在二氧化碳（CO?）吸附过程中，胺溶液对泰勒反应器（Taylor reactor）性能的增强机制

《Fuel Communications》：Enhancement mechanism of Taylor reactor during CO 2 adsorption process by amine solution

本研究采用垂直泰勒反应器探究离心场强化胺溶液CO?捕集机制，考察胺类型、浓度、温度及雷诺数影响。结果表明：MEA溶液吸收速率最快、容量提升3.3倍；离心场（高雷诺数）增强湍流，提高传质系数；最佳吸收温度约50℃；逆流操作因对数平均浓度差增大，传质效率提升显著；CO?浓度升高降低去除效率但增强传质驱动。

　　本研究聚焦于二氧化碳捕集技术中的关键问题，特别是通过胺溶液进行二氧化碳吸收时的增强机制。随着全球气候变暖的加剧，实现碳中和已成为国际社会关注的焦点。在这一背景下，碳捕集、利用与封存（CCUS）技术被视为减少工业排放、应对气候变化的重要手段。目前，全球范围内的碳捕集能力尚不足以满足未来的需求，因此，如何提升捕集效率、降低能耗成为研究的核心方向。

在众多碳捕集技术中，化学吸收因其较高的捕集容量和良好的可行性而备受关注。胺溶液作为化学吸收的常用吸收剂，因其在吸收过程中能够通过化学反应与二氧化碳发生作用，从而实现高效的捕集效果。然而，当前研究多集中于单种胺溶液的性能分析，缺乏对不同胺溶液之间性能差异的系统性比较。此外，虽然吸附设备在捕集过程中发挥重要作用，但多数研究仅关注设备结构设计和操作参数调节，未能深入探讨设备增强机制的本质，这在一定程度上限制了技术的发展。

针对上述问题，本研究引入了一种垂直的Taylor反应器，通过其离心场作用产生Taylor涡旋，从而增强气液混合和传质过程。Taylor反应器因其能够精确控制多种流动状态和条件，已被广泛应用于传热、传质和反应等过程。在本研究中，通过实验和模拟相结合的方式，系统地分析了胺溶液类型、浓度及温度对二氧化碳捕集性能的影响，同时探讨了混合气体特性（如流量和二氧化碳浓度）对吸收效果的作用。此外，研究还对Taylor反应器中的无量纲参数进行了控制，以深入揭示其增强机制，并为开发新型高效二氧化碳捕集设备提供理论依据。

实验部分主要涉及一个完整的实验装置，如图1a所示。该装置包括Taylor反应器、气泡生成装置、胺溶液控制装置以及测量设备。实验中，二氧化碳从气瓶释放后，依次经过流量计、检查阀和控制阀，最终进入Taylor反应器。通过调节反应器中的离心场强度（由雷诺数表示），研究了不同条件下气液接触和传质过程的变化。同时，通过改变气泡生成方式、控制反应器的操作参数，进一步探讨了设备对吸收性能的增强作用。

在分析胺溶液类型的影响时，研究发现MEA溶液在吸收速率、吸收容量和总传质系数方面均优于其他类型。这主要归因于MEA分子的结构特性，其能够通过形成两性离子机制快速与二氧化碳发生反应。此外，研究还表明，在连续操作中，内筒的旋转增强了MEA和DEA溶液的吸收性能，尤其是在吸收时间延长后，吸收剂的浓度变化更加显著。这一现象说明，内筒的旋转能够有效提升气液混合的强度，从而促进传质过程。

在探讨胺溶液浓度对吸收性能的影响时，研究发现随着MEA浓度从2%增加到10%，吸收容量显著提升，达到3.3倍。这一结果表明，提高胺溶液浓度能够增强其吸收能力，尤其是在较高的旋转雷诺数条件下。研究进一步指出，内筒的旋转增加了湍流强度，从而提高了传质效率。同时，随着温度的升高，二氧化碳的吸收容量和总传质系数在初始阶段呈上升趋势，随后逐渐下降，并在约50℃时达到峰值。这一现象说明，温度对吸收过程具有双重影响：在较低温度下，吸收能力随温度升高而增强；而在较高温度下，吸收能力则开始下降。这可能与溶液的粘度变化、气泡的形成方式以及传质动力的变化有关。

此外，研究还发现混合气体中的二氧化碳浓度对捕集效率有显著影响。虽然二氧化碳浓度的增加会降低去除效率，但同时也提高了传质驱动力，从而增强了传质系数，并促进了二氧化碳的吸收。这一结果表明，混合气体中二氧化碳的浓度变化在一定程度上能够影响整个吸收过程，但其影响具有复杂性。因此，在设计和优化捕集设备时，需要综合考虑混合气体的组成和浓度变化，以实现最佳的吸收效果。

在分析气液流动状态对吸收性能的影响时，研究发现当旋转雷诺数增加时，气液接触状态发生变化，从而提高了二氧化碳的吸收容量。这一现象表明，通过改变气液流动状态，可以有效提升吸收效率。同时，研究还指出，在轴向雷诺数为正的情况下，逆流吸收效果更为显著。这主要归因于在逆流模型下，二氧化碳的浓度梯度更大，从而提高了传质驱动力，进而增强了吸收性能。

综上所述，本研究通过引入垂直的Taylor反应器，系统地分析了胺溶液类型、浓度及温度对二氧化碳捕集性能的影响，并探讨了混合气体特性对吸收效果的作用。研究结果表明，MEA溶液在吸收性能方面具有显著优势，而内筒的旋转能够有效增强传质过程。同时，温度对吸收性能的影响呈现非线性特征，而混合气体中的二氧化碳浓度则在一定程度上影响了吸收效率。这些发现为开发新型高效的二氧化碳捕集设备提供了理论支持，并有助于进一步优化现有技术，提高其在工业应用中的可行性。

此外，研究还强调了气液流动状态的重要性。通过改变流动状态，可以显著提升二氧化碳的吸收能力。这一结论表明，优化气液流动状态是提高捕集效率的关键因素之一。因此，在未来的研究中，应进一步探索如何通过调整设备结构和操作参数，实现更高效的气液混合和传质过程。

在实际应用中，二氧化碳捕集技术的推广面临诸多挑战，包括高能耗、高成本以及对储存场地的选择困难。因此，如何降低能耗、提高效率成为研究的重点。本研究通过引入Taylor反应器，为解决这些问题提供了新的思路。Taylor反应器能够通过离心场作用增强气液混合，从而提高传质效率，这一特性使其在二氧化碳捕集领域具有广阔的应用前景。

综上所述，本研究通过系统分析和实验验证，揭示了胺溶液在二氧化碳捕集中的增强机制，并探讨了设备结构和操作参数对吸收性能的影响。这些研究成果不仅有助于提升现有技术的性能，也为未来开发新型高效捕集设备提供了理论支持和实践指导。通过进一步优化设备设计和操作条件，有望实现更高效的二氧化碳捕集，从而为应对全球气候变化和实现碳中和目标做出贡献。