化学吸收法高效捕集二氧化碳的多场耦合行为研究

化学吸收法是捕集二氧化碳的主要方法之一，但是仍然存在解吸能耗过高的瓶颈，制约了其发展。解决该问题的切入点是针对化学吸收法捕集二氧化碳工作过程的多场耦合特点，分析过程高效率的阻力因素，进行过程强化的理论分析与优化。针对已有的以单过程和具体实例为对象研究的移植性差、应用面窄的缺点，以场分析和协同理论为基础，研究化学吸收法捕集二氧化碳的多元混合体系，建立多元系统混合规则，以及反映反应塔器中特性的考虑相界面流动的气液两相流模型和多场耦合系统场协同的优化理论。气液两相模型突破两膜理论中相界面稳定和弱化流场影响的缺陷，以相界面特征方程和基本控制方程为基础，以流场、浓度场和温度场等分析为前提建立封闭数学模型。反应塔器优化以唯象理论为基础，以所建立的场协同方程为模型，获得反映场协同度的协同准则系数描述。基于上述完整理论，实现低能耗、低成本和高效率捕集二氧化碳，达到有效减排温室气体和保护环境的目的。

化学吸收法捕集CO2是控制温室效应的有效方法之一，但是，它的高再生能耗一直制约其广泛应用。为了降低化学吸收法捕集CO2的能耗，本项目以乙醇胺溶液化学吸收法捕集CO2过程为基础，从关键设备塔系统场协同强化和多元溶剂开发两方面，实现化学吸收法高效捕集CO2。建立了吸收过程1-D多场协同模型，提出了协同数协同量化多场，确立了协同数越小、协同性越好的协同准则。基于2-D气液两相流模型，建立了以速度和浓度的场协同方程为优化目标函数的场协同优化模型，优化后CO2脱除效率提高9%。为了强化再生过程，基于场协同分析和氢夹点理论，在塔分析中创新性提出了协同夹点的理论，并形成了协同夹点图形分析法，建立了碳余量和能量余量达到零值时，再生CO2过程性能最优的协同夹点原则。经过协同夹点分析，提出的内环绕壁填料塔较光滑内壁填料塔碳余量和能量余量大幅度降低，同时再生能耗降低10%至14%。提出了多元混合醇胺溶液使用原则，通过协同分子动力学模型分析，获得了三元混合溶液吸收CO2较四元和五元混合溶液具有更高的协同性。通过PIV实验测试，证明了内环绕壁填料塔在捕集二氧化碳系统中协同效应的有效性。上述研究结论对于描述传热传质和反应的耦合具有积极意义，能够促进捕集CO2系统的高效开发，具有重要的理论和工程应用价值。