使用溶液吸收法的二氧化碳吸收塔的数值模拟与优化，以实现捕获目标

《Journal of CO2 Utilization》：Numerical simulation and optimization of a CO 2 absorption tower using solution absorption method for capture

CO2捕获效率受吸收塔结构参数与操作条件影响显著，通过CFD模拟与实验验证发现：溶液流速0.45-0.55 m/s、气体流速10-11 m/s、CO2浓度<10%、吸收剂浓度≥25%、孔隙率34%-38%、塔高6.5-7.5 m为最优组合，此时捕获效率可达62.96%-98.45%。

　　
本文针对工业气体中二氧化碳捕获效率的影响因素进行了系统性研究，通过实验与计算流体动力学（CFD）模拟相结合的方法，揭示了吸收塔结构参数与操作条件的耦合作用机制。研究团队以甲胺（MEA）溶液为吸收剂，构建了包含吸收塔、再生塔、气液分离器等核心组件的连续化碳捕集实验平台，通过调整溶液流速、气体流速、CO?浓度及孔隙率等参数，系统分析了其对捕获效率的影响规律。

在实验设计方面，采用准连续式操作模式，保持处理能力为100 m3/h，溶液浓度为30%。通过对比不同流速（0.2-0.635 m/s）和温度（36-57℃）下的实验数据，发现溶液流速超过0.5 m/s时，气液界面面积显著下降，导致传质阻力增加。例如，当溶液流速从0.4 m/s提升至0.48 m/s时，捕获效率从56.19%降至48.83%，主要归因于液相停留时间缩短（约30%）和界面湍流强度降低。而温度变化对效率的影响相对缓和，溶液入口温度每升高1℃，捕获效率下降约0.2%，这可能与胺溶液的黏度增加及逆反应平衡移动有关。

数值模拟部分建立了轴对称的吸收塔三维模型，采用两相流模型模拟气液分布。通过网格独立性验证（431,488个网格单元）和误差分析（最大误差2.3%），确认了模型的可靠性。研究重点揭示了孔隙率与塔高的协同优化效应：当孔隙率控制在34%-38%时，气液两相分布趋于均匀，传质效率提升15%-20%。塔高每增加1米，捕获效率提升约5%，但超过7米后边际效益递减。这表明在设备尺寸与成本可控范围内，选择6.5-7.5米塔高可平衡效率与投资成本。

关键发现包括：
1. **流速阈值效应**：溶液流速低于0.5 m/s时，界面更新频率与传质效率呈正相关；超过此阈值后，液相剪切力导致气泡合并，界面面积骤减。最佳溶液流速为0.45-0.55 m/s，此时界面湍动能达到峰值（0.12 m2/s2），传质系数提升30%。

2. **浓度梯度驱动机制**：CO?入口浓度低于15%时，胺溶液的浓度梯度驱动传质效率提升。当CO?浓度降至10%以下时，捕获效率可达63%以上，但浓度低于5%时因传质阻力增大反而效率下降。

3. **温度耦合效应**：溶液入口温度每升高5℃，捕获效率下降约3.5%。但气体入口温度的影响较小（±1℃对应±0.3%效率波动），表明温度控制应优先优化液相温度。

4. **多参数耦合优化**：在最佳操作条件下（溶液流速0.5 m/s，气体流速10 m/s，孔隙率36%，塔高6.5米），CO?捕获效率可达63.2%，较基准工况提升18%。特别在混合胺溶液（MEA-MDEA-PZ三元体系）中，通过优化液相分布使局部浓度梯度提升40%，显著增强传质动力。

研究创新性地提出"双临界参数"控制策略：①液相流速需低于临界值（0.5 m/s）以维持界面湍流，同时高于最低有效值（0.3 m/s）以保障传质速率；②塔高需平衡反应接触时间与设备成本，7米塔高可提供足够的反应时间（液相停留时间达4.2秒），而低于6米时接触时间不足导致未反应CO?残留率增加。

工业应用建议：
- 在20-30%浓度范围内，采用0.45-0.55 m/s液相流速配合10-12 m/s气相流速可优化传质效率
- 搭建高度6-7.5米、孔隙率34-38%的填充床，配合三级湍流促进器（布置在1.2/3.6/5.1米处）
- 温度控制模块需维持液相入口温度在40±2℃，气体入口温度27±1℃
- 每24小时需进行1次浓度梯度校准，确保吸收液中的胺浓度不低于25%

该研究成果为吸收塔设计提供了量化指导标准，特别是在解决高浓度CO?（>15%）捕获难题时，建议采用三元混合胺溶液并配合分层流促进结构，使平均传质效率提升至0.08 kg/(m2·h·atm)。研究结果已应用于某钢铁企业现有烟气的改造工程，使年捕碳量从12万吨提升至17万吨，设备能耗降低18%。