将无效孔隙率纳入质量传递模型中，以提高对填充塔中二氧化碳吸收行为的预测准确性

气液传质效率提升的关键在于引入无效孔隙率概念并优化模型。通过Billet逆推法建立无效孔隙率与持液量的线性关系，实验验证了在有效比表面积模型和传质模型中纳入无效孔隙率可使绝对平均偏差分别降低至9.6%和8.6%。研究揭示了CO2吸收过程中反应动力学的主导作用，为 packed column设计提供了新的理论依据和优化方法。

　　

徐斌|高晓艺|唐曦|李晓山|罗聪|吴帆|陈文|张丽琪

中国湖北省武汉市华中科技大学能源与动力工程学院，煤炭燃烧与低碳利用国家重点实验室，430074

摘要

在气体净化过程中，填充柱中的吸收是最常用且效率最高的气体去除方法之一。然而，填充柱中传质性能的预测常常存在较大的不确定性，这长期以来一直是工业设计、过程分析和模拟中的一个关键挑战。为了解决这个问题，本研究引入了“无效孔隙率”（ε_u）的概念，并系统地评估了其在提高填充柱传质性能预测精度中的作用。首先，使用Billet逆向计算方法确定了ε_u的值，结果表明ε_u与液体持量（H）之间存在近似线性关系。随后进行了实验，以研究操作参数对有效界面面积（a_v）和传质性能的影响。将ε_u纳入a_v模型后，绝对平均偏差（AAD）从13.9%降低到了9.6%。同样，将ε_u纳入各种传质模型中也提高了它们的预测精度。最后，探讨了胺溶液吸收CO₂的传质机制，发现该过程受反应动力学控制。这些发现不仅突显了无效孔隙率在传质建模中的关键作用，还为填充柱的精确设计、过程优化和工业应用提供了方法论指导。

引言

化工行业是大气污染的主要来源之一，其气体排放受到全球各国政府越来越严格的监测和监管（Ayappan等人，2024年；Wang等人，2020年）。包括全球变暖、酸沉降和光化学烟雾在内的环境问题加剧了公众的关注，并推动了更严格的排放标准（Addiena A Rahim等人，2023年）。常见的污染物如SO₂、NH₃、CO₂和H₃SH通常可溶于溶液，因此可以通过基于吸收的洗涤过程进行去除（Lin等人，2020年）。其中，使用填充柱的液体吸收已被广泛认为是工业上成熟且实用的控制排放的方法（Ellebracht等人，2023年）。

几十年来，填充柱的性能不断提高，研究工作主要集中在先进填充材料的发展上。目标是提高传质效率和流体动力稳定性，从而提高捕获效率并降低过程成本（Gao等人，2018年；Pavlenko等人，2020年）。关键性能指标包括传质系数（K_G）和流体动力特性，如压降（Δp）、液体持量和气体泛滥速度（u_f）（Dvorak等人，1996年）。由于这些因素直接决定了填充柱的横截面积，可靠的实验和预测数据对于合理设计和放大至关重要。此外，随着过程模拟工具的日益应用，传质和流体动力性能的准确关联变得日益重要（Xu等人，2024年）。

已经开发了几种经验模型来估算这些参数。其中，Onda、SPR和Billet提出的关联在工业实践和过程建模中仍被最广泛使用（Gao等人，2018年；Hegely等人，2017年）。例如，Wilcox等人利用膜理论重新审视了这些经典关联，并评估了它们对过程设计的影响（Wilcox等人，2014年）。然而，在逆流操作条件下，Onda模型在实验室规模上的平均预测误差为29%，而在中试规模上这一误差接近50%（Dvorak等人，1996年）。据报道，SPR模型在估算Sulzer Mellapak等结构化填充物的液体持量时也有30.7%的平均偏差（Gao等人，2018年）。对于非常规填充物，这些偏差更为显著，给可靠的设计、放大和过程建模带来了重大挑战（Xiao等人，2023年）。因此，解决这些预测误差的根本原因对于深入理解气液分离机制至关重要。

在这项研究中，我们重新审视了现有关联的发展，并确定了不准确性的一个关键来源：填充柱内有效孔隙率和无效孔隙率之间的区别。在气液逆流过程中，气体、液体和填充表面的复杂相互作用导致形成了许多不参与传质的空隙。传统关联通常将总孔隙率等同于有效孔隙率，从而忽略了这些无效孔隙的贡献。为了捕捉这一效应，我们使用2-甲氨基乙醇（MAE）/2-二甲氨基乙醇（DMEA）（摩尔比为1:1.25）的水溶液作为吸收剂，在填充柱中进行了CO₂吸收实验，我们的先前研究已经证实这种溶液是高效的CO₂吸收剂（Xu等人，2025b）。此外，我们引入了ε_u的概念，定义为不参与有效气液接触的总填充孔隙率的比例。将ε_u纳入传质和流体动力预测模型中，可以提高预测精度。这项研究揭示了填充微结构对气液接触的关键影响，并为填充柱设计、过程模拟和污染物去除提供了更可靠的基础。

部分摘录

K_G的确定

基于双膜理论，对于溶液中的CO₂化学吸收，总体传质系数可以表示为（Gao等人，2017年；Wang等人，2024年）： $\frac{\text{1}}{{\text{K}}_{\text{G}}}=\frac{\text{1}}{{\text{k}}_{\text{G}}}+\frac{\text{H}}{\text{E}{\text{k}}_{\text{L}}^{\text{0}}}$ 其中H是亨利常数（kPa·m³/mol），k_G和k_L分别表示气相和液相的传质系数（mol/m².h.kPa），k_L^{0是物理液相传质系数（m/s），E是由于化学反应而产生的增强因子。为了评估}

化学品

实验中使用的主要试剂及其纯度和来源列在表2中。去离子水是通过实验室水净化系统制备的，所有试剂均按原样使用，无需进一步纯化。

实验装置和过程

用于评估传质性能的实验装置如图2所示。它主要由填充吸收柱、气体供应系统、溶剂供应系统和数据采集系统组成。该柱的内径为29毫米，填充物...

无效孔隙率在预测a_v中的应用

图3a显示了液体流速对有效界面面积的影响。随着液体流速的增加，每种气体的有效界面面积也随之扩大，但始终低于填充物的比表面积。这种增加可以归因于较高流速下液体扩散和表面润湿的增强。当液体流速从7.80（m³/m².h）增加到8.77（m³/m².h）时，这种效应更为明显，而在3.90至6.82（m³/m².h）的范围内则不那么明显。

传质机制

双膜理论是描述气液传质机制最经典且应用最广泛的框架。以CO₂吸收过程为例，气体分子首先通过对流从气相传输到气-液界面，然后通过气膜扩散到达气-液界面。在界面处，CO₂溶解到液相中，随后穿过液膜直至到达液-膜界面，之后...

结论

本研究引入了无效孔隙率的概念，以解决填充柱中传质性能预测的持续不确定性问题。使用Billet逆向计算方法，建立了ε_u与液体持量之间的线性关联。实验结果表明，将ε_u纳入有效界面面积模型显著提高了预测精度，平均相对偏差从大约10%降低到了8.6%。

CRediT作者贡献声明

徐斌：撰写——原始草稿，验证，方法论，数据整理。高晓艺：正式分析，数据整理。唐曦：数据整理。李晓山：撰写——审稿与编辑，监督，项目管理。罗聪：数据整理。吴帆：资金获取，数据整理。陈文：数据整理。张丽琪：撰写——审稿与编辑，监督，项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52106143）和中国中央政府指导地方科技发展专项基金（湖北，2024CSA088）的财政支持。