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本研究为应对温室气体减排的紧迫需求，针对胺法吸收 CO2工艺中的关键操作与技术参数进行了系统性仿真分析。研究人员利用 Aspen Plus 软件，深入探究了胺类型、浓度、温度、塔体尺寸、压力及流速等多个变量对 CO2去除效率的影响。结果表明，优选胺液（如 MEA）及优化塔体参数（如提高塔高、增大直径）可显著提升 CO2吸收性能。该工作为工业上经济高效地捕集 CO2提供了重要的模拟数据支持和工艺优化指导，对推动碳捕集、利用与封存（CCUS）技术的实际应用具有重要参考价值。
随着工业化进程的加速，人类活动产生的二氧化碳（CO2）排放量持续攀升，成为加剧全球变暖和气候变化的主要元凶。从工厂烟囱、发电厂尾气中高效、经济地“捕捉”CO2，已成为缓解温室效应、迈向碳中和目标的关键技术挑战。在众多捕集技术中，胺溶液化学吸收法因其反应活性高、成本相对较低、可循环利用等优点，长期以来占据着主导地位。然而，这项技术在实际应用中并非一劳永逸。工厂工程师们常常面临一系列优化难题：使用哪种胺溶液效果最好？吸收塔需要建多高、多粗？溶液的温度、流速、浓度该如何设定？这些参数不仅影响着最终的捕集效率，更直接关系到巨大的设备投资和运行能耗。过去，要找到这些“黄金参数”，往往需要投入大量人力物力进行反复实验，耗时耗力且成本高昂。
针对这一难题，研究人员将目光投向了计算机仿真技术。如果能用软件“搭建”一个虚拟的化工厂，在电脑上快速模拟成千上万种工况，不就能以最低的成本找到最优解了吗？这正是本项研究的核心思路。研究人员利用强大的化工过程模拟软件——Aspen Plus，对从 CO2/N2混合气中吸收 CO2的过程进行了系统性仿真研究。他们深入探究了九大类关键参数的影响，包括胺的种类（是选 MEA 还是 DEA？）、胺液温度、进气温度、吸收塔的高度和直径、胺液的流速和浓度、操作压力，甚至还考察了添加甲醇以及将不同胺液混合使用的效果。这项研究就像是给 CO2捕集工艺做了一次全面、精细的“数字体检”，旨在揭示每个“控制旋钮”的转动如何影响最终的“净化”效果，并为工业设计提供一套清晰的优化指南。相关成果发表在《Journal of Hazardous Materials Advances》上。
为开展此项研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，核心研究手段是化工过程模拟，利用 Aspen Plus 软件（版本 11.1）构建了填料吸收塔的仿真流程，模拟了胺液与 CO2/N2混合气的逆流接触吸收过程。其次，在热力学模型选择上，采用了非随机两液体模型，用于描述混合物中各组分的活度系数，并验证了其相对于 ELECNRTL 模型的适用性。最后，运用软件的灵敏度分析工具，系统地改变并研究了表 3 所列的一系列操作与结构参数对出口气流中 CO2摩尔分数的影响，从而识别关键影响因素和优化方向。
4.1. 胺溶液类型的影响
研究人员比较了两种常用胺液：单乙醇胺 和 二乙醇胺 。模拟结果表明，虽然两者变化趋势相似，但 MEA 的 CO2吸收性能更优。在 293 K 和 343 K 下，使用 MEA 时出口 CO2摩尔分数分别为 0.028 和 0.047，而使用 DEA 时则为 0.030 和 0.048。这归因于 MEA 作为伯胺，空间位阻更小，与 CO2反应更容易，且其挥发性更高、腐蚀性更低，综合性能更好。
4.2. 气体温度的影响
研究考察了进气温度（293 K 到 353 K）对吸收效果的影响。结果发现，气体温度升高对降低出口 CO2浓度有微弱的正面作用（从 0.02857 降至 0.02853），但其影响非常小，斜率很低，在实际工程中可以忽略不计。这可能是由于温度升高增加了 CO2分子的动能，使其更容易从气相主体扩散到胺液活性位点。
4.3. 塔体高度和直径的影响
这是对设备设计最关键的两个参数。模拟显示，增加吸收塔的高度和直径都能有效提升 CO2的去除率。塔高从 1 米增至 10 米，出口 CO2摩尔分数从 0.025 急剧下降至 0.0014。塔径从 0.1 米增至 1 米，出口 CO2摩尔分数从 0.039 降至 0.018。其中，塔高的影响远大于塔径。这是因为更大的塔体提供了更长的气液接触时间和更大的接触面积，促进了传质。研究还指出，塔高超过 6 米、塔径超过 0.5 米后，CO2浓度的下降趋势明显变缓，这意味着从经济性考虑，存在一个优化的尺寸区间。
4.4. 胺液流速的影响
胺液流速是工业上最容易调节的参数之一。模拟结果表明，提高胺液流速能戏剧性地改善 CO2捕集效果。流速从 504 L/h 增加到 3600 L/h，出口 CO2摩尔分数从 0.028 大幅降至 0.001。更高的流速意味着单位时间内有更多的胺分子与 CO2接触，从而提升了整体的处理能力和吸收速率。
4.5. 胺液浓度的影响
研究考察了胺液质量分数（从 0 到 0.8）的影响。提高胺液浓度同样能显著降低出口 CO2浓度，从 0.116 降至 0.019。这背后的机理很直观：更高的浓度意味着溶液中可供反应的胺功能团（-NH2）更多，从而能结合更多的 CO2分子。
4.6. 操作压力的影响
压力是另一个重要操作参数。模拟显示，在 100 到 600 kPa 范围内，提高操作压力有利于 CO2的吸收，出口 CO2摩尔分数从 0.025 降至 0.005。这是因为根据亨利定律，更高的压力增加了 CO2在胺液中的溶解度。然而，研究也指出，压力超过 600 kPa 后，吸收效果的提升可能不再显著，甚至可能因胺液活性位点饱和而带来负面影响。
4.7. 添加甲醇的影响
研究考察了在 MEA 胺液中加入甲醇（1% 到 10% 质量分数）的效果。结果显示，随着甲醇浓度增加，出口 CO2摩尔分数有轻微上升（从 0.0254 到 0.0258）。这表明添加甲醇会略微稀释胺液，降低有效胺浓度，并对 CO2吸收产生轻微的负面影响，因此不被推荐。
4.8. 混合胺溶液的影响
研究人员深入研究了多种胺液复配体系：
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MEA+DEA：增加 DEA 的比例会导致出口 CO2浓度上升，效果变差，主要归因于粘度增加、传质系数下降和 pH 值降低。
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MEA+TEA、MEA+PZ、MEA+DIPA：在一定的配比范围（通常从 5:5 开始）内，增加混合胺的总浓度，都能降低出口 CO2浓度。其中，MEA-DIPA 混合溶液的表现最佳，能将出口 CO2浓度从 12.01% 显著降至 11.47%。
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MEA+DEA+TEA：这种三元混合胺液的表现优于 MEA-TEA 二元体系，表明复配可以发挥协同效应，提升吸收能力。
4.9. 关键参数间的交互作用
研究通过三维曲面图展示了多参数间的交互影响。结果证实，塔高与塔径的交互作用、以及胺液流速与浓度的交互作用，对降低出口 CO2浓度的影响最为显著。而气体温度与其他参数的交互影响相对较小。这些参数间的关系是非线性的，遵循高阶多项式规律，这为复杂的工艺优化提供了直观依据。
4.10. 参数优化值
综合所有模拟结果，研究总结出了为达到低于 1% 出口 CO2摩尔分数目标的一系列推荐操作条件：使用 MEA 胺液，胺液和进气温度维持在较低的 293 K 左右，操作压力约为 600 kPa，吸收塔高度至少 6 米，直径至少 0.5 米，胺液质量分数在 30% 左右，流速应尽可能提高（模拟中高达 3600 L/h 效果极佳）。同时，应避免添加甲醇，但可以考虑使用 MEA-DIPA 这类混合胺液以进一步提升性能。
归纳与讨论
本研究通过系统的 Aspen Plus 模拟，全面揭示了影响填料塔胺法吸收 CO2过程的关键参数及其相互作用规律。研究得出的核心结论是：为了高效去除 CO2，应优先选用 MEA 作为吸收剂，并尽可能采用较低的操作温度、较高的操作压力、较高的胺液浓度和流速。在设备设计上，增加吸收塔的高度和直径能极大改善效果，但需在投资成本和性能提升之间找到经济平衡点（如塔高 6 米、塔径 0.5 米）。此外，研究创新性地发现，将 MEA 与 DIPA 等胺液复配，可以进一步提升吸收性能，这为开发下一代高效、低能耗的混合胺吸收剂提供了重要线索。
本研究的重要意义在于，它避免了传统实验方法的高成本和长周期，利用数值仿真手段为工业规模的 CO2捕集工艺提供了详尽的“数字蓝图”和优化指南。论文中给出的具体参数建议和影响趋势，可直接用于指导实际吸收塔的设计、现有装置的改造升级以及操作条件的优化。在全球积极推动碳减排的背景下，这项研究通过深化对胺法吸收这一主流技术的科学理解，为其更经济、更高效的工业应用奠定了坚实的理论基础，对加速碳捕集、利用与封存 技术的部署和实施具有重要的实践参考价值。
