第3章　计算传质学的应用（二）——化学吸收过程

气体吸收是一种或多种气体溶解于液体的过程，它是化学工业中被广泛应用的一种单元操作。当溶解的气体与溶剂或溶剂中某一组分发生化学反应，这时气体吸收属于化学吸收，如碱溶液脱除合成氨原料气中的二氧化碳过程就是化学吸收过程，否则为物理吸收。为了说明计算传质学在吸收过程中的应用，本章以二氧化碳的吸收为例予以阐述。

二氧化碳的吸收也是目前全球环保领域的一个重要课题，而化学吸收是其中的一个重要手段。例如用醇胺吸收二氧化碳。醇胺和二氧化碳的反应是可逆的，溶剂吸收了溶质后，可以用加热、减压或者变更碳化率的方法使溶质解吸，从而使溶剂获得再生并反复使用，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）等吸收二氧化碳成为工业上常被采用的方法，文献上相应的实验研究也较多些。刘国标等对这类二氧化碳吸收过程采用计算传质学方法进行模拟^［1～3］，即MEA水溶液吸收CO₂、AMP水溶液吸收CO₂、NaOH水溶液吸收CO₂。

在工业吸收操作上，通常采用气液逆流操作方式，主要设备是填料塔或板式塔，其中使用填料塔较多，因此在本章中只讨论散堆填料塔的吸收过程模拟。

化学吸收的特征之一是伴随有热效应产生。因此进行计算传质学模拟时除要建立流体力学和传质方程外，还需建立能量方程。

目前，用于模拟填料塔吸收过程的传质、传热模型大部分是建立在简化的“活塞流和无扩散”假设基础上^［4］，既不考虑填料床结构非均匀性以及由此导致的流体流动、传质与传热非均匀性，同时也忽略了过程的湍流扩散、质量扩散和热扩散。而在实际吸收过程中，由于这些非均匀性和扩散的存在降低了浓度梯度，从而减少了质量传递推动力，也就是降低了填料塔的吸收性能。可见用活塞流和无扩散模型模拟的结果与实际情况偏离较远。因此在过程的准确模拟时必须考虑到这些非均匀性和扩散效应。

流动的非均匀性及其湍流扩散系数可以通过计算流体力学方法求取。但对于估计填料塔内传质和传热的湍流扩散，传统方法是采用零方程模式，即通过经验或示踪剂实验来确定这些湍流扩散系数。然而这种方法除了凭经验估计不可靠外，在理论上亦存疑问（参阅第1章）。

因此，合理解决化学吸收过程中的传热、传质过程的模拟，就必须建立较严格的湍流扩散系数和模型，用以解决传热、传质方程的封闭问题。本章将采用两方程传热模型，即模型（见于附录Ⅱ）以及两方程传质模型，即模型（见于第1章），以实现传热和传质方程的封闭，从而实现吸收过程的合理模拟。刘国标等对此进行了模拟与探讨^［1～3］，如下所示。