Эффективное поглощение CO2 с помощью мембранных контакторов с мокрой и падающей пленкой: результаты моделирования и моделирования

Том 13 научных докладов, номер статьи: 10994 (2023) Цитировать эту статью

530 Доступов

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Авторская поправка к этой статье была опубликована 24 июля 2023 г.

Эта статья обновлена

Выброс чрезмерного количества углекислого газа (CO2) в атмосферу представляет собой потенциальную угрозу благополучию различных видов на Земле, поскольку он способствует глобальной работе. Поэтому необходимо принять соответствующие меры по снижению выбросов CO2. Мембранный контактор из полых волокон — это новая технология, сочетающая в себе преимущества процессов разделения и химической абсорбции. В этом исследовании изучается эффективность мембранных контакторов с мокрой и падающей пленкой (FFMC) в повышении поглощения CO2 в водном растворе моноэтаноламина (МЭА). Анализируя такие факторы, как площадь поверхности мембраны, скорость потока газа, скорость потока жидкости на входе, время контакта газ-жидкость и загрузка растворителя, мы исследуем процесс поглощения CO2 в обоих контакторах. Наши результаты показывают явное преимущество FFMC: впечатляющая эффективность удаления CO2 составляет 85% по сравнению с 60% при использовании влажных мембран. Мы используем программное обеспечение для моделирования COMSOL Multiphysicals 6.1 и метод конечных элементов для проверки наших выводов, демонстрируя близкое соответствие между прогнозируемыми и экспериментальными значениями со средней относительной ошибкой примерно 4,3%. Эти результаты подчеркивают значительные перспективы FFMC для приложений по улавливанию CO2.

На массоперенос и гидродинамические характеристики сепарационных устройств, используемых в процессах абсорбции газов, влияют несколько решающих факторов. К этим факторам относятся площадь контакта газа с жидкостью, коэффициенты массообмена и перепад давления1. Мембранные контакторы (МК) привлекают внимание в пилотных и промышленных масштабах, особенно для улавливания углерода2, что снижает потребление энергии и стоимость. Проблемы включают смачивание пор, выбор растворителя и засорение потенциальными решениями. В обзоре освещаются принципы работы, сравнения с газоразделением, конструкции модулей и коммерческое внедрение3,4,5. Они состоят из пористой мембраны, которая действует как физический барьер между газовой и жидкой фазами, обеспечивая избирательную передачу газов и предотвращая смешивание двух фаз. Эта уникальная структура обеспечивает ряд преимуществ в отношении скорости массообмена и эффективности процесса6. MC имеют значительную площадь межфазной границы, что способствует эффективному массопереносу и позволяет эффективно удалять из газовых потоков такие примеси, как CO2 и H2S.

Кроме того, MC демонстрируют низкие перепады давления, что снижает энергопотребление и эксплуатационные расходы7,8. MC были исследованы для замены традиционных насадочных колонн при улавливании углерода и удалении диоксида серы9. В целом, использование MC представляет собой многообещающий подход к массопереносу газа и жидкости в различных отраслях промышленности, и необходимы дальнейшие исследования для оптимизации их производительности и коммерческой жизнеспособности10,11,12,13. Гидрофобные полимерные материалы, такие как полипропилен, политетрафторэтилен и поливинилиденфторид, являются наиболее распространенными гидрофобными мембранами, используемыми в процессах поглощения CO214. Мембранные контакторы, состоящие из нескольких собранных полых волокон, имеют большую удельную площадь поверхности, обеспечивая большую площадь поверхности контакта газ-жидкость15,16,17,18. В процессе мембранной абсорбции с использованием гидрофобных мембран абсорбируемый газ сначала переходит из объемной газовой фазы к границе газ-мембрана, а затем диффундирует через поры мембраны к границе раздела газ-жидкость, где происходит абсорбция19. Общий процесс массообмена включает три последовательных сопротивления: сопротивление газовой фазы, сопротивление мембраны и сопротивление жидкости. В идеале поры мембраны заполнены газом и препятствуют проникновению жидкости, чтобы обеспечить низкое сопротивление массообмену. Однако большинство полимерных мембран, используемых для мембранной абсорбции, склонны к намоканию в течение длительного периода эксплуатации, что может отрицательно повлиять на их характеристики20.