第3章　計算傳質學的應用（二）——化學吸收過程

氣體吸收是一種或多種氣體溶解于液體的過程，它是化學工業中被廣泛應用的一種單元操作。當溶解的氣體與溶劑或溶劑中某一組分發生化學反應，這時氣體吸收屬于化學吸收，如堿溶液脫除合成氨原料氣中的二氧化碳過程就是化學吸收過程，否則為物理吸收。為了說明計算傳質學在吸收過程中的應用，本章以二氧化碳的吸收為例予以闡述。

二氧化碳的吸收也是目前全球環保領域的一個重要課題，而化學吸收是其中的一個重要手段。例如用醇胺吸收二氧化碳。醇胺和二氧化碳的反應是可逆的，溶劑吸收了溶質后，可以用加熱、減壓或者變更碳化率的方法使溶質解吸，從而使溶劑獲得再生并反復使用，以降低消耗。故用醇胺液如一乙醇胺（monoethanolamine，MEA）、二乙醇胺（diethanolamine，DEA）、甲基二乙醇胺（methyldiethanolamine，MDEA）、2-胺-2-甲基-1-丙醇（2-amino-2-methyl-1-propanol，AMP）等吸收二氧化碳成為工業上常被采用的方法，文獻上相應的實驗研究也較多些。劉國標等對這類二氧化碳吸收過程采用計算傳質學方法進行模擬^［1～3］，即MEA水溶液吸收CO₂、AMP水溶液吸收CO₂、NaOH水溶液吸收CO₂。

在工業吸收操作上，通常采用氣液逆流操作方式，主要設備是填料塔或板式塔，其中使用填料塔較多，因此在本章中只討論散堆填料塔的吸收過程模擬。

化學吸收的特征之一是伴隨有熱效應產生。因此進行計算傳質學模擬時除要建立流體力學和傳質方程外，還需建立能量方程。

目前，用于模擬填料塔吸收過程的傳質、傳熱模型大部分是建立在簡化的“活塞流和無擴散”假設基礎上^［4］，既不考慮填料床結構非均勻性以及由此導致的流體流動、傳質與傳熱非均勻性，同時也忽略了過程的湍流擴散、質量擴散和熱擴散。而在實際吸收過程中，由于這些非均勻性和擴散的存在降低了濃度梯度，從而減少了質量傳遞推動力，也就是降低了填料塔的吸收性能。可見用活塞流和無擴散模型模擬的結果與實際情況偏離較遠。因此在過程的準確模擬時必須考慮到這些非均勻性和擴散效應。

流動的非均勻性及其湍流擴散系數可以通過計算流體力學方法求取。但對于估計填料塔內傳質和傳熱的湍流擴散，傳統方法是采用零方程模式，即通過經驗或示蹤劑實驗來確定這些湍流擴散系數。然而這種方法除了憑經驗估計不可靠外，在理論上亦存疑問（參閱第1章）。

因此，合理解決化學吸收過程中的傳熱、傳質過程的模擬，就必須建立較嚴格的湍流擴散系數和模型，用以解決傳熱、傳質方程的封閉問題。本章將采用兩方程傳熱模型，即模型（見于附錄Ⅱ）以及兩方程傳質模型，即模型（見于第1章），以實現傳熱和傳質方程的封閉，從而實現吸收過程的合理模擬。劉國標等對此進行了模擬與探討^［1～3］，如下所示。