徐州,221008)， 刘淑琴,梁杰,余力(中国矿业大学,化工与环境工程系,北京,100083)煤炭学报

JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY2003,28(1)4次

参考文献(3条)

1.朱炳辰 化学工程手册 19912.张成芳 气液反应与反应器 19853.王志魁 化工原理 1987

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引用本文格式：杨兰和.刘淑琴.梁杰.余力 废碱液同时吸收CO2和H2S方法与传质模型的研究[期刊论文]-煤炭学报2003(1)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/t90m.html