系統識別號 | U0002-2007201707354000 |
---|---|
DOI | 10.6846/TKU.2017.00698 |
論文名稱(中文) | 二氧化碳併合吸收與氣提薄膜模組之實驗研究 |
論文名稱(英文) | Experimental study of hybrid absorption and stripping membrane contactors for carbon capture |
第三語言論文名稱 | |
校院名稱 | 淡江大學 |
系所名稱(中文) | 化學工程與材料工程學系碩士班 |
系所名稱(英文) | Department of Chemical and Materials Engineering |
外國學位學校名稱 | |
外國學位學院名稱 | |
外國學位研究所名稱 | |
學年度 | 105 |
學期 | 2 |
出版年 | 106 |
研究生(中文) | 潘人豪 |
研究生(英文) | Pan Ren-Hao |
學號 | 604400357 |
學位類別 | 碩士 |
語言別 | 繁體中文 |
第二語言別 | |
口試日期 | 2017-07-17 |
論文頁數 | 129頁 |
口試委員 |
指導教授
-
張煖(nhchang@mail.tku.edu.tw)
委員 - 程學恆(shcheng@thu.edu.tw) 委員 - 陳錫仁(hjchen@mail.tku.edu.tw) |
關鍵字(中) |
薄膜接觸器 物理吸收 薄膜吸收 薄膜氣提 二氧化碳 碳捕捉 |
關鍵字(英) |
Hybrid modules Membrane absorption Membrane stripping Parallel flow Cross-flow Carbon Capture Solvent Absorption Membrane Contactor Absorption Stripping |
第三語言關鍵字 | |
學科別分類 | |
中文摘要 |
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。 |
英文摘要 |
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. |
第三語言摘要 | |
論文目次 |
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 |
參考文獻 |
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