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含CO_2混合物在低温分离过程中的热力学特性分析

单贵苏  
【摘要】:对富氧燃烧烟气中的CO_2采用低温法进行相变分离时,了解含CO_2的二元及三元混合物热力学特性,尤其是相平衡特性对提高CO_2的分离效率及分离质量具有重要意义。通过大量文献调研,遴选出在气体分离领域常用的状态方程及混合规则,并以CO_2-N_2二元组分为例采用不同状态方程及混合规则相结合的数学模型进行气液相平衡的计算与分析。结果表明,PR+VDW(Peng-Robinson+Vander Waals)模型或SRK+VDW(Redlich-Kong-Soave+Vander Waals)模型计算结果与实验值最为吻合,组分与压力偏差均在10%以内,且前者更优于后者。因此文章选用PR+VDW数学模型进行含CO_2混合物的气液相平衡计算与分析。在热力学特性上,通过验证,指出PR方程是CO_2混合物密度特性计算的最优模型,并对不同浓度的CO_2-N_2、CO_2-O_2、CO_2-Ar三组二元混合物在213.15K、223.15K、303.15K三个温度下的密度特性进行了计算分析。结果表明,在临界区域,微小的压力扰动会引起CO_2混合物较大的密度变化,N_2、O_2、Ar的存在会使CO_2混合物密度减小,且随着非CO_2组分浓度的提高密度偏差增大;此外,对CO_2混合物的压缩因子和等压比热容变化规律进行了计算分析,为CCS(Carbon Capture and Storage)技术流程提供了必要的物性规律。对CO_2-O_2、CO_2-N_2二元混合物气液相平衡特性进行了深入的计算分析,指出,将二元交互作用系数视为常数时,随着压力的升高,泡点线的计算值与文献中实验值偏差增大,如CO_2-N_2组分在240K时最大偏差可达35.649%。针对PR+VDW模型在高压下计算偏差较大的缺陷,采用文献中的实验数据,将二元交互作用系数关联为对比温度和偏心因子的函数,使得模型计算精度有较大提高,尤其是10-16MPa高压下,相平衡计算偏差均降低到0.8%左右,相比于其他关联式1.3%以上的偏差亦有一定程度的提高。最后,对CO_2-O_2-N_2、CO_2-O_2-Ar、CO_2-O_2-SO_2三组三元混合物在223K-263K、2-8MPa工况区间内进行气液相平衡特性计算分析。对CO_2-O_2-N_2三元混合物,CO_2液相分率在CO_2-N_2与CO_2-O_2两种二元混合物中摩尔分数最大偏差仅为0.0002,可以认为在该工况下,O_2与N_2对含CO_2混合物气液相平衡影响效果相同,在对含CO_2混合物进行气液相平衡研究时在该工况下可将O_2与N_2视为同种物质进行计算;对CO_2-O_2-Ar三元混合物,相平衡时CO_2液相分率随着温度的升高、压力的减小而增大;对CO_2-O_2-SO_2三元系统CO2液相分率存在着最大值,温度相同时,其值随着压力的升高先增大后减小,当温度升高时,CO_2液相分率的峰值随之减小,对应的峰值压力增大。


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