（环境工程专业论文）间歇式鼓泡塔物理吸收生物气中co2试验研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 综合所有因素，循环气量为2 5 m 1 s ，处理效果最佳。 单位液体c 0 2 吸收量在气液比1 ：4 时最大，气泵能耗在气液比在1 ：9 时最小，气液比对0 0 2 总平均吸收速率、c 0 ：吸收率无显著影响。综合所 有因素，气液比为1 4 时，处理效果最佳。 试验表明，在填料量为o l ，循环气量为2 5 m 1 s ，气液比为l ：4 时， 为降低a s b r 反应器产生的沼气中c 0 。含量的最优工艺条件。 在解吸过程中，l h 后的解吸速率趋向零，即经过1 h 后，解吸过程结 束，鼓泡塔中的溶液可以重新作为吸收剂进行二氧化碳吸收。 关键词：c 如吸收，填料，循环气量，气液比 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 a b s o r p t i o n o f c 0 2 i nb i o g a sb y d 盯甩r t t e n tb u b b u n gt o 慢| r t h ec o s to fa l k a l i - c o n t a i n i n gs u b s t a n c ew a sag r e a te x p e n d i t u r ei nt r e a t i n g w i t hs o m ew a s t ew a t e rw i t hc a r b o h y d r a t eb ya n a e r o b i cb i o l o g y t h ef a r et h a t c o s to np u t t i n ga l k a l i c o n t a i n i n gs u b s t a n c ew a sc o m p a r e dw i t ht h ev a l u eo f 傩4t oe s t i m a t et h ee c o n o m i c a lf e a s i b i l i t yo ft h ea n a e r o b i ct e c h n i c s a b s o r p t i o nc 0 2o f t h e g a s i sam e t h o dt od e c r e a s et h ed e m a n do f a l k a l i - c o n t a i n i n gs u b s t a n c e t h ep u r p o s eo ft h i ss u b j e c tw a st h a tt h ec o n t e n t o fc 0 2i nt h em e t h a n e ( a b o u t5 0 ) w h i c hp r o d u c e sb ya s b rr e a c t o rr e d u c e t o1 0 2 0 t h r o u g ht h eg a sa b s o r p t i o ne q u i p m e n ti no r d e rt od e c r e a s et h e d e m a n do fa l k a l ic o n t a i n i n gs u b s t a n c e i nl a b s c a l e ，c i r c u l a t i n gg a s , d i x o nf i l l i n gm a d ew i t hs t a i n l e s ss t e e l , b u b b l ec o l u m n sw o r eu s e di nt h i se x p e r i m e n t t h ei n f l u e n c eo ft h ep a d d i n g q u a n t i t y , t h ec i r c u l a t i n gf l o wr a t ea n dt h er a t i oo fg a s t ow a t e rt ot h eg e n e r a l a v e r a g ea b s o r p t i o nr a t eo fc 0 2 ，t h ea b s o r p t i v i t yo fc 0 2 ，t h ec a p a b i l i t yo fa u n i to fl i q u i do na b s o r p t i o no fc 0 2 ，t h ep r e s so fc 0 2a f t e rt h er e a c t i o na n dt h e c o n s u m eo fp o w e rb yt h ea i rp u m pw e r es t u d i e di nt h i se x p e r i m e n t i tw a s d o n et of i n dt h eb e s tc r a f tc o n d i t i o nt h a tc a nd e c r e a s et h eq u a n t i t yo fc 0 2i n 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h em e t h a n ew h i c h p r o d u c e di nt h ea s b r r e a c t o r i nt h ee x p e r i m e n t , t h ea b s o r p t i v i t yw a sb e t w e e n5 4 9 6 7 2 t h e i m p o r tc o n t e n to fc 0 2w a sb e t w e e n3 3 7 5 1 7 ，a n dt h ee x p o r tc o n t e n t o fc 0 2c a nr e a c ht o1 0 2 0 s oi ti sf e a s i b l et oh a v et h et a pw a t e ra s a b s o r b e n ta n dc h o o s et h eb u b b l ec o l u m n sa st h ea b s o r p t i o ne q u i p m e n t t h ec a p a b i l i t yo fau n i to fl i q u i d0 1 1a b s o r p t i o no fc 0 2w 舔t h eb i g g e s t w h e nt h eq u a n t i t yo fp a d d i n gw a s2 o l t h ec o n s u l l l eo fp o w e rb yt h ea i r p u m pw a st h el e s tw i t ht h eq u a n t i t yo fp a d d i n gw a so l t h eq u a n t i t y o f p a d d i n gh a v ef e wi n f l u e n c eo nt h eg e n e r a la v e r a g ea b s o r p t i o nr a t eo fc 0 尘、 t h ea b s o r p t i v i t yo fc 0 2a n dt h ep r e s so fc 0 2 一a f t e rt h e r e a c t i o n i ng e n e r a l s p e a k i n g ，t h eo p t i m u mp a d d i n gq u a n t i t yi so l t h eg e n e r a la v e r a g ea b s o r p t i o nr a t eo fc 0 2 、t h ec a p a b i l i t yo fat m i to f l i q u i c io na b s o r p t i o no fc 0 2 w e r et h eb e s t - a n dt h ec o i i $ 1 1 i i i eo fp o w e rb yt h e a i r p u m pw i t st h el e s t w h e nt h ec i r c u l a t i n gf l o wr a t ew 弱2 5 m l s t h e c i r c u l a t i n gf l o wl a t eh a v ef e w i n f l u e n c eo i lt h ea b s o r p t i v i t yo fc 0 2 i ng e n e r a l s p e a k i n g ，t h eo p t i m u mc i r c u l a t i n gf l o wr a t ei s2 5 m l s t h ec a p a b i l i t yo fau n i to fl i q u i c lo na b s o r p t i o no fc 0 2w a st h eb i g g e s t w h e nt h er a t i oo fg a st ow a t e rw a s1 ：4 t h ec o l l s u m eo fp o w e rb yt h ea i rp u m p w a st h el e s tw i t ht h er a t i oo fg a st ow a t e rw a s1 ；9 t h er a t i oo fg a st ow a t e r h a v ef e wi n f l u e n c eo nt h eg e n e r a la v e r a g ea b s o r p t i o nr a t eo fc 0 2 、t h e a b s o r p t i v i t yo fc 0 2 i ng e n e r a ls p e a k i n g ，t h eo p t i m u m r a t i oo fg a st ow a t e r 太原理工大学硕士研究生学位论文 i s l ，4 t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e s ：t h eb e s tc r a f tc o n d i t i o no fr e m o v i n gt h e q u a n t i t yo fc 0 2i nt h em e t h a n ew h i c hp r o d u c e di nt h ea s b rr e a c t o rw a st h a t t h ep a d d i n gq u a n t i t yi s0 l , t h ec i r c u l a t i n gf l o wr a t ei s2 5 m l s ，t h er a t i oo fg a s t o w a t e r i sl 4 i nt h ed e s o r p t i o np r o c e s s ，t h es p e e dr u nt oz e r oa b o u ta nh o u rl a t e r i n o t h e rw o r d s ，t h ed e s o r p t i o nw a sc o m p l e t ea f t e ra l lh o u r , t h el i q u i di nb u b b l e c o l u m n sc a l lb er e u s e dt oa b s o r p t i o na g a i n k e y w o r d s ：a b s o r p t i o no fc a r b o nd i o x i d e ，p a c k i n gm e d i a , c i r c u l a t i n g 繁 f l o wr a t e ，r a t i oo fg a st ow a t e r 譬 v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文。是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外。本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：圣塾毡 日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文： 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： 导师签名： l ：l 盛。选 缉 日期：o ! ! 苎j 乙 嗡j 州一f j ，乙 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 研究课题的提出及意义 第一章引言 厌氧生物处理某些固有碱度含量较少的废水时，投加碱度是一项主要的花费。常 用投加碱度的费用与所产生甲烷的价值进行比较，以评价厌氧工艺处理某种废水的经 济可行性。投加7 0 m g l n a o h 形式碱度的费用与1 0 0 0 m g l c o d 的甲烷产量等价，所以 废水中需要有1 4 0 0 0 r a g lc o d 才能抵消投加n a o h 使碱度保持1 0 0 0 m g l ( 以c a c o ，计) 的费用这意味着对于低c o d 浓度废水而言，由于甲烷生成量少，投加碱度的费用很 容易超过废水中产生甲烷的价值采取适当的控制手段可以限制厌氧反应器潜在的 挥发酸浓度偏移，在良好运行的反应器中v f a 浓度较低，主要的碱度需求用于中和反 应器中高c 0 2 分压由0 4 a r m 减到0 1 a t m ，在保持同样的p h 值下，可以节省碱度 1 8 0 0 m g l 从理论上讲，c q 比c h 。有更高的溶解度( 相差7 0 多倍) ，将沼气通过一个 液体吸收系统将c o , 吸收后，循环进入反应器的纯c h , 气体会使液相c 晚减少很多，因 而减少碱度的需求量 基于以上目的，本研究将a s 昧反应器产生的沼气( 约5 0 c 嘎) 通过气体吸收装 置，使c o , 分压降低到l o 2 0 1 2 研究的目的及研究内容 本课题研究的目的是： ( 1 ) 考察以水作为吸收剂，采用气流循环的鼓泡塔气体吸收装置降低a s b r 反应器 产生的沼气中c o , 含量的可行性。 ( 2 ) 寻求降低a s b r 反应器产生的沼气中c 0 - 含量的最优工艺条件 太原理工大学硕士研究生学位论文 研究内容包括： ( 1 ) 研究利用自来水作为吸收剂，采用循环气流的鼓泡塔气体吸收装置来降低 a s b r 反应器产生的沼气中c 0 2 含量的可行性。 ( 2 ) 筛选降低a s b r 反应器产生的沼气中c 0 2 含量的最优工艺条件； ( 3 ) 吸收液再生回用的工艺条件：。 ( 4 ) c 0 2 吸收动力学分析。 。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 二氧化碳的吸收途径 第二章文献综述 2 1 1 概述 在制氢、合成氨生产、有机合成、钢铁生产等过程中，都要涉及二氧化碳脱碳这 一项重要的工艺过程由于原料气的组成不同，其脱除二氧化碳的方法也不尽相同， 归纳起来可分为以下几种： ( 1 ) 物理吸收法；水洗法，碳酸丙烯酯法，低温甲醇法等； ( 2 ) 化学吸收法：本菲尔法及其改良法，复合催化法，空闻位阻胺法，b v 钾 碱液法，氨水法等； ： 。 ( 3 ) 物理化学吸收法：环丁砜一乙醇胺法； 2 1 1 1 各种脱除c o , 过程的要求枷 ( 1 ) 制t t , 、n i l , 合成气c 0 2 ； 4 4 一二氧化碳摩尔质量( g t 0 0 1 ) 。 3 3 1 4 注意事项 ( 1 ) 被测水样不宣过滤，并且移取和滴定时，尽量避免与空气接触，操作尽量快 速以免引起误差 ( 2 ) 根据水中游离二氧化碳的含量，选用不同浓度的氢氧化钠标准溶液。若游离 二氧化碳含量小于i o m g l 宣用o o l m o l l 氢氧化钠标准溶液；大于l o m g l 时，应 采用o 0 5 t o o l l 氢氧化钠标准溶液 ( 3 ) 如果水样在滴定中，发现有浑浊现象，说明水的硬度较大，或含有大量铝离 子、铁离子。可另取水样予滴定前施入中性酒石酸钾钠溶液t i n l - , ”以消除干扰， ( 4 ) 分析中均采用无二氧亿碳本 3 3 2 二氧化碳百分含量的测定 ( 1 ) 用l m l 注射器取进气( 或出气) 1 6 1 l ( 2 ) 单击通道a 的红色采样图标，a 采样图标变为黄色，此时工作站处于等待进 样状态。 ，： ，+。 ( 3 ) 注射样品后，同时立即按压遥控开关或单击黄色的a 采样图标，采样图标此 时变为绿色，开始采集并记录信号，采样结束后即出下图3 3 结果 ( 4 ) 图3 _ 3 采样结束后自动生成的结果凰，图上半部分为谱图峰形，左下侧为积 分的运行参数，右下侧为在当前运行参数下的积分结果若积分结果不理想，可修改 左下侧的积分运行参数，方法为用鼠标左键单击左下侧的积分事件窗体中欲修改的参 数，使其颜色变蓝，输入修改后的数值，单击窗体中“保存到方法”左侧的小方框， 单击用当前方法计算快捷键，能够给出在当前运行参数下的积分结果； ( 5 ) 另外，可在图谱窗体中按压鼠标左键，向右拖出一条横线，然后放开，进入 放大图，检查基线及拐点判别情况，可进行手动积分，如图3 4 ，图3 5 。 奎堕里三查兰堡主堑壅生堂笪笙茎 图3 3 采样结束后色谱图 图3 4 色谱图处理过程 f i g u r e3 - 4p t o c e o f c h r o m a t o g r a mt r e a t m e n t 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 4 评价指标 图3 5 处理后的色谱图 f g u m3 - 5c h r o m a t o g r a ma f t e r 臼e a t 咖l 3 4 10 0 2 总平均吸收速率 如平均吸收速率= 墅坚萼需奎地z 塑 例如z 平衡时c 如浓度为1 1 2 m n o l l ，自来水中c o t 浓度为0 1 2 m n o l l ，平衡时 间为20min，则总平衡速率=112mnonll-012mnoll=o050珊llmin 2 0 m i n ， 咂总平均吸收速率是评价鼓泡塔吸收装置工作效率的一项重要指标总平均 吸收速率越高，表明该鼓泡塔吸收装置的工作效率越高。 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 4 2c c h 吸收率 c 吼吸收率= 垄皇皇竖笔喜篙笔麦誓募攀 c o , 吸收率是评价鼓泡塔吸收装置工作效率的另一项重要指标。c 0 2 吸收率越高， 表明该鼓泡塔吸收装置的工作效率越高。 3 4 3 单位液体c 0 2 吸收量 单位液体c o 吸收量即吸收反应达到平衡时，吸收液中c o , 的浓度。 单位液体c 倪吸收量是评价鼓泡塔吸收装置生产能力的一项重要指标。单位液体 c o , 吸收量越大，表明该鼓泡塔吸收装置的生产能力越大。 3 4 4 吸收平衡后c o z 分压 吸收平衡后c o , 分压即吸收反应达到平衡后，混合气中c o , 的百分比浓度 吸收平衡后c 0 - 分压是评价以水作为吸收剂及以鼓泡塔作为吸收装置可行性的一 项重要指标。吸收平衡后c 魄分压达到1 0 2 0 就表明该吸收装置及吸收剂均可行 3 4 5 气泵能耗 气泵能耗= 气泵功率x 平衡时间，而气泵功率为4 5 瓦的定值，所以在分析气泵能 耗时可由平衡时间得到分析结果 ， 气泵能耗是评价鼓泡塔吸收装置经济性一项重要指标。气泵能耗越小表明它的经 济性越好 3 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 1 试验方法 4 1 1 试验条件 第四章单因素析因试验 该单因素析因试验是在循环气量和气液比为定值的条件下，考察填料量对c 0 , 总 平均吸收速率、c o , 吸收率、单位液体c 也吸收量，吸收平衡后c o , 分压及气泵能耗的 影响。取值见表4 一1 。 表 一1 试鞲渗微取值： t a b l e4 - 1d a t eo f t h ep a m m e t e ri nt h e 白币盯揪 名称二取值范目 填料量0 l ，0 5 l ，l o l ，1 5 l ，2 o l 循环气量 5 2 1 s 气液比 l ；6 本单因素试验中，填料因素共有0 l ，0 5 l 。1 o l 1 5 l ，2 o l 五个水平，每个 水平下重复测定次数为4 次，故共有2 0 组试验，详细见跗表1 。 4 1 2 单因素试验原理及试验目的 4 1 2 1 基本原理 所谓单因素试验，就是在一项试验中，使其他因素都尽量维持不变，而只对一个 因素改变其自己的水平时，检验该因素对结果方差的影响是否显著嘲 对某项试验，若设因素a 有p 个“水平”记为a i ( f - 1 , 2 , p ) 。在每个水平下 都重复进行n 次测试，所获数据记为硫，它表示在第i 个水平下，第t 次测定值 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( t 一1 ，2 ，押) ，这样一来就总共获得一p n 个数据。 如果我们将因素a 的每个水平所对应的试验看成是一个总体，即把每一个试验 条件看成一个总体，就得到了p 个总体样本，分别记为x x , x 2 ，x p ，因为各水平下 的试验是独立进行的，故可认为这p 各总体是相互独立的。另外，在实际中，经常遇 到的是正态分布的总体，同时，在安排试验时，其余因素总是尽量使其保持不变，为 此，可认为每个总体正态分布中的方差是相同的，即) 【i n ( 1 1 。，02 ) ，其中l l 。 ( i = 1 ，2 ，p ) 是总体x 1 ，x 2 ，k 各自的均值。上述假设就是进行方差分析的前提条 件。 假设a 对试验结果没有影响，则必有弘。= 1 1 2 _ = l i ，因此，按假设检验的原 理，检验因素a 对试验结果有无影响的问题，便是检验原假设 舯：l i l 2p2 = 2 l i ， 是否成立的假设检验问题。 当拒绝接受原假设时，说明而且仅仅说明因素a 对结果影响显著。 二五昙砉而 c 4 - d 一；- 专套骞( 4 - - 2 ， q 一薹薯瓴一两 ， 式中乏列内( 各个水平) 的平均值； ；全部数据的总平均值 q 一总变差的平方和 q 一套砉k 一三) + 西一而f 一套妻魄一动2 + 2 砉砉瓴一x i x x l 一- ) + 塞砉( - l 一两2 ( 4 3 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 由于砉瓴函2 砉一厩一。 所以q 砉羹瓴函2 扣一两2 如果各组观测值数目均为n ，则可分解为； q 一羹套瓴毛f 扣一- ) 2 即q q e + q i 纯- 砉喜阢彳 仍叫葛一 d 2 ( 4 4 ) ( 4 5 ) ( 4 6 ) 式中q ：j 因索a 的平方和；表示因素丘变化引起自忮差j 玩试验误差平方和，即表示r 次重复测试中出现的偶然误差 q 、q - 、玩的自由度，、，、，4 分别是n - hp - 1 、n - p , ，并有，- ，_ + ，i 为了检验因素a 、b 及交互作用a b 对试验结果的影响是否显著，应求方差： n - 譬n 鲁 j ，( 4 - - 7 ) f - 鲁 。， + c 4 删 在事先给定显著水平a ，从f 分布表上查出自由度为( n l = 厶，n 庐厶) 时的临界值 f ( ，乞) 如果f f ，则认为因素a 对试验结果变差的影响在q 下是显著的，反之， 则不显著。 ， 4 1 2 2 试验目的 一一 该阶段的目标是在填料量为o l ，0 5 l ，i l ，1 5 l ，2 l 的五个水平中筛选出适宣 太原理工大学硕士研究生学位论文 的三个，再作为填料量的三个选择水平进行正交试验中。试验中比较不同的填料量对 c 0 2 总平均吸收速率、c 0 2 吸收率、单位液体c o , 吸收量、吸收平衡后c 嘎分压及气泵能 耗的影响。 4 2 试验结果与分析 4 2 1 填料量对c 0 2 总平均吸收速率的影响 由附表1 单因素试验数据可得表4 - - 2 。 表4 2c 仉总平均吸收速率( 单位：m m o l l m i n ) t a b l e 4 - 2 g e n e r a la v e r a g ea b s o r p t i o n r a t e o f c o z ( u n i t ：m m o l 压? m 曲 、越科量( l ) 。oo 51 o1 52 o 铡定淤 。1o ，0 4 5 60 0 4 6 0o 0 4 0 0 4 3 5o 0 4 9 1 2o 0 4 4 20 0 4 1 9o 0 4 6 70 0 4 6 40 0 4 6 7 暑30 0 4 2 20 0 4 0 0o o oo 0 4 5 zo 0 4 3 3 4 o 0 4 3 20 0 4 6 30 0 4 4 8 0 0 4 4 3o 0 4 5 8 列总计k0 1 7 5 20 1 7 4 20 1 7 8 40 1 7 9 40 1 8 4 9 表4 3c 0 2 总平均吸收速率的单因素方差分析表 t a b l e4 - 3 a n a l y s i so f g e n e r a la v e r a g ea b s m 衄r a t eo f c o z 变差来源 变差平方自由度f方差酽 方差比f 显著性 和口 观测值临界值 列间( 因q 产1 7 8 8 x 4s | 。- = 4 4 7 0 p = s ：7 赘氏( 4 ，1 5 )不显著 素) 1 0 _ 1 0 - ：0 8 7= 3 0 6 列内( 误q f 7 7 0 9 1 5s 1 2 = 5 1 3 9f o ，( 4 ，1 5 ) 差)1 0 一1 0 - - - - - 4 0 5 总计q = 9 4 9 7x1 9 1 0 一 由c o , 总平均吸收速率的单因素方差分析得知，填料量因子的各种水平对c 0 , 总 吸收速率的影响不显著 。 由单因素方差分析可知，在相同的c o , 吸收量下，随着填料量的增加，吸收反应 结束时溶液中c o , 的浓度越来越大，而吸收反应达到平衡的时问越来越长，而c 0 2 总 太原理工大学硕士研究生学位论文 平均吸收速率是由吸收反应结束时溶液中c 0 , 的浓度除以吸收时间得到，所以总体来 讲，c o , 总平均吸收速率不受填料量的影响，即填料量因子的各种水平对c o , 总吸收速 率的影响不显著 4 2 2 填料量对c 0 2 吸收率的影响 由附表一单因素试验数据可得表4 4 表4 4c o l 吸收率( 单位：) t a b l e4 - 4 t l ”曲叩d v i t yo f c 0 2 ( u n i t ：) 、越料量( l ) oo 5l o1 5 。 2 0 测定妄爪 l5 4 9 5 6 65 8 3 5 8 36 1 7 25 5 。l 5 9 65 o ，4 5 8 2 35 8 415 7 66 3 56 0 5 4 5 7 7o6 0 06 0 85 啦o 列总计1 【2 2 6 12 3 9 32 3 6 42 4 3 2 3 9 4 表i 一5c 仉吸收率的单因素方差分析表 t a b l e4 - 5 4 z a l y s i s o f t h ea b s o r p t i v i 鹤o f 犍0 2 变差来源变差平方自由度f方差s 2 ；方差t 匕f显著性 和q观测值，：。临界值 列问( 因q = 4 1 5 2 34s 冬lo 3 8 1 、f - - - s ；譬* r - ( 4 ，埔