Сравнение вычислительной гидродинамики распространенных жидких абсорбентов для отделения кислых загрязнителей SO2 внутри мембранного контактора

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 1300 (2023) Цитировать эту статью

618 Доступов

1 Цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

В последние годы выбросы в атмосферу вредных кислотных загрязнителей вызвали обеспокоенность учёных. Диоксид серы (SO2) является вредным парниковым газом, аномальный выброс которого в атмосферу может вызвать далеко идущие последствия для окружающей среды и здоровья, такие как кислотные дожди и проблемы с дыханием. Поэтому поиск перспективных методов сокращения выбросов этого парникового газа может иметь очень важное значение для защиты окружающей среды. Целью данной статьи является оценка потенциала трех новых абсорбентов (морской воды (H2O), диметиланилина (DMA) и гидроксида натрия (NaOH) для отделения кислого загрязнителя SO2 от газообразного потока SO2/воздуха внутри половолоконного мембранного контактора (HFMC). Чтобы достичь этой цели, для прогнозирования результатов было разработано моделирование на основе CFD. Кроме того, математическая модель была применена для теоретической оценки уравнений переноса в различных отсеках контактора. Сравнение результатов показало, что морская вода является наиболее эффективным поглотителем жидкости для разделения SO2. После морской воды NaOH и DMA занимают второе и третье место (99,36% разделение с использованием морской воды > 62% разделение с использованием NaOH > 55% разделение с использованием DMA).Кроме того, влияние эксплуатационных параметров (т.е. расхода газа и жидкости) скорости), а также параметры мембраны/модуля (т.е. длина мембранного модуля, количество полых волокон и пористость) на процент отделения SO2 исследуются как еще один важный момент в этой статье.

В последние годы сжигание ископаемого топлива известно как одна из важных причин антропогенных выбросов парниковых газов в атмосферу1,2,3. Диоксид серы (SO2) является важным парниковым газом, выброс которого в атмосферу может привести к различным неблагоприятным последствиям для здоровья человека и экосистемы, включая проблемы с дыханием, приступы астмы, городской смог и кислотные дожди4,5. При выбросе этого кислого газа в атмосферу образуются триоксид серы (SO3) и серная кислота (H2SO4), которые можно назвать вторичным источником загрязняющих веществ. Аномальное осаждение этих вторичных загрязнителей вызывает подкисление водных источников и наносит ущерб сельскохозяйственным культурам6,7. Таким образом, разделение этих вредных загрязнителей приобрело первостепенное значение из-за строгих экологических норм во всем мире8,9.

Мембранная абсорбция газа с использованием микропористого половолоконного мембранного контактора (HFMC) известна как надежная альтернатива распространенным процессам разделения парниковых газов, таким как криогенная дистилляция, колонна с насадочным слоем, колонна распыления и адсорбция10,11,12,13,14. В последнее время HFMC представляют большой интерес в качестве массообменного устройства из-за наличия различных преимуществ, таких как постоянные площади межфазной поверхности, гибкость эксплуатации, а также простота масштабирования и независимая регулировка потоков газа/жидкости15,16,17,18. Важная роль мембранных материалов в отделении кислотных загрязнителей неоспорима. В последние годы полипропилен (ПП), поливинилиденфторид (ПВДФ), полиэфирсульфон (ПСФ) и политетрафторэтилен (ПТФЭ) являются одними из наиболее часто используемых материалов для изготовления гидрофобных мембран13,19,20,21,22,23. Правильный выбор химического поглотителя является важной обязанностью исследователей и ученых для повышения эффективности отделения парниковых газов. Существование некоторых преимуществ, таких как экологичность, подходящая селективность, отличная эффективность и разумная стоимость, может повысить популярность жидкого поглотителя для использования в процессах абсорбции газа на основе мембран14,24.

CFD — это новая отрасль науки, которая обладает большими возможностями прогнозировать явления потока жидкости на основе законов сохранения25,26,27. Благодаря неоспоримой пользе подхода CFD для различных перерабатывающих отраслей, в последние десятилетия произошло его быстрое развитие и широкое применение28,29. Постоянное развитие инструментов CFD и их растущая способность прогнозировать результаты с меньшими затратами значительно увеличили популярность этого подхода среди исследователей различных научных сфер30,31,32,33,34. В случае мембранного процесса абсорбции газа применение метода CFD для анализа основных уравнений переноса через разные стороны HFMC стало многообещающей альтернативой для снижения стоимости экспериментальных исследований35,36,37.