物理性吸收技術之能耗低於二氧化碳化學吸收技術，然而僅適用於高二氧化碳分壓系統。本研究團隊提出創新的二氧化碳併合吸收與氣提薄膜模組(HASMC)，可藉由同時進行吸收與氣提，提升應用於低二氧化碳分壓系統之物理吸收性能。本論文利用氣液通道交錯配置之併合吸收與氣提薄膜模組進行單純吸收(A)、平行式吸收氣提(P-AS)與交錯式吸收氣提(C-AS)三種操作模式之實驗研究，並使用建立於Aspen Custom Model (ACM)平台之數學模式進行模擬研究。本研究使用之物理吸收劑為碳酸丙烯酯與疏水性PTFE薄膜。實驗模組包括液體通道水力直徑高低之兩種模組，CS2與CS1。
實驗研究顯示CS1與CS2之吸收通量強化因子(相對於單純吸收)於平行式操作分別為1.17-1.58倍與1.16-1.61倍，交錯式操作則為1.61-2.21倍與1.55-2.15倍。交錯式之強化效果顯著高於平行式模組，CS2模組之強化效果則略微高於CS1模組。此外，強化效果於較低氣體濃度時較高。模擬與實驗結果相當接近，均獲得吸收與氣提通量均隨煙道氣流速、煙道氣濃度與液體流速之提高而增高。模擬結果也揭露交錯式吸收氣提操作之高強化效果是因吸收薄膜之液體邊界層可經由緊接於吸收薄膜後方之氣提薄膜面氣提操作而獲得有效再生。

Physical absorption for post-combustion carbon capture is less energy consuming than chemical absorption, however, it is only feasible for the treatment of high-partial-pressure carbon dioxide gases. A novel hybrid absorption/stripping membrane contactors (HASMC) is proposed for the treatment of low-partial-pressure carbon dioxide gases. The HASMC can effectively enhance the operation performance by simultaneous absorption and stripping in a single module. In this thesis, experiments of HASMC under three operation modes have been conducted, including pure absorption (A) as well as parallel-type and cross-type absorption and stripping (P-AS and C-AS). Simulation results are presented for these operation modes too. The physical absorbent and the membrane used are propylene carbonate and commercial PTFE (Polytetrafluoroethylene), respectively. Modules with two different hydraulic diameters were used for the experimental study.
The enhancement factors of absorption flux relative to pure absorption for P-AS and C-AS are 1.16-1.61 and 1.61-2.21, respectively. The module with smaller hydraulic diameter gives higher absorption and stripping fluxes. Experimental and simulation results indicate that both absorption and stripping fluxes increase with flue gas flowrate, flue gas concentration and liquid flow rate. The simulation reveals the absorption flux enhancement results from the refreshing of the liquid concentration boundary layer by the stripping membrane immediately following the absorption operation.

目錄

二氧化碳併合吸收與氣提薄膜模組之實驗研究	I
目錄	IV
圖目錄	VII
表目錄	XIV
第一章 緒論	1
1.1 前言	1
1.2 研究動機、範疇與方法	6
1.3 論文組織與架構	6
第二章 文獻回顧	7
2.1薄膜吸收氣提程序	7
2.2薄膜模組之強化設計	9
2.3薄膜模組之模擬	11
第三章 實驗系統	16
3.1併合吸收與氣提薄膜模組	17
3.2藥品、設備與儀器規格	20
3.3量測儀器之操作與數據分析	24
3.4單純吸收操作模式	28
3.4.1實驗系統	28
3.4.2實驗步驟與注意事項	29
3.5平行式併合吸收與氣提操作模式	31
3.5.1實驗系統	31
3.5.2實驗步驟與注意事項	32
3.6交錯式配置併合吸收與氣提操作模式	34
3.6.1實驗系統	34
3.6.2實驗步驟與注意事項	35
第四章 實驗結果	36
4.1單純吸收操作模式(CS-A)實驗	36
4.2平行流模式(CS-P-AS)實驗	44
4.3交錯流模式(CS-C-AS)實驗	54
4.4不同操作模式之性能比較	63
第五章 數學模式	66
5.1單純吸收模式	66
5.2平行式併合吸收氣提	68
5.3交錯式併合吸收氣提	71
5.4 薄膜與流體性質	74
第六章 單純吸收模擬結果	79
6.1 液體有效擴散係數	79
6.2單純吸收	81
6.2.1單純吸收基本個案內部分佈	82
6.2.2單純吸收參數影響分析	92
第七章 平行式吸收氣提模擬結果	95
7.1平行式吸收氣提模擬系統	95
7.2平行式吸收氣提基本個案內部分佈	97
7.3平行式吸收氣提參數影響分析	102
第八章 交錯式吸收氣提模擬結果	106
8.1交錯式吸收與氣提模擬系統	106
8.2交錯式吸收氣提基本個案內部分佈	108
8.3交錯式吸收氣提參數影響分析	116
第九章 結論	120
符號說明	122
參考文獻	124

 
圖目錄
圖1.1.1 化學與物理吸收劑吸收能力比較	2
圖1.1.2 化學吸收二氧化碳去除程序	3
圖1.1.3 薄膜接觸器吸收二氧化碳程序	4
圖1.1.4 使用薄膜接觸器之二氧化碳吸收系統	4
圖1.1.5 併合吸收與氣提薄膜模組系統	5
圖2.1 流體通道板	10
圖2.2 網狀間隔物(Phattaranawik et al., 2003a)	10
圖2.3 狹窄通道模擬範圍與邊界定義	13
圖2.4薄膜介面邊界之定義	14
圖3.1.1 併合吸收與氣提薄膜模組-CS1(左)與CS2(右)	17
圖3.1.2 吸收與氣提氣體通道	18
圖3.1.3 間隔板規格與堆疊配置(長度單位為毫米)	18
圖3.3.1 Chittick 裝置	27
圖3.4.1單純吸收操作模式之物流配置	28
圖3.4.1.1 實驗系統配置-單純吸收操作模式	29
圖3.5.1 平行式併合吸收與氣提操作模式之物流配置	31
圖3.5.1.1實驗系統配置-平行式吸收氣提操作模式	32
圖3.6.1交錯式併合吸收與氣提操作模式之物流配置	34
圖3.6.1.1實驗系統配置-交錯式吸收與氣提操作模式	35
圖4.1.1 CS-A基本個案實驗之吸收通量	37
圖4.1.2 CS-A基本個案實驗之吸收效率	38
圖4.1.3 CS-A基本個案實驗之質量平衡誤差	38
圖4.1.4 CS-A改變氣體濃度之吸收通量	39
圖4.1.5 CS-A改變氣體濃度之吸收效率	40
圖4.1.6 CS-A改變氣體濃度之質量平衡誤差	40
圖4.1.7 CS-A改變氣體速度之吸收通量	41
圖4.1.8 CS-A改變氣體速度之吸收效率	42
圖4.1.9 CS-A改變氣體速度之質量平衡誤差	43
圖4.2.1 CS-P-AS基本個案實驗之吸收通量	45
圖4.2.2 CS-P-AS基本個案實驗之氣提通量	45
圖4.2.3 CS-P-AS基本個案實驗之吸收效率	46
圖4.2.4 CS-P-AS基本個案實驗之質量平衡誤差	46
圖4.2.5 CS-P-AS改變氣體濃度之吸收通量	47
圖4.2.6 CS-P-AS改變氣體濃度之氣提通量	48
圖4.2.7 CS-P-AS改變氣體濃度之吸收效率	48
圖4.2.8 CS-P-AS改變氣體濃度之質量平衡誤差	49
圖4.2.9 CS-P-AS改變氣體速度之吸收通量	50
圖4.2.10 CS-P-AS改變氣體速度之氣提通量	51
圖4.2.11 CS-P-AS改變氣體速度之吸收效率	52
圖4.2.12 CS-P-AS改變氣體速度之質量平衡誤差	53
圖4.3.2 CS-C-AS基本個案實驗之氣提通量	55
圖4.3.3 CS-C-AS基本個案實驗之吸收效率	55
圖4.3.4 CS-C-AS基本個案實驗之質量平衡誤差	56
圖4.3.5 CS-C-AS改變氣體濃度之吸收通量	57
圖4.3.6 CS-C-AS改變氣體濃度之氣提通量	57
圖4.3.7 CS-C-AS改變氣體濃度之吸收效率	58
圖4.3.8 CS-C-AS改變氣體濃度之質量平衡誤差	58
圖4.3.9 CS-C-AS改變氣體速度之吸收通量	59
圖4.3.10 CS-C-AS改變氣體速度之氣提通量	60
圖4.3.11 CS-C-AS改變氣體速度之吸收效率	61
圖4.3.12 CS-C-AS改變氣體速度之質量平衡誤差	62
圖4.4.1 不同操作模式之性能比較-液體流速對通量之影響	63
圖4.4.2 不同操作模式之性能比較-煙道氣入口濃度對通量之影響	64
圖4.4.3 不同操作模式之性能比較-液體流速對吸收效率之影響	64
圖4.4.4 併合吸收與氣提操作之吸收通量強化因子	65
圖5.1.1 CS-A模擬系統	66
圖5.2.1 CS-P-AS模擬系統	69
圖5.3.1 CS-C-AS模擬系統	71
圖5.4.1 薄膜內質傳機制與質傳阻力聯結	75
圖6.1.1 CS-A實驗與模擬結果比較	80
圖6.2.1 CS-A模擬系統	81
圖6.2.1.1氣體流動方向截線平均吸收通量分佈(y = 0為煙道氣入口)	83
圖6.2.1.2液體流動方向截線平均吸收通量分佈(x = 0為吸收液入口)	83
圖6.2.1.3吸收通量3D分佈	83
圖6.2.1.4 CS1-A液體通道截線平均二氧化碳擴散分佈	84
圖6.2.1.5 CS2-A液體通道截線平均二氧化碳擴散分佈	85
圖6.2.1.6 CS1-A氣體通道截線平均二氧化碳擴散分佈	86
圖6.2.1.7 CS2-A氣體通道截線平均二氧化碳擴散分佈	87
圖6.2.1.8薄膜介面液體截線平均二氧化碳分佈-液體流動方向	87
(x = 0為吸收液入口)	87
圖6.2.1.9 CS1-A薄膜介面液體截線平均二氧化碳分佈-氣體流動方向	88
圖6.2.1.10 CS2-A薄膜介面液體截線平均二氧化碳分佈	89
-氣體流動方向	89
圖6.2.1.11 CS1-A薄膜介面氣體截線平均二氧化碳分佈	90
-氣體流動方向	90
圖6.2.1.12 CS2-A薄膜介面氣體截線平均二氧化碳分佈	90
-氣體流動方向	90
圖6.2.1.13液體通道截面平均二氧化碳濃度	91
圖6.2.2.1 CS-A改變氣體濃度之吸收通量	93
圖6.2.2.2 CS-A改變氣體速度之吸收通量	93
圖6.2.2.3 CS-A實驗、模擬與文獻吸收通量比較	94
圖7.1.1 CS-P-AS模擬系統配置	95
圖7.2.1 氣體流動方向截線平均通量分佈(y = 0為煙道氣入口)	97
圖7.2.2 液體流動方向截線平均通量分佈(x = 0為吸收液入口)	98
圖7.2.3 質傳通量3D分佈	98
圖7.2.4液體通道二氧化碳擴散分佈	99
圖7.2.5煙道氣通道二氧化碳擴散分佈	99
圖7.2.6薄膜介面液體二氧化碳分佈-液體流動方向	100
圖7.2.7薄膜介面液體二氧化碳分佈-氣體流動方向	100
圖7.2.8薄膜介面氣體二氧化碳分佈-氣體流動方向	101
圖7.2.1.9 液體通道截面二氧化碳平均濃度	101
圖7.3.1 CS-P-AS改變氣體濃度之吸收通量	103
圖7.3.2 CS-P-AS改變氣體濃度之氣提通量	103
圖7.3.3 CS-P-AS改變氣體速度之吸收通量	104
圖7.3.4 CS-P-AS改變氣體速度之氣提通量	105
圖7.3.5 CS-P-AS實驗、模擬與文獻吸收通量比較	105
圖8.1.1 CS-C-AS模組配置	106
圖8.1.2 CS-C-AS模擬系統	107
圖8.2.1 氣體流動方向截線平均通量分佈(y = 0為煙道氣入口，y = 0.212為氣提氣體入口)	108
圖8.2.2 液體流動方向截線平均通量分佈(x = 0為吸收液入口)	109
圖8.2.3 質傳通量3D分佈	109
圖8.2.4 CS1-C-AS液體通道二氧化碳擴散分佈	110
圖8.2.5 CS2-C-AS液體通道二氧化碳擴散分佈	111
圖8.2.6 煙道氣通道二氧化碳擴散分佈	111
圖8.2.7薄膜介面液體截線平均二氧化碳分佈-液體流動方向	112
圖8.2.8 CS1-C-AS薄膜介面液體二氧化碳分佈-氣體流動方向	113
圖8.2.9 CS2-C-AS薄膜介面液體二氧化碳分佈-氣體流動方向	113
圖8.2.10 CS1-C-AS薄膜介面氣體截線平均二氧化碳分佈-氣體流動方向(y = 0為煙道氣入口，y = 0.212為氣提氣體入口)	114
圖8.2.11 CS2-C-AS薄膜介面氣體截線平均二氧化碳分佈-氣體流動方向(y = 0為煙道氣入口，y = 0.212為氣提氣體入口)	115
圖8.2.12 液體通道截面平均二氧化碳平均濃度(x = 0為吸收液入口)	115
圖8.3.1 CS-C-AS改變氣體濃度之吸收通量	117
圖8.3.2 CS-C-AS改變氣體濃度之氣提通量	117
圖8.3.3 CS-C-AS改變氣體速度之吸收通量	118
圖8.3.4 CS-C-AS改變氣體速度之氣提通量	119
圖8.3.5 CS-C-AS實驗、模擬與文獻吸收通量比較	119
 
表目錄
表3.1.1 Polytetrafluoroethylene (PTFE)疏水性平板薄膜特性	19
表3.1.2併合吸收與氣提薄膜模組CS1之規格	19
表3.1.3併合吸收與氣提薄膜模組CS2之規格	19
表4.1.1 CS-A 基本實驗個案	36
表4.1.2 CS-A改變氣體條件之實驗個案	39
表4.2.1 CS-P-AS之基本個案操作條件設定	44
表4.2.2 CS-P-AS改變氣體條件之實驗個案	47
表4.3.2 CS-C-AS改變氣體條件之實驗個案	56
表4.4.1 不同操作模式性能比較之操作條件	63
表4.4.2 併合吸收氣提吸收通量強化因子	65
表5.4.1 Polytetrafluoroethylene (PTFE)疏水性平板薄膜特性	74
表5.4.2 碳酸丙烯酯與二氧化碳之物理性質	77
表6.1.1 CS-A實驗與模擬值之RMSD	80
表6.2.1 CS-A模組之通道規格	81
表6.2.2 CS-A基本個案模擬條件	81
表6.2.3 CS-A模擬之網格尺寸	82
表6.2.2.1 CS-A改變操作條件之實驗個案	92
表7.1.1 CS-P-AS之各通道模組規格	96
表7.1.2 CS-P-AS之基本個案模擬條件	96
表7.3.1 CS-P-AS改變操作條件之實驗個案	102
表8.1.1 CS-C-AS模組之通道規格	107
表8.1.2 CS-C-AS基本個案模擬條件	107
表8.3.1 CS-C-AS改變操作條件之實驗個案	116

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