40000Nm3h變換氣MDEA法脫碳車間工藝設(shè)計含2張CAD圖,nm3h,換氣,mdea,脫碳,車間,工藝,設(shè)計,cad 一種解決用MDEA水溶液吸收CO2模型的新方法 鐘戰(zhàn)鐵，李偉，施耀，何鋒和周明華 中國，杭州310027，浙江大學，環(huán)境工程系 摘要 拍攝方法和差分方法被用于用MDEA水溶液吸收CO2的數(shù)模擬。這表明，這些方法可用于穩(wěn)態(tài)模型，該模型可以用帶有兩個邊界值的微分代數(shù)方程表示。這個方法不僅使獲得MDEA系統(tǒng)濃度分布成為可能，而且還揭示了CO2表面濃度對增強因子的影響。有了這個數(shù)值模擬，多組分擴散和反應(yīng)的傳質(zhì)過程能得到更好的理解。 1 引言 像用醇胺吸收CO2和用堿溶液吸收H2S之類的化學吸收廣泛應(yīng)用于工業(yè)。有必要使用傳質(zhì)速率模型，這可以采用著名模型，滲透和表面更新理論的形式，來預測化學反應(yīng)對吸收過程的影響。然而，一般反應(yīng)方程的模型常伴隨有非線性普通或偏微分方程。由于很難得到它們的解析解，數(shù)值解就認為是不尋常的。佩里和皮福德，科里斯等和費斯泰赫等，研究了有關(guān)計劃涉及一個反應(yīng)模型的數(shù)值方法。格拉斯卡克和羅謝爾，翰格威徹等和林克等通過使用代碼DASSL和DDASSL得到了多組分擴散和反應(yīng)的解決方案。然而，這些代碼有些局限性。例如，他們只能用于初值問題，以及需要嚴格的方程形式。 用MDEA水溶液吸收CO2是一個典型的伴有多組分反應(yīng)的傳質(zhì)過程。模型理論的基礎(chǔ)上，這個過程可以表示為帶有兩點邊界值的微分代數(shù)方程組。雖然那個模型被認為是一個簡單的模型之一，但要解決這個問題是不容易的。為了獲得描述這種傳質(zhì)速率模型的可行方法，在這個文件中用兩個不同的數(shù)值方法來解決這個問題。 2 用MDEA吸收CO2的模型 CO2溶于一個三級醇胺—MDEA的水溶液時會發(fā)生如下反應(yīng)【5】 (1) (2) (3) (4) (5) 因為在模擬條件下水合氫離子的濃度很低，所以反應(yīng)（5）可以忽略不計。為方便起見，對化學物質(zhì)的濃度表示為：cl=[CO2]，c2=[MDEA]，c3=[MDEAH+]，c4=[HCO3-]，c5=[OH-] 和 c6=[CO32-]。液體體積濃度表示為(i=1,2,3,…,6)。這樣，可得到下面的方程。 所有碳（從CO2）守恒： （6） 所有MDEA守恒： （7） 電中性平衡： （8） 所有的反應(yīng)處于平衡狀態(tài) （9） 表 1 MDEA系統(tǒng)的模擬參數(shù) 參數(shù) 方程 溫度范圍，K 參考 k1 k1=4.01×108×e-5400/T 293—353 Ko and Li[9] k2 lg k2=13.635-2895/T 273—313 Pinsent et al.[10] K5 lgK5=8909.483-142613.6/T+ 4229.195lgT+9.7384T-0.0129638T2 +1.15068×10-5T3-4.602×10-9T4 293—573 Oloffson and Hepler[11] K2 lg (K2K5)=179.648+0.019244T- 67.341lgT-7495.441/T 293—523 Simulated from the data of Read[12] K3 lg(K3K5)=6.498-0.0238T-2902.4/T 293—323 Danckwerts and Sharma[13] K4 lg(K4K5)=14.01+0.018T 298—333 Barth et al.[14] K1 K1=K2/K4 293—323 DMDEA DMDEA=1.739×10-9μ-0.569842T Hagewiesche et al.[5] (10) (11) 前兩個反應(yīng)的反應(yīng)速率都有限，其如下： (12) (13) 下面的方程描述擴散/反應(yīng)過程： CO2守恒 (14) 所有碳（來自CO2）守恒 (15) 所有MDEA守恒 (16) 電中性平衡 (17) 假設(shè)快反應(yīng)（3）和（4）處于平衡態(tài) (18) (19) 用來描述模型的是方程（14）—（19），以及以下兩個邊界條件： 在 y=yL 處， （20） 在y=0處 ，假定沒有氣相傳質(zhì)阻力，則 （i=2,3，…，6）， （21） 一些模型參數(shù)的表達式見表1。 一氧化二氮類比方法用來估算二氧化碳在MDEA水溶液中的溶解度（H1）及擴散系數(shù)（D1）[15]。MDEA溶液的粘度可從Al-Ghawas等[5]的工作中得到，而且假定其他物質(zhì)的離子擴散系數(shù)等于MDEA的[5]。 在T=318K時，由格拉斯卡克和拉羅謝爾[4]得到的參數(shù)用來比較我們的結(jié)果與由代碼DASSL獲得的結(jié)果 [4] 。 3 模型的數(shù)值解 3.1 射擊方法 射擊是一種已被廣泛使用于邊界值問題的方法之一[16]，我們可以通過引入變量V = [v1，v2，v3]T把二階微分方程（14）和（15）降為一階的，而微分方程（16）和（17）可以轉(zhuǎn)化為帶有邊界條件的代數(shù)方程。因此，這個模型可以表示為： (22) 對于給定值(在y=yL 處的V值)，我們能通過解初值問題得到W*（在y=0處的W值）。因為W*取決于X，因此必須求出方程（23）的X解以使方程（22）滿足邊界條件方程（20）和（21）。 (23) 以上方程可以通過牛頓方法解得 ,k=0,1,2… (24) 其中是的雅可比矩陣，其元素可近似表示為： (25) 這些過程可以用圖1給出的Matlab R12來完成。該模型采用射擊法的解決方法如圖2所示。 圖 1 用射擊方法模擬的流程圖 圖 2 用模擬理論方法得到的MDEA系統(tǒng)濃度分布 3.2 差分法 我們把區(qū)間[0,yL]劃分為N部分以對微分方程進行離散。 ， 或（j=1,2，…，N） (26) 方程（22）可在第j個點轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的微分方程，如果C的衍生物由方程式（26）所取代，邊界條件如下： (27) 因此，因此，我們有（9×N+9）個可用牛頓法求解的代數(shù)方程。當二氧化碳濃度分別為0.3mol/m3和3.0mol/m3時，一些化學物質(zhì)的濃度分布由圖3給出?？梢园l(fā)現(xiàn)在相同條件下由射擊方法和差分方法得到的結(jié)果相當吻合。 圖 3 兩界面處CO2濃度分布 因為可以由CO2濃度分布得到，所以我們根據(jù)方程（28）在圖5中表明CO2界面濃度對提高因子（E）的影響。 (28) 其他濃度分布也由來自格拉斯卡克等參數(shù)得到了。圖4和5顯示了這個工作和DASSL給出的結(jié)果之間很好的一致性。 圖 4 CO2界面濃度對MDEA系統(tǒng)的影響 4 結(jié)論 （1）在相同條件下，由射擊法和差分法得到的濃度分布吻合的很好。而且CO2界面濃度對提高因子的影響與格拉斯卡克等給出的一樣。這些結(jié)果表明射擊法和差分法都可用來解決這個嚴格模型。而且他們提供了一個可靠的方式來理解MDEA水溶液吸收二氧化碳。然而，有必要進一步實驗以確定是否膜模型能相當合理地代表吸收過程。 （2）射擊法和差分法都得到非線性代數(shù)方程組。這表明，當使用牛頓方法時，任意初值對這些方程的穩(wěn)定性影響很大。然而，我們可以使用改良牛頓法，或選擇合適的微分方程和步驟，以減少在某些情況下對初始值的依賴。 （3）對于一個非穩(wěn)態(tài)模型（），像這樣的離散方法可用來把非穩(wěn)態(tài)模型變?yōu)榉€(wěn)態(tài)模型。從某種意義上說，這篇文章中討論的方法可能會揭示對于以滲透和表面更新論為基礎(chǔ)的模型德新見解。 名稱表 ci 物質(zhì)i的液相濃度，mol·m-3 CO2的界面濃度，mol·m-3 Di 物質(zhì)i在MDEA水溶液中的擴散系數(shù)，m2·s-1 E 增強因子 H1 CO2的亨利常數(shù)，Pa·m3·mol-3 h 溶液中的距離步驟 Ki 反應(yīng)i的平衡常數(shù) ki 反應(yīng)i的速率常數(shù)，m3·mol-1 液相傳質(zhì)系數(shù)，m2·s-1 L MDEA水溶液的CO2含量，mol·mol-1 [MDEA]total MDEA的總濃度，mol·m-3 N 區(qū)間[0,yL]上的點數(shù) 單元表面積上吸收速率，mol·m2·s p1 CO2的分壓，Pa Ri 反應(yīng)i的反應(yīng)速率，mol·m3·s-1 T 絕對溫度，K t 時間，s y 距離變量 y/yL 距界面的因次距離 一階微分算子， 2 二階微分算子， ε 給定的精度 τ 步驟時間，s μ MDEA溶液的粘度，Pa·s