臺灣博碩士論文加值系統

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。創新的二氧化碳併合吸收與氣提薄膜模組(HASMC)，包括可藉由同時進行吸收與氣提，提升模組性能。模組類型包括使用空通道與具間隔物通道之平行流與交錯流模組。本研究在Aspen Custom Model (ACM)平台上建立二維與三維數學模式，針對使用碳酸丙烯酯物理性吸收劑與聚醚醚酮薄膜之系統，分析併合吸收與氣提薄膜模組之模組內部質傳特性、操作參數影響與不同通道截面設計之性能。
因上下游緊鄰之吸收與氣提邊界層配置，交錯流併合模組之吸收劑再生效果優於平行流併合模組，此外，因間隔物提供之紊流促進效應，相較於空通道，使用間隔物通道之併合模組具有較佳之吸收與氣提性能。因此，使用間隔物通道之交錯流模組可提供最高之吸收與氣提通量。平行流模組採用縮小通道高度與交錯流模組採用梯形截面之模組設計均僅能提供有限的通量提升。
平行流空通道模組之質傳係數與Shah et al. (1978)關聯式預測值較接近，其他模組之質傳係數則均高於各適用關聯式之預測值。

Physical absorption process is less energy consuming than chemical absorption, however, it is only feasible for high partial pressure carbon dioxide. A novel hybrid absorption/stripping membrane contactors (HASMC) can effectively enhance the system performance by simultaneous absorption and stripping. In this study, 2D and 3D mathematical models were developed on the platform of Aspen Custom Model (ACM) to investigate the performance and design of HASMC, including the parallel- and cross-flow configurations as well as using empty and spacer-filled channels. The physical absorbent studied is propylene carbonate and the membrane is PEEK (Poly (ether ether ketone).
Because of the upstream-downstream adjacent boundary layers of absorption and stripping, cross-flow hybrid modules can provide better solvent regeneration effect than parallel-flow hybrid modules. Compared to empty channels, because of the turbulence promoting effect, emplying modules using spacer-filled channels can obtain higher absorption and stripping fluxes. Hence, the cross-flow hybrid module using spacer-filled channels provides highest absorption and stripping fluxes. Parallel-flow module with reduced channel height and cross-flow modules with trapezoidal cross-section can provide limited flux improvement.
The mass transfer coefficients of the empty channel, parallel flow modules are closer to the correlation of Shah et al. (1978), and the mass transfer coefficients of other modules are all much higher than the predicted values from various applicable correlations.

目錄 IV
圖目錄 VIII
表目錄 XV
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
圖.1.1 化學與物理吸收劑之吸收能力比較圖 2
圖1.1.2 化學吸收二氧化碳除去程序圖 3
圖1.1.3 二氧化碳薄膜吸收器 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1.1.6 薄膜內之質傳機制與阻力聯結 6
1.2 研究動機、範疇與方法 7
1.3 論文組織與架構 7
第二章 文獻回顧 8
2.1薄膜吸收程序 8
2.2薄膜模組之強化設計 10
2.3薄膜模組之計算流體力學模擬 12
第三章 薄膜質傳模式與物理性質 16
3.1 質傳模式 16
3.2 物理性質 19
第四章 模擬系統 21
4.1 二氧化碳吸收薄膜中空纖維模組 21
4.2 平行流空通道併合吸收與氣提薄膜模組 24
4.3 平行流具間隔物通道併合吸收與氣提薄膜模組 26
4.4 交錯流空通道併合吸收與氣提薄膜模組 27
4.5 交錯流具間隔物通道併合吸收與氣提薄膜模組 29
第五章 模式建立 30
5.1 平行流空通道併合吸收與氣提薄膜模組 30
5.2 交錯流空通道併合吸收與氣提薄膜模組 33
第六章 網格無關化分析與模式驗證 36
6.1 二氧化碳吸收薄膜中空纖維模組 36
6.1.1網格無關化分析 36
6.1.2 模式驗證 37
6.2 平行流空通道併合吸收與氣提薄膜模組 39
6.2.1 網格無關化分析 39
6.2.2 模式驗證 41
6.3 平行流具間隔物通道併合吸收與氣提薄膜模組 44
6.3.1 網格無關化分析 44
6.3.2 模式驗證 44
6.4 交錯流空通道併合吸收與氣提薄膜模組 48
6.4.1 網格無關化分析 48
6.4.2 模式驗證 50
6.5 交錯流具間隔物通道併合吸收與氣提薄膜模組 54
6.5.1 網格無關化分析 54
6.5.2 模式驗證 54
第七章 模擬結果與討論 61
7.1 平行流空通道併合吸收與氣提薄膜模組 61
7.1.1 基本個案內部分佈 63
7.1.2 參數影響分析 65
7.1.3 模組設計 68
7.2 平行流具間隔物通道併合吸收與氣提薄膜模組 70
7.2.1 基本個案內部分佈 72
7.2.2 參數影響分析 74
7.2.3 模組設計 77
7.3 交錯流空通道併合吸收與氣提薄膜模組 79
7.3.1 基本個案內部分佈 81
7.3.2 參數影響分析 85
7.3.3 模組設計 91
7.4 交錯流具間隔物通道併合吸收與氣提薄膜模組 96
7.4.1 基本個案內部分佈 98
7.4.2 參數影響分析 102
7.4.3 模組設計 107
7.5 質傳關聯式比較 112
7.5.1 平行流空通道併合模組 114
7.5.2 平行流具間隔物通道併合模組 122
7.5.3 交錯流空通道併合模組 129
7.5.4 交錯流具間隔物通道併合模組 136
第八章 結論與建議 142
符號說明 147
參考文獻 150
圖1.1.1 化學與物理吸收劑之吸收能力比較圖 2
圖1.1.2 化學吸收二氧化碳除去程序圖 3
圖1.1.3 二氧化碳薄膜吸收器 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1.1.6 薄膜內之質傳機制與阻力聯結 6
圖2.1 流體通道板 11
圖2.2 網狀間隔物(Phattaranawik et al., 2003a) 11
圖2.3 狹窄通道模擬範圍與邊界定義 14
圖2.4薄膜介面邊界之定義 14
圖3.1.1 薄膜內之質傳機制與阻力聯結 17
圖4.1.1 殼側自由表面 22
圖4.1.2 二氧化碳吸收薄膜中空纖維模組之模擬系統 22
圖4.2.1 平行流空通道併合吸收與氣提薄膜模組 24
圖4.4.1 CE-HASMC模組 27
圖4.4.2 CE-HASMC模擬系統與邊界位置 28
圖5.1.1 平行流模組模擬系統 30
圖5.2.1 交錯流模組模擬系統 33
圖6.1.1二氧化碳吸收薄膜中空纖維模組驗證個案實驗數據(Dindore et al, 2004) 37
圖6.2.1 PE-HASMC模式驗證結果 41
圖6.2.2 PE-HASMC液體通道二氧化碳擴散分佈之比較 42
圖6.2.3 PE-HASMC氣體通道二氧化碳擴散分佈之比較 43
圖6.3.1 PS-HASMC通量分佈之模式驗證 45
圖6.3.2 PS-HASMC液體通道二氧化碳擴散分佈之比較 46
圖6.4.1 CE-HASMC通量分佈之模式驗證 50
圖6.4.2 CE-HASMC液體通道截面平均二氧化碳濃度分佈之比較 51
圖6.4.3 CE-HASMC薄膜介面液體二氧化碳濃度分佈之比較 51
圖6.4.4 CE-HASMC液體通道二氧化碳擴散分佈之比較 (第一個吸收通道) 52
圖6.4.5 CE-HASMC液體通道二氧化碳擴散分佈之比較 (第一個氣提通道) 52
圖6.4.6 CE-HASMC液體通道二氧化碳擴散分佈之比較 (第二個吸收通道) 53
圖6.4.7 CE-HASMC液體通道二氧化碳擴散分佈之比較 (第二個氣提通道) 53
圖6.5.1 CS-HASMC截面平均通量分佈之比較(氣體層流動方向) 56
圖6.5.2 CS-HASMC截面平均通量分佈之比較(液體層流動方向) 56
圖6.5.3 CS-HASMC薄膜介面網格截線液體二氧化碳濃度分佈 57
之比較(氣體層流動方向) 57
圖6.5.4 CS-HASMC薄膜介面網格截線液體二氧化碳濃度分佈之比較(液體層流動方向) 57
圖6.5.5 CS-HASMC液體通道截面平均二氧化碳濃度分佈之比較 58
圖6.5.6 CS-HASMC液體通道二氧化碳擴散分佈之比較(第一個吸收通道) 58
圖6.5.7 CS-HASMC液體通道二氧化碳擴散分佈之比較(第一個氣提通道) 59
圖6.5.8 CS-HASMC液體通道二氧化碳擴散分佈之比較(第二個吸收通道) 59
圖6.5.9 CS-HASMC液體通道二氧化碳擴散分佈之比較(第二個氣提通道) 60
圖7.1.1 PE-HASMC質傳通量分佈 63
圖7.1.2 PE-HASMC-VS液體通道二氧化碳擴散分佈 64
圖7.1.3 PE-HASMC 煙道氣通道二氧化碳擴散分佈 64
圖7.1.4 PE-HASMC液體流速對通量之影響 65
圖7.1.4 PE-HASMC液體濃度對通量之影響 65
圖7.1.5 PE-HASMC液體溫度對通量之影響 66
圖7.1.6 PE-HASMC煙道氣濃度對通量之影響 66
圖7.1.7 PE-HASMC真空壓力對通量之影響 67
圖7.1.8 PE-HASMC液體擴散係數對通量之影響 67
圖7.1.9 PE-HASMC之模組設計通量分佈比較 69
圖7.1.10 PE-HASMC之模組設計薄膜介面二氧化碳分壓分佈比較 69
圖7.2.1 PS-HASMC質傳通量分佈 72
圖7.2.2 PS-HASMC液體通道二氧化碳擴散分佈 73
圖7.2.3 PS-HASMC煙道氣通道二氧化碳擴散分佈 73
圖7.2.4 PS-HASMC液體速度對通量之影響 74
圖7.2.4 PS-HASMC液體濃度對通量之影響 75
圖7.2.5 PS-HASMC液體溫度對通量之影響 75
圖7.2.6 PS-HASMC煙道氣濃度對通量之影響 76
圖7.2.8 PS-HASMC真空壓力對通量之影響 76
圖7.2.9 PS-HASMC之模組設計通量分佈比較 78
圖7.3.1 CE-HASMC質傳通量分佈 81
圖7.3.2 CE-HASMC薄膜介面液體二氧化碳濃度分佈 82
圖7.3.3 CE-HASMC液體通道截面平均二氧化碳濃度分佈 83
圖7.3.4 CE-HASMC液體通道二氧化碳擴散分佈 83
圖7.3.5 CE-HASMC薄膜介面煙道氣二氧化碳濃度分佈 84
圖7.3.6 CE-HASMC煙道氣通道二氧化碳擴散分佈 84
圖7.3.7 CE-HASMC液體速度對通量之影響 85
圖7.3.8 CE-HASMC液體濃度對通量之影響 86
圖7.3.9 CE-HASMC液體溫度對通量之影響 87
圖7.3.10 CE-HASMC煙道氣濃度對通量之影響 88
圖7.3.11 CE-HASMC真空壓力對通量之影響 89
圖7.3.12 CE-HASMC液體擴散係數對通量之影響 90
圖7.3.13 CE-HASMC之模組設計個案MD1俯視圖 91
圖7.3.14 CE-HASMC之模組設計個案MD2俯視圖 91
圖7.3.15 CE-HASMC之模組設計個案MD3俯視圖 92
圖7.3.16 CE-HASMC之模組設計個案MD4俯視圖 92
圖7.3.17 CE-HASMC模組設計之截面平均通量分佈比較 95
圖7.4.1 CS-HASMC之截面平均通量分佈 98
圖7.4.2 CS-HASMC薄膜介面網格截線液體二氧化碳濃度分佈 99
圖7.4.3 CS-HASMC液體通道截面平均二氧化碳濃度分佈 99
圖7.4.4 CS-HASMC液體通道二氧化碳擴散分佈 100
圖7.4.5 CS-HASMC煙道氣通道二氧化碳擴散分佈 101
圖7.4.6 CS-HASMC薄膜介面煙道氣二氧化碳濃度分佈 101
圖7.4.7 CS-HASMC液體速度對通量之影響 102
圖7.4.8 CS-HASMC液體濃度對通量之影響 103
圖7.4.9 CS-HASMC液體溫度對通量之影響 104
圖7.4.10 CS-HASMC煙道氣濃度對通量之影響 105
圖7.4.11 CS-HASMC真空壓力對通量之影響 106
圖7.4.12 CS-HASMC之模組設計個案MD1俯視圖 107
圖7.4.13 CS-HASMC之模組設計個案MD2俯視圖 107
圖7.4.14 CS-HASMC之模組設計個案MD3俯視圖 108
圖7.4.15 CS-HASMC之模組設計個案MD4俯視圖 108
圖7.4.16 CS-HASMC模組設計之截面平均通量分佈比較 111
圖7.5.1 PE-HASMC液體通道局部雪耳伍德數分佈與關聯式 之比較(BC) 114
圖7.5.2 PE-HASMC液體通道平均雪耳伍德數與關聯式之比較 (Cases 1-3) 115
圖7.5.3 PE-HASMC液體通道平均雪耳伍德數與關聯式之比較(Cases 4-6) 116
圖7.5.4 PE-HASMC液體通道平均雪耳伍德數與關聯式之比較 (Cases 7-8) 117
圖7.5.5 PE-HASMC液體通道平均雪耳伍德數與關聯式之比較 (Cases 9-11) 118
圖7.5.6 PE-HASMC液體通道平均雪耳伍德數與關聯式之比較 (Cases 12-14) 119
圖7.5.7 PE-HASMC液體通道平均雪耳伍德數與關聯式之比較 (Cases 15-17) 120
圖7.5.8 PS-HASMC液體通道局部雪耳伍德數分佈與關聯式之比較(BC) 122
圖7.5.9 PS-HASMC液體通道平均雪耳伍德數與關聯式之比較 (Cases 1-3) 123
圖7.5.10 PS-HASMC液體通道平均雪耳伍德數與關聯式之比較 (Cases 4-6) 124
圖7.5.11 PS-HASMC液體通道平均雪耳伍德數與關聯式之比較 (Cases 7-8) 125
圖7.5.12 PS-HASMC液體通道平均雪耳伍德數與關聯式之比較 (Cases 9-11) 126
圖7.5.13 PS-HASMC液體通道平均雪耳伍德數與關聯式之比較 (Cases 12-14) 127
圖7.5.14 CE-HASMC液體通道局部雪耳伍德數分佈與關聯式之比較(BC) 129
圖7.5.15 CE-HASMC液體通道平均雪耳伍德數與關聯式之比較(Cases 1-3) 130
圖7.5.16 CE-HASMC液體通道平均雪耳伍德數與關聯式之比較(Cases 4-6) 131
圖7.5.17 CE-HASMC液體通道平均雪耳伍德數與關聯式之比較(Cases 7-8) 132
圖7.5.18 CE-HASMC液體通道平均雪耳伍德數與關聯式之比較(Cases 9-11) 133
圖7.5.19 CE-HASMC液體通道平均雪耳伍德數與關聯式之比較(Cases 12-14) 134
圖7.5.20 CE-HASMC液體通道平均雪耳伍德數與關聯式之比較(Cases 18-19) 135
圖7.5.21 CS-HASMC液體通道平均雪耳伍德數與關聯式之比較 (Cases 1-3) 137
圖7.5.22 CE-HASMC液體通道平均雪耳伍德數與關聯式之比較(Cases 4-6) 138
圖7.5.24 CS-HASMC液體通道平均雪耳伍德數與關聯式之比較(Cases 9-11) 140
圖7.5.24 CS-HASMC液體通道平均雪耳伍德數與關聯式之比較(Cases 14-15) 141
表3.2.1 碳酸丙烯酯與二氧化碳之物理性質 19
表 4.1.1 中空纖維模組規格與薄膜特性 23
表4.2.2 PE-HASMC之各通道模組規格 25
表4.3.1 PS-HASMC之模組尺寸 26
表4.3.2 PS-HASMC之各通道網格尺寸 26
表4.5.1 CS-HASMC之模組尺寸 29
表6.1.1 二氧化碳吸收中空纖維薄膜模組之網格無關化分析個案與模擬結果 36
表6.1.2 二氧化碳吸收薄膜中空纖維模組之模式驗證結果 38
表6.2.1 PE-HASMC之網格無關化分析個案與模擬結果 40
表6.3.4 PS-HASMC之擴散係數分析個案與模擬結果 44
表6.4.1 CE-HASMC之網格無關化分析個案與模擬結果 49
表6.4.2 CE-HASMC各通道平均通量之模式驗證 51
表6.5.1-1 CS-HASMC之擴散係數分析個案與模擬結果(氣體層流動方向) 55
表6.5.1-2 CS-HASMC之擴散係數分析個案與模擬結果(液體層流動方向) 55
表7.1.1 PE-HASMC之基本個案與參數影響分析個案 62
表7.1.2 平PE-HASMC之模組設計個案與模擬結果 68
表7.2.1 PS-HASMC之基本個案與參數影響分析個案 71
表7.2.2 PS-HASMC之模組設計個案與模擬結果 77
表7.3.1 CE-HASMC之基本個案與參數影響分析個案 80
表7.3.2 CE-HASMC之模組設計個案與模擬結果 92
表7.4.1 CS-HASMC之基本個案與參數影響分析個案 97
表7.4.2 CS-HASMC-VS模組設計個案模擬結果 108
表7.5.1 空通道與間隔物通道之質傳關聯式 113
表7.5.2 PE-HASMC模組設計個案之平均雪耳伍德數與關聯式之比較 121
表7.5.3 PS-HASMC模組設計案個之平均雪耳伍德數與關聯式之比較 128
表8.1 併合模組之操作條件 145
表8.2 比較各併合模組之吸收與氣提通量 145

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