溫室氣體的剋星來了，集成3D列印熱交換器的吸收塔發揮關鍵作用
2020-09-04 3D科學谷溫室效應是全球共同關注的環境保護話題，但在無法避免使用產生碳排放問題的化石類燃料的情況下，減少二氧化碳排放量是解決辦法之一。
ORNL 實驗室研發了一種3D列印鋁合金設備，該設備實際上是一種二氧化碳氣體吸收塔中的填料元件，對工廠排出的二氧化碳氣體具有增強的捕獲能力。集成在3D列印填料元件中的熱交換結構在其中發揮了關鍵作用。
本期，3D科學谷將通過這一案例，並結合工業增材製造領域出現的熱交換結構與零部件相集成的趨勢，與谷友一起領略金屬3D列印技術在熱管理領域的潛能。
內部集成了熱交換結構的3D列印填料元件。來源：ORNL
增材製造實現的原位冷卻
吸收是捕獲二氧化碳氣體常用、經濟的方法，在這一過程中，煙囪中的煙氣流與可與單乙醇胺（稱為MEA）等溶劑進行接觸，這些溶劑能夠與氣體發生反應。
在這種碳吸收方式中通常會產生熱量，如果多餘的熱量無法及時排出，那麼整個工藝的效率就會大打折扣。而3D列印設備中正是解決溶劑碳吸收過程中熱交換問題的途徑。
3D列印填料內部集成的熱交換結構。來源：ORNL
3D列印設備中集成了熱交換結構與質量交換器。研究團隊對這種3D列印設備進行了測試。3D列印設備被安裝在一個1米高，8英寸寬的吸收塔中，吸收塔由七個商用不鏽鋼填料組成，3D列印設備被安裝在不鏽鋼填料元件之間的色譜柱上半部分。
受限於製造工藝，傳統吸收塔填料外部幾何形狀複雜，並且很難集成熱交換功能。3D列印設備也屬於吸收塔中的填料元件，優勢是能夠在不增加體積和外部幾何結構複雜性的前提下進行功能集成，即相當於填料元件中集成了熱交換器和質量交換器。
研究團隊稱之為3D列印增強型設備。那麼，有了這種功能集成的3D列印設備，二氧化碳吸收塔的功能得到了哪些增強呢？根據ORNL 實驗室的描述，3D列印設備所具有的原位冷卻功能增加了二氧化碳氣體的液態轉化量，使氣流和液體流之間的接觸表面積最大化，從而增強了質量傳遞。
控制吸收過程中的溫度，對於二氧化碳捕獲非常關鍵。3D列印設備中集成的熱交換功能，可以減少色譜柱中的局部溫度峰值，有助於提高二氧化碳的捕集效率。
起到熱交換功能的冷卻通道就隱藏在3D列印設備的內部。3D列印設備直徑為20.3釐米，高度為14.6釐米，總流體容量為0.6升。研究團隊並未揭示採用的是哪種鋁合金材料，但表示具有高導熱性和結構強度。當然，該設備還可以採用其他材料進行增材製造，例如新興的高熱導率聚合物。
研究團隊在發表的研究論文中展示了這一3D列印設備為吸收塔二氧化碳捕獲能力所帶來的提升。他們進行了兩個單獨的實驗，一個改變含二氧化碳的氣體流量，另一個改變MEA溶劑的流量。這些實驗旨在確定哪種操作條件將對碳捕獲效率產生最大的好處。兩項實驗均顯著提高了碳捕獲率，並證明了捕獲程度始終取決於氣體流速。該研究還顯示了在二氧化碳濃度為20％時的捕獲峰值，根據操作條件，捕獲率增加的百分比範圍為2.2％至15.5％。
未來的研究將集中在優化操作條件和設備的幾何形狀上，以在碳捕獲吸收過程中產生更多的改進。
3D科學谷Review
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