为CO₂/CH₄分离而使用空心纤维膜的建模和最佳操作条件

科学领域:

• 化学工程是化学工程的重要组成部分.
• 材料科学 材料科学 材料科学
• 环境科学 环境科学

背景情况:

• 二氧化碳 (CO2) 排放带来了环境挑战,需要有效的捕获技术.
• 密集的空心纤维膜 (HFM) 为气体分离和碳捕获提供了一个有前途的方法.
• 了解影响二氧化碳流量和回收的因素对于优化膜性能至关重要.

研究的目的:

• 用密集的空心纤维膜实验和理论研究二氧化碳捕获.
• 研究二氧化碳度,料压力和温度对二氧化碳流量和回收的影响.
• 开发和验证一个全面的模型来预测通过膜的二氧化碳流.

主要方法:

• 实验室规模的实验使用甲-CO2混合物来模拟天然气.
• 参数研究改变了CO2度 (2-10mol%),料压力 (2.5-7.5bar) 和温度 (20-40°C).
• 基于溶液扩散机制和双吸附模型的综合模型的开发,使用CFD技术 (COMSOL 5.6) 进行模拟.

主要成果:

• 二氧化碳的流量和回收受到料压力和二氧化碳度的显著影响.
• 温度直接影响气体扩散率和质量转移系数,而压力则有相反的影响.
• 在最佳运行条件下 (7.5 bar,30 °C,10 mol% CO2) 的二氧化碳回收率为30.3%.

结论:

• 开发的模型准确地预测了二氧化碳流量,与实验数据有很好的一致性.
• 操作参数显著影响通过空心纤维膜捕获二氧化碳的效率.
• 这些发现为工业气体分离装置的可行性研究和经济评估提供了宝贵的见解.