离子液体构效特征对气泡行为及传递规律影响机制的研究

CO2 separation by ionic liquids(ILs) shows significant technological advantages and promising prospects of industrial applications. Aiming at the key of industrial scale-up, the project will focus on the mechanism and influences of the molecular structures of ILs (conventional ILs, functional ILs and IL-blending solution) on the bubble behavior and transport properties. The novel method is established by integrating the models which describe the microscopic structure-based improved fragment contribution model, reaction model, thermodynamic phase equilibrium model as well as the hydrodynamic models such as VOF model and discrete phase model. With this novel method, the bubble behavior and transport properties based on molecular level will be investigated. Furthermore, the bubble behavior, gas holdup, diffusivity and transport properties will be measured by high-speed camera, electrical resistance tomography and diffusivity measuring instrument. The proposed model will be verified, improved and optimized according to the experimental data. With these research results, the special flow-transport-reaction phenomenon and essential mechanism of ILs will be understood in microscopic level. Afterwards, the established new method for accurately predicting the bubble behavior and transport properties in IL systems will provide important scientific foundation for the development of IL-based technologies on CO2 removal from biogas, shale gas and flue gas.

离子液体法吸收分离CO2具有显著的技术优势和工业应用前景，针对其工程放大难题，本项目采用常规、功能及复配离子液体溶剂，开展离子液体体系构效特征对CO2等气体的气泡行为及传递规律影响机制的研究；通过将表达离子液体微观构效特征的改进离子片预测模型、反应模型、热力学相平衡模型与流体动力学方法中VOF模型、离散相模型等多相流模型相耦合，获得基于分子层次的离子液体中的气泡行为和传递规律；采用高速摄像、电阻层析成像、液相扩散系数测定仪等测定气泡行为、气含率、扩散系数及传质系数，对建立的数值模型进行检验、改进和优化。通过该研究，从微观层次认识离子液体的流动-传递-反应特殊现象和本质规律，形成准确预测离子液体中气泡行为及传递规律新理论和新方法，为离子液体法脱除生物气、页岩气、烟道气中CO2新技术的开发提供重要的科学支撑。

离子液体法吸收分离CO2具有显著的技术优势和工业应用前景，针对其工程放大难题，本项目采用常规、功能及复配离子液体溶剂，开展离子液体体系构效特征对CO2等气体的气泡行为及传递规律影响机制的研究。将离子片热力学与计算流体动力学相结合，提出了针对离子液体体系的FCCS-CFD耦合新方法，与常规CFD方法相比，新方法不仅预测精度更高，而且反映了微观结构对宏观流动的影响规律。此外，研究了离子液体体系的气泡变形规律。通过新建立的离子液体体系气液两相流动新模型，研究了离子液体中单气泡行为。通过适用于离子液体体系的CFD方法，研究了纯离子液体及含水离子液体体系中CO2气泡生长、运动及聚并过程，获得了气泡直径、终端速度和变形率等气泡行为参数。提出了压力梯度场分析方法，揭示了气泡聚并机理。开展了离子液体体系中气泡运动-传递耦合过程研究。实验测定了离子液体吸收CO2过程的相平衡数据和液相传质系数，并建立了适用于离子液体体系的流动-传递耦合模型，考虑了CO2吸收引起的离子液体粘度变化，建立了离子液体体系中CO2气泡的运动、溶解、扩散过程的数值模拟方法，研究了操作压力、温度、离子液体水含量对CO2吸收及液相CO2浓度分布的影响。发现CO2传质在纯离子液体中为动力学控制过程，而在含水离子液体体系中为热力学控制过程。通过该研究，从微观层次认识离子液体的流动-传递-反应特殊现象和本质规律，形成准确预测离子液体中气泡行为及传递规律新理论和新方法，为离子液体法脱除生物气、页岩气、烟道气中CO2新技术的开发提供重要的科学支撑。