隨著工業(yè)化進(jìn)程的加速，人類活動產(chǎn)生的二氧化碳（CO₂）排放量持續(xù)攀升，成為加劇全球變暖和氣候變化的主要元兇。從工廠煙囪、發(fā)電廠尾氣中高效、經(jīng)濟(jì)地“捕捉”CO₂，已成為緩解溫室效應(yīng)、邁向碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。在眾多捕集技術(shù)中，胺溶液化學(xué)吸收法因其反應(yīng)活性高、成本相對較低、可循環(huán)利用等優(yōu)點，長期以來占據(jù)著主導(dǎo)地位。然而，這項技術(shù)在實際應(yīng)用中并非一勞永逸。工廠工程師們常常面臨一系列優(yōu)化難題：使用哪種胺溶液效果最好？吸收塔需要建多高、多粗？溶液的溫度、流速、濃度該如何設(shè)定？這些參數(shù)不僅影響著最終的捕集效率，更直接關(guān)系到巨大的設(shè)備投資和運行能耗。過去，要找到這些“黃金參數(shù)”，往往需要投入大量人力物力進(jìn)行反復(fù)實驗，耗時耗力且成本高昂。

針對這一難題，研究人員將目光投向了計算機(jī)仿真技術(shù)。如果能用軟件“搭建”一個虛擬的化工廠，在電腦上快速模擬成千上萬種工況，不就能以最低的成本找到最優(yōu)解了嗎？這正是本項研究的核心思路。研究人員利用強(qiáng)大的化工過程模擬軟件——Aspen Plus，對從 CO₂/N₂混合氣中吸收 CO₂的過程進(jìn)行了系統(tǒng)性仿真研究。他們深入探究了九大類關(guān)鍵參數(shù)的影響，包括胺的種類（是選 MEA 還是 DEA？）、胺液溫度、進(jìn)氣溫度、吸收塔的高度和直徑、胺液的流速和濃度、操作壓力，甚至還考察了添加甲醇以及將不同胺液混合使用的效果。這項研究就像是給 CO₂捕集工藝做了一次全面、精細(xì)的“數(shù)字體檢”，旨在揭示每個“控制旋鈕”的轉(zhuǎn)動如何影響最終的“凈化”效果，并為工業(yè)設(shè)計提供一套清晰的優(yōu)化指南。相關(guān)成果發(fā)表在《Journal of Hazardous Materials Advances》上。

為開展此項研究，研究人員主要采用了以下關(guān)鍵技術(shù)方法：首先，核心研究手段是化工過程模擬，利用 Aspen Plus 軟件（版本 11.1）構(gòu)建了填料吸收塔的仿真流程，模擬了胺液與 CO₂/N₂混合氣的逆流接觸吸收過程。其次，在熱力學(xué)模型選擇上，采用了非隨機(jī)兩液體模型，用于描述混合物中各組分的活度系數(shù)，并驗證了其相對于 ELECNRTL 模型的適用性。最后，運用軟件的靈敏度分析工具，系統(tǒng)地改變并研究了表 3 所列的一系列操作與結(jié)構(gòu)參數(shù)對出口氣流中 CO₂摩爾分?jǐn)?shù)的影響，從而識別關(guān)鍵影響因素和優(yōu)化方向。

研究人員比較了兩種常用胺液：單乙醇胺 和 二乙醇胺 。模擬結(jié)果表明，雖然兩者變化趨勢相似，但 MEA 的 CO₂吸收性能更優(yōu)。在 293 K 和 343 K 下，使用 MEA 時出口 CO₂摩爾分?jǐn)?shù)分別為 0.028 和 0.047，而使用 DEA 時則為 0.030 和 0.048。這歸因于 MEA 作為伯胺，空間位阻更小，與 CO₂反應(yīng)更容易，且其揮發(fā)性更高、腐蝕性更低，綜合性能更好。

研究考察了進(jìn)氣溫度（293 K 到 353 K）對吸收效果的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氣體溫度升高對降低出口 CO₂濃度有微弱的正面作用（從 0.02857 降至 0.02853），但其影響非常小，斜率很低，在實際工程中可以忽略不計。這可能是由于溫度升高增加了 CO₂分子的動能，使其更容易從氣相主體擴(kuò)散到胺液活性位點。

這是對設(shè)備設(shè)計最關(guān)鍵的兩個參數(shù)。模擬顯示，增加吸收塔的高度和直徑都能有效提升 CO₂的去除率。塔高從 1 米增至 10 米，出口 CO₂摩爾分?jǐn)?shù)從 0.025 急劇下降至 0.0014。塔徑從 0.1 米增至 1 米，出口 CO₂摩爾分?jǐn)?shù)從 0.039 降至 0.018。其中，塔高的影響遠(yuǎn)大于塔徑。這是因為更大的塔體提供了更長的氣液接觸時間和更大的接觸面積，促進(jìn)了傳質(zhì)。研究還指出，塔高超過 6 米、塔徑超過 0.5 米后，CO₂濃度的下降趨勢明顯變緩，這意味著從經(jīng)濟(jì)性考慮，存在一個優(yōu)化的尺寸區(qū)間。

胺液流速是工業(yè)上最容易調(diào)節(jié)的參數(shù)之一。模擬結(jié)果表明，提高胺液流速能戲劇性地改善 CO₂捕集效果。流速從 504 L/h 增加到 3600 L/h，出口 CO₂摩爾分?jǐn)?shù)從 0.028 大幅降至 0.001。更高的流速意味著單位時間內(nèi)有更多的胺分子與 CO₂接觸，從而提升了整體的處理能力和吸收速率。

研究考察了胺液質(zhì)量分?jǐn)?shù)（從 0 到 0.8）的影響。提高胺液濃度同樣能顯著降低出口 CO₂濃度，從 0.116 降至 0.019。這背后的機(jī)理很直觀：更高的濃度意味著溶液中可供反應(yīng)的胺功能團(tuán)（-NH₂）更多，從而能結(jié)合更多的 CO₂分子。

壓力是另一個重要操作參數(shù)。模擬顯示，在 100 到 600 kPa 范圍內(nèi)，提高操作壓力有利于 CO₂的吸收，出口 CO₂摩爾分?jǐn)?shù)從 0.025 降至 0.005。這是因為根據(jù)亨利定律，更高的壓力增加了 CO₂在胺液中的溶解度。然而，研究也指出，壓力超過 600 kPa 后，吸收效果的提升可能不再顯著，甚至可能因胺液活性位點飽和而帶來負(fù)面影響。

研究考察了在 MEA 胺液中加入甲醇（1% 到 10% 質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的效果。結(jié)果顯示，隨著甲醇濃度增加，出口 CO₂摩爾分?jǐn)?shù)有輕微上升（從 0.0254 到 0.0258）。這表明添加甲醇會略微稀釋胺液，降低有效胺濃度，并對 CO₂吸收產(chǎn)生輕微的負(fù)面影響，因此不被推薦。

研究人員深入研究了多種胺液復(fù)配體系：

研究通過三維曲面圖展示了多參數(shù)間的交互影響。結(jié)果證實，塔高與塔徑的交互作用、以及胺液流速與濃度的交互作用，對降低出口 CO₂濃度的影響最為顯著。而氣體溫度與其他參數(shù)的交互影響相對較小。這些參數(shù)間的關(guān)系是非線性的，遵循高階多項式規(guī)律，這為復(fù)雜的工藝優(yōu)化提供了直觀依據(jù)。

綜合所有模擬結(jié)果，研究總結(jié)出了為達(dá)到低于 1% 出口 CO₂摩爾分?jǐn)?shù)目標(biāo)的一系列推薦操作條件：使用 MEA 胺液，胺液和進(jìn)氣溫度維持在較低的 293 K 左右，操作壓力約為 600 kPa，吸收塔高度至少 6 米，直徑至少 0.5 米，胺液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 30% 左右，流速應(yīng)盡可能提高（模擬中高達(dá) 3600 L/h 效果極佳）。同時，應(yīng)避免添加甲醇，但可以考慮使用 MEA-DIPA 這類混合胺液以進(jìn)一步提升性能。

本研究通過系統(tǒng)的 Aspen Plus 模擬，全面揭示了影響填料塔胺法吸收 CO₂過程的關(guān)鍵參數(shù)及其相互作用規(guī)律。研究得出的核心結(jié)論是：為了高效去除 CO₂，應(yīng)優(yōu)先選用 MEA 作為吸收劑，并盡可能采用較低的操作溫度、較高的操作壓力、較高的胺液濃度和流速。在設(shè)備設(shè)計上，增加吸收塔的高度和直徑能極大改善效果，但需在投資成本和性能提升之間找到經(jīng)濟(jì)平衡點（如塔高 6 米、塔徑 0.5 米）。此外，研究創(chuàng)新性地發(fā)現(xiàn)，將 MEA 與 DIPA 等胺液復(fù)配，可以進(jìn)一步提升吸收性能，這為開發(fā)下一代高效、低能耗的混合胺吸收劑提供了重要線索。

本研究的重要意義在于，它避免了傳統(tǒng)實驗方法的高成本和長周期，利用數(shù)值仿真手段為工業(yè)規(guī)模的 CO₂捕集工藝提供了詳盡的“數(shù)字藍(lán)圖”和優(yōu)化指南。論文中給出的具體參數(shù)建議和影響趨勢，可直接用于指導(dǎo)實際吸收塔的設(shè)計、現(xiàn)有裝置的改造升級以及操作條件的優(yōu)化。在全球積極推動碳減排的背景下，這項研究通過深化對胺法吸收這一主流技術(shù)的科學(xué)理解，為其更經(jīng)濟(jì)、更高效的工業(yè)應(yīng)用奠定了堅實的理論基礎(chǔ)，對加速碳捕集、利用與封存 技術(shù)的部署和實施具有重要的實踐參考價值。