关键词CO2捕集纳米流体TiO2COMSOL气液传质一、文章简要介绍二氧化碳捕集是碳中和的关键环节传统胺溶液吸收剂有腐蚀设备、再生耗能高的毛病。这篇Scientific Reports文章换了个思路往水里加二氧化钛纳米粒子让纳米流体去吸收高压CO2并用COMSOL把整个过程算出来。作者来自阿联酋大学文章2021年发表在Scientific Reports第11卷1984篇DOI10.1038/s41598-021-81406-1。纳米粒子为什么能帮忙论文考虑了两种机理一种是微对流纳米粒子布朗运动搅动周围液体让气液传质变快另一种叫穿梭机理纳米粒子来回跑在气液界面吸CO2、回到液体深处再放出来。模型把釜内分成气体区、液体区和粒子周围的密相区三个子域在柱坐标里解瞬态传质方程。图1 高压搅拌釜实验装置与建模区域示意气体区、液体区与纳米粒子密相区图1是实验装置示意高压搅拌釜里放500毫升水基纳米流体抽真空后充纯CO2磁力搅拌器控制转速夹套循环水控温。纳米流体用超声处理器分散30分钟以上保证均匀。二、仿真步骤步骤一写出三个区域的传质方程。气体区CO2靠扩散输运液体区是普通组分扩散密相区多了一项粒子表面的吸附汇项。界面处用摩尔通量衔接粒子表面的吸附量用Langmuir等温线描述。步骤二确定关键参数。布朗扩散系数用Einstein-Stokes公式算和温度成正比、和黏度粒径成反比体积传质系数由实验拟合混合速率用转速乘圆周率换算。图2 COMSOL算出的CO2浓度分布随时间演化气相浓度从80降到约50摩尔每立方米液相浓度随吸收上升图2是模型算出来的浓度场这是论文里最有画面感的结果。气体区初始浓度80摩尔每立方米随时间降到50左右液体区浓度一路上升搅拌能让浓度分布更均匀。步骤三在COMSOL里用有限元解方程组。模型是轴对称的二维近似时间上做瞬态求解把每个时刻的压力和浓度都算出来再和实验点对比。图3 不同TiO2浓度下CO2压力随时间变化实验点与模型曲线对比120转每分钟图3先看浓度的影响。0.1wt%左右效果最好再往上加粒子吸收率反而下降。原因是粒子太多会互相挤自由间距变小、布朗运动被抑制液体黏度也变大。三、关键结果与发现第一个结果TiO2浓度有个最优窗口。低于0.005wt%粒子太少没作用0.005到1wt%区间吸收率随浓度上升超过临界值后粒子间距变小、局部对流减弱吸收率掉头向下。第二个结果混合转速不是越快越好。转速常数从0提到0.160分钟后釜内压力从171千帕降到166千帕再从0.1提到0.2只多降1千帕。中速搅拌让粒子充分接触CO2又不打散气液界面。图4 无搅拌工况下模型预测与文献实验对比不同TiO2浓度、10纳米粒径、25度图4是模型和文献数据的对照零搅拌工况下模型曲线和实验点基本重合说明方程写对了。第三个结果初始气压越高吸收越快。压力增大浓度梯度驱动力变强高气压还会压碎粒子团聚露出更多吸附表面。图5 混合速率对CO2压力下降的影响转速从0升到0.1效果明显再往上收益变小图5展示转速的影响规律中速区是性价比最高的操作点。第四个结果粒径越小越高效。Einstein-Stokes公式里扩散系数和粒径成反比10纳米的粒子比大粒子跑得快、传质贡献大模拟和文献数据都支持这个结论。图6 初始气压对压降速率的影响无搅拌、10纳米、0.1wt%负载图6是无搅拌下不同初始压力的压降曲线斜率随初始压力明显变陡。图7 粒径对CO2吸收的影响模型预测与文献实验一致10纳米最优图7对比不同粒径的模型预测与文献实验10纳米粒径的压降最快。四、我们提供的服务我们可提供以下仿真服务①COMSOL多物理场建模与仿真②气液传质与反应器模拟③纳米流体传热传质分析④CO2捕集工艺仿真咨询。如有类似模拟需求欢迎私信聊聊。
