第3章　計(jì)算傳質(zhì)學(xué)的應(yīng)用（二）——化學(xué)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(xué)工業(yè)中被廣泛應(yīng)用的一種單元操作。當(dāng)溶解的氣體與溶劑或溶劑中某一組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這時(shí)氣體吸收屬于化學(xué)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(xué)吸收過程，否則為物理吸收。為了說明計(jì)算傳質(zhì)學(xué)在吸收過程中的應(yīng)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(huán)保領(lǐng)域的一個(gè)重要課題，而化學(xué)吸收是其中的一個(gè)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(yīng)是可逆的，溶劑吸收了溶質(zhì)后，可以用加熱、減壓或者變更碳化率的方法使溶質(zhì)解吸，從而使溶劑獲得再生并反復(fù)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(yè)上常被采用的方法，文獻(xiàn)上相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究也較多些。劉國標(biāo)等對這類二氧化碳吸收過程采用計(jì)算傳質(zhì)學(xué)方法進(jìn)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(yè)吸收操作上，通常采用氣液逆流操作方式，主要設(shè)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(xué)吸收的特征之一是伴隨有熱效應(yīng)產(chǎn)生。因此進(jìn)行計(jì)算傳質(zhì)學(xué)模擬時(shí)除要建立流體力學(xué)和傳質(zhì)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(zhì)、傳熱模型大部分是建立在簡化的“活塞流和無擴(kuò)散”假設(shè)基礎(chǔ)上^［4］，既不考慮填料床結(jié)構(gòu)非均勻性以及由此導(dǎo)致的流體流動(dòng)、傳質(zhì)與傳熱非均勻性，同時(shí)也忽略了過程的湍流擴(kuò)散、質(zhì)量擴(kuò)散和熱擴(kuò)散。而在實(shí)際吸收過程中，由于這些非均勻性和擴(kuò)散的存在降低了濃度梯度，從而減少了質(zhì)量傳遞推動(dòng)力，也就是降低了填料塔的吸收性能?？梢娪没钊骱蜔o擴(kuò)散模型模擬的結(jié)果與實(shí)際情況偏離較遠(yuǎn)。因此在過程的準(zhǔn)確模擬時(shí)必須考慮到這些非均勻性和擴(kuò)散效應(yīng)。

流動(dòng)的非均勻性及其湍流擴(kuò)散系數(shù)可以通過計(jì)算流體力學(xué)方法求取。但對于估計(jì)填料塔內(nèi)傳質(zhì)和傳熱的湍流擴(kuò)散，傳統(tǒng)方法是采用零方程模式，即通過經(jīng)驗(yàn)或示蹤劑實(shí)驗(yàn)來確定這些湍流擴(kuò)散系數(shù)。然而這種方法除了憑經(jīng)驗(yàn)估計(jì)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(xué)吸收過程中的傳熱、傳質(zhì)過程的模擬，就必須建立較嚴(yán)格的湍流擴(kuò)散系數(shù)和模型，用以解決傳熱、傳質(zhì)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(zhì)模型，即模型（見于第1章），以實(shí)現(xiàn)傳熱和傳質(zhì)方程的封閉，從而實(shí)現(xiàn)吸收過程的合理模擬。劉國標(biāo)等對此進(jìn)行了模擬與探討^［1～3］，如下所示。