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碳捕集与封存技术(Carbon Capture and Storage, CCS)对于减少碳排放,进而减缓全球温室效应具有重要意义。当前对于CO2捕集技术的研究大多集中于吸收法和吸附法,而低温液化分离CO2则被普遍认为只适用于CO2浓度较高的情况。事实上,低温下通过凝华的方法对CO2进行捕集也具有一定的优势。本文中首先通过对Engineering Equation Solver(EES)计算软件中CO2热力学性质的研究,并对比其他学者所采用的CO2热物性计算方法,掌握了在不同温区下CO2的热力学性质及其计算方法。基于EES计算软件,计算并对比了低温液化分离和凝华分离CO2的优劣势以及其适用性,发现虽然在相同CO2初始浓度下液化分离所需的制冷量更少,但由于液化分离过程需要较高的压力,引入了额外的能耗。在掌握CO2的热力学性质的基础之上,本文设计了基于逆布雷顿循环的低温法碳捕集流程,计算分析了各部件工况对于系统能耗的影响,并对比了单压缩单膨胀流程与单压缩双膨胀流程的能耗情况。发现与直接凝华相比,采用基于逆布雷顿循环的捕集流程能够显著降低制冷能耗,通过多途径的能量回收减少了压缩机功耗的影响,并且单压缩双膨胀流程比单压缩单膨胀流程更加节能。为进一步探究低温下N2/CO2二元系混合气体中CO2的凝华机理,本文设计并搭建了CO2凝华可视化实验装置。该实验装置由供气和预冷系统、真空系统及测量与控制系统等部分组成。实验中采用冷氮气作为冷源实现CO2的凝华,并引入了可视化的研究手段,借助内窥镜对凝华过程进行实时观测,以研究不同条件下的二氧化碳凝华特性,为CO2凝华机理的数值模拟研究奠定了基础。在初步试验过程中,系统被冷却至一定温度之后通入CO2,经过一段时间可视流道内温度达到稳定状态,与此同时CO2在换热壁面上不断凝华并积聚。