适读人群：本书可作为高等院校化学工程专业研究生的教学参考书，也可为化工科技人员进一步开展计算传质学的研究和应用提供参考。
“化工计算传质学”是余国琮院士和袁希钢教授在国际上首先提出的新学科领域，化工计算传质学可以实现对工业传质设备的准确模拟，以期达到优化设备设计、省却中间放大过程、缩短开发周期、节省成本和节能的目的，同时可作为评估现有传质设备效能的基础。本书系统总结了化工计算传质学的数学模型、模拟计算方法及其在化工过程及界面传质等方面的应用，凝结了作者研究团队多年的研究成果和深刻体会，对普及化工计算传质学具有积极意义，对于化工科技人员学习和利用化工计算传质学解决实际问题具有重要参考价值。

内容简介

本书系统介绍了针对化工气液传质过程的计算传质学。前7章主要介绍化工过程传质计算，内容包括基本微分方程组数学模型以及用数值计算求取设备内浓度场及有关传质、传热及流动参数的方法；计算传质学在精馏、化学吸收、吸附、固定床催化反应与流态化过程的应用及计算实例；多组分传质的计算，包括传质系数及平衡组成。第8、第9章介绍化工界面传质计算，内容包括传质过程中的Marangoni效应、Rayleigh效应等界面效应，以及采用格子�睟oltzmann方法在气液界面传质过程的模拟等。书后附录了与计算传质学相关的计算流体力学和计算传热学的基础知识以及一些经验关联式。
本书可作为高等院校化学工程专业研究生的教学参考书，也可为化工科技人员进一步开展计算传质学的研究和应用提供参考。

作者简介

余国琮，天津大学教授，中国科学院院士，长期从事传质分离领域研究和教学，承担国家自然科学基金重大、重点项目多项，发表论文300余篇，获国家科技进步二等奖、省部级科技进步一等奖、何梁何利科技进步奖等奖励13项。余国琮先生是我国精馏分离学科创始人、现代工业精馏技术的先行者、化工分离工程科学的开拓者，余国琮在精馏技术基础研究、成果转化和产业化领域做出了系统、开创性工作。
袁希钢，天津大学教授，博士研究生导师，天津大学化学工程研究所所长，化学工程联合国家重点实验室天津大学精馏分离实验室主任，中国人民政治协商会议第十二届全国委员会委员。近年来主持或完成国家自然科学基金重点项目、“973”课题、“863”重点课题、国家支撑计划等国家重大、重点项目7项，天津市及教育部科学基金项目10余项，提出了精馏过程气液两相流计算流体力学的多种模型、计算传质学模型，建立了基于界面湍动现象分析的小尺度溶质渗透理论；针对大规模复杂过程系统，提出了间歇过程及分离系统的能量集成等复杂系统的建模与优化的多种统计学方法。在国内外学术刊物上发表论文80余篇，合著出版专著2部，参编出版专著4部

内页插图

第1章　计算传质学基本方程 5
1.1　质量守恒方程及其封闭 5
1.2　传统的求解湍流传质扩散系数方法 6
1.2.1 特征数法 7
1.2.2 实验测定法(惰性示踪剂法) 7
1.3　质量守恒方程封闭的两方程模型（c'2-εc'模型） 9
1.3.1 两方程模型(c'2-εc'模型)的导出 9
1.3.2 近壁区计算 19
1.4　质量守恒方程封闭的雷诺质流u'ic'模型 20
1.4.1 标准雷诺质流模型 20
1.4.2 混合雷诺质流模型 22
1.4.3 代数雷诺质流模型 23
1.4.4 雷诺质流对过程传质的影响 23
1.4.5 各向异性的扩散系数 24
1.5　计算传质学的数学方程体系 24
1.5.1 数学模型方程组 25
1.5.2 数学模型方程体系的统一 27
1.6　湍流传递扩散系数的关系 29
1.7　边界条件的确定 30
1.7.1 入口边界条件 30
1.7.2 出口边界条件 32
1.7.3 塔壁边界条件 32
1.8　模型的验证 32
1.9　气液两相流模拟方法 35
1.9.1 两相流模型 35
1.9.2 在气相相互作用下的单液相流体方法 36
1.9.3 气液混合流模型 37
符号说明 38
参考文献 38
第2 章　计算传质学的应用( 一) ——精馏过程 41
2.1　板式塔的模拟 42
2.1.1 板式塔传质扩散特征数模型 42
2.1.2 板式塔传质扩散c'2-εc'两方程模型 46
2.1.3 板式塔传质扩散雷诺质流模型 52
2.1.4 多组分点效率的预测 59
2.2　填料塔的模拟 67
2.2.1 填料塔湍流传质扩散c'2-εc'模型 67
2.2.2 填料塔雷诺质流模型 74
2.3　总结 80
符号说明 81
参考文献 81
第3 章　计算传质学的应用( 二) ——化学吸收过程 84
3.1　化学吸收过程c'2-εc'两方程数学模型 85
3.1.1 模型方程 85
3.1.2 CO2的MEA水溶液化学吸收过程模拟及验证 88
3.1.3 CO2的AMP水溶液化学吸收过程模拟及验证 99
3.1.4 CO2的NaOH水溶液化学吸收过程模拟及验证 104
3.2　化学吸收过程雷诺质流模型 110
3.2.1 液相相互作用数学模型 110
3.2.2 CO2的MEA水溶液吸收过程模拟及验证 112
3.2.3 CO2的NaOH水溶液化学吸收过程模拟及验证 117
3.3　总结 120
符号说明 121
参考文献 121
第4 章　计算传质学的应用( 三) ——吸附过程 124
4.1　吸附过程c'2-εc'双方程数学模型 124
4.1.1 模型方程 124
4.1.2 模型计算策略 130
4.1.3 模拟结果与实验的验证 130
4.2　吸附过程传质雷诺质流模型 136
4.2.1 模型方程 137
4.2.2 模拟结果与验证 138
4.2.3 解吸(再生)过程的模拟与验证 142
4.3　总结 143
符号说明 144
参考文献 145
第5 章　计算传质学的应用（四） ——固定床催化反应 147
5.1　模拟对象：壁冷式固定床催化反应器 148
5.2　数学模型 149
5.2.1 c'2-εc'两方程模型 149
5.2.2 源项的确定 152
5.2.3 边界条件 152
5.2.4 模拟结果与实验结果的比较 153
5.3　用于催化反应器模拟的雷诺质流模型 160
5.3.1 模型方程 160
5.3.2 模拟结果及验证 162
5.3.3 各向异性扩散系数 164
5.4　总结 166
符号说明 166
参考文献 168
第6 章　计算传质学的应用( 五) ——流态化床反应过程 170
6.1　流态化床的流动特性 170
6.2　c 2-εc两方程模拟流态化过程 173
6.2.1 在固定流态化床反应器中除去废气中的CO2 173
6.2.2 在CFB反应器上行床中臭氧分解的模拟 181
6.2.3 在CFB反应器下行床中臭氧分解的模拟 183
6.3　雷诺质流模型 186
6.3.1 CFB反应器上行床中臭氧分解的模拟 190
6.3.2 CFB反应器下行床中臭氧分解的模拟 197
6.4　总结 199
符号说明 200
参考文献 201
第7 章　传质理论及多组分系统的传质 203
7.1　早期经典的传质理论 203
7.1.1 双膜理论 204
7.1.2 渗透理论 205
7.1.3 表面更新理论 205
7.1.4 经典传质理论的发展 206
7.2　近界面的传质理论 207
7.2.1 湍流扩散传质理论 207
7.2.2 旋涡传质理论 208
7.3　基于界面状态的传质理论 209
7.3.1 界面效应理论 209
7.3.2 界面阻力理论 210
7.4　两组分体系传质系数的估算 211
7.5　气液相间平衡成分的估算 215
7.5.1 非理想溶液的热力学关系 215
7.5.2 过量(剩余)自由能 216
7.5.3 活度系数估算的半经验方程法 217
7.5.4 活度系数估算的基团贡献法 220
7.5.5 活度系数的实验测量 222
7.6　多组分系统的质量传递方程 226
7.6.1 普遍化的Fick定律 226
7.6.2 普遍化的Maxwell-Stefan方程 227
7.7　多组分质量传递方程的求解 229
7.7.1 与膜理论相结合的Maxwell-Stefan方程解法 229
7.7.2 结合渗透理论的Maxwell-Stefan方程解法 234
7.8　多组分质量传递方程的应用示例——精馏塔塔板上传质点效率的计算 241
7.8.1 Oldershaw塔板上的点效率模型 243
7.8.2 Oldershaw塔板上的点效率计算 247
7.8.3 组分交互作用现象 259
符号说明 260
参考文献 261
第8 章　气液传质过程的界面效应 265
8.1　Marangoni 对流现象的实验观测 269
8.1.1 传质界面为水平及液体静止情况下的结构 271
8.1.2 传质界面为水平及液体流动情况下的结构 275
8.1.3 传质界面为垂直(降膜)及液体流动情况下的结构 276
8.1.4 化学吸收界面的结构 277
8.2　Marangoni 对流的分析 280
8.3　产生Marangoni 对流的数学模拟 281
8.3.1 数学模型 281
8.3.2 过程稳定性分析及失稳的临界马仑高尼数 283
8.4　气液界面Marangoni 效应强化传质的理论分析 286
8.5　气液界面Marangoni 效应的传质增强实验 289
8.5.1 界面为静止水平的传质增强实验 289
8.5.2 界面为垂直流动(降膜)的传质增强实验 291
8.6　从界面有序到无序的过渡 293
8.7　考虑Marangoni 效应的传质理论 296
8.8　Rayleigh 对流的数学模拟 300
8.8.1 数学模型 300
8.8.2 模拟求解结果及分析 303
8.9　Rayleigh 对流的测量 310
8.10　气液界面上二维浓度分布的模拟与观测 312
8.10.1 界面上二维平面状态的模拟 312
8.10.2 界面浓度梯度的观测 315
8.11　在可变形界面同时进行传质与传热的Marangoni 效应 317
8.11.1 模拟方程 317
8.11.2 扰动方程 318
8.11.3 界面变形的影响 318
8.11.4 边界条件 319
8.11.5 方程及其边界条件的无量纲化 321
8.11.6 稳定性分析 322
8.11.7 计算结果 323
8.12　气液传质界面效应的产生过程 325
符号说明 326
参考文献 327
第9 章　格子-Boltzmann 方法对气液界面传质过程的模拟 329
9.1　格子-Boltzmann 方法简介 329
9.1.1 从格子-气方法到格子-Boltzmann方法 329
9.1.2 格子-Boltzmann方法基本方程 330
9.1.3 格子模型 331
9.1.4 边界条件 333
9.1.5 计算步骤 334
9.1.6 有外力影响的格子-Boltzmann方程 335
9.1.7 传热过程的格子-Boltzmann方法 336
9.1.8 传质过程的格子-Boltzmann方法 338
9.1.9 格子模型计算与实际对象的关系 338
9.1.10 格子-Boltzmann方法的应用 339
9.2　溶质从界面向主体扩散的格子-Boltzmann 模拟 339
9.2.1 数学模型 340
9.2.2 界面上单个溶质高浓度点的扩散过程 340
9.2.3 系统物性对界面溶质扩散的影响 343
9.2.4 界面上均布的多个溶质高浓度点的扩散过程 346
9.2.5 界面上非均布的多个溶质高浓度点的扩散过程 348
9.2.6 界面上随机的溶质高浓度点的扩散过程 350
符号说明 362
参考文献 363
附录 365
附录Ⅰ　计算流体力学基础 365
附录Ⅱ　计算传热学基础 382
附录Ⅲ　填料塔内传质系数和传质表面积的经验关联式 391
附录Ⅳ　传质系数模型数据库 398
附录Ⅴ　散堆填料塔内气液两相逆流操作总持液量的关联式 419
附录Ⅵ　平衡分布函数离散方程的推导 421
附录Ⅶ　格子-Boltzmann 模型导出Navier-Stokes 方程 425

前言/序言

随着计算机与计算技术的进步以及由此而发展出的数值计算，先后又与工程学科、基础学科乃至人文学科等多种学科交叉融合，已成功建立了一些新的学科，如计算力学、计算化学、计算物理学、计算生物学等。可见数值计算与理论研究以及实验探索已经成为研究科学与技术问题的三个基本方法，同时数值计算也成为解决实际问题的一个重要手段。
在20世纪70年代，数值计算与流体力学相结合开创性地发展出计算流体力学(computational fluid dynamics)，随后又与传热相结合发展出计算传热学(computational heat transfer)。通过这两个学术领域中的数值计算，能够预测在各种情况下流动和传热过程中的状态和有关参数信息，因此在包括化学工程在内的广阔工程领域中得到了广泛应用，获得了显著效果，解决了一些过去无法解决的难题，如预测设备内的流速场和温度场等。
但在化学工程学科中，由于一般化工过程的主要目标是物质的转化，特别是其中的传质和化学反应，它不仅需要知道有关流体流动及传热过程的情况，更需要了解过程局部及整体的传质和化学反应状态及有关参数方面的全部信息，因为这些信息是预测化工设备效能以及优化设计或对设备评估改进所不可缺少的重要依据，特别是对表征主要传质状态的浓度场(浓度分布)尤为重要。然而浓度场的计算与预测目前只有两种方法：一种方法是假设湍流施密特数(Sct)或湍流佩克莱数(Pet)为一个常数，并结合计算流体力学模拟结果来计算；另一种方法是采用通过惰性示踪剂在小型或类似的实验中得到的有关经验关联式来计算。但这些方法在理论上和实践上都被证明是不可靠的，甚至有相当大的误差，因此寻求可靠的计算与预测传质状态的方法，包括设备内的浓度场以及有关传质过程的重要参数(如湍流传质扩散系数等)，就成为化工学者亟待解决的问题。
然而化工传质过程常常是多相、多组分、非理想、非恒温、非平衡、非稳态的复杂过程，影响传质设备效能的因素很多，除流速、温度和浓度分布外，还有界面效应、多组分效应、结构、尺度效应等许多方面，而且彼此相互作用，这使预测传质设备内浓度场、未知的传质参数以及局部和整体传质效率的准确数学模拟与计算更为复杂，需要采用数值方法才有可能解决。为此而发展出的数值计算与传质过程理论相结合并与相关学科交叉的计算传质学(computational mass transfer)，就自然成为需要进行探索的一个新领域。
计算传质学是研究通过数值计算来预测传质过程及设备内与传质有关的全部信息的理论和方法，包括预测浓度场、局部与整体的传递参数、界面效应、传质效率以及同时获得的流速场、温度场等方面的信息，从而能够定量描述传质过程的全面状态与评估过程的完善程度。
计算传质学中需要解决的关键问题之一是对传质微分方程的封闭，并且在此基础上与计算流体力学和计算传热学的方程相结合，从而建立对传质过程中的动量、质量和热量传递现象严格模拟的计算传递体系。在此基础上可以求解在传质、传热、传质和化学反应耦合条件下化工设备中的浓度场，同时也能得到流速场、温度场、压力场和有关的传递参数的分布以及界面传递、多组分系统、设备结构及尺度等效应的影响。根据这些结果就能更准确地进行优化设计或对现有设备进行评估，以发现设备的薄弱环节并加以改进。因此对计算传质学的探索，不但可提高化工传质过程数学模拟的水平，还能据此提高传质效能和进一步了解过程传递的实质。此外，还有助于将实验室结果直接模拟放大到工业传质设备。从广义观点来说，计算传质学可应用于含有传质的所有过程，而不只限于化工过程。由此可见，开拓发展计算传质学具有理论和现实意义。
化学工程学科经过近百年的发展，先后经过了以“单元操作”为标志的里程，以及以“三传一反”(动量传递、热量传递、质量传递和化学反应工程)为标志的第二里程。化学工程学科发展的第三里程目前还未有定论，但化学工程与数值计算技术及相关学科交叉融合并向多尺度方向发展(包括微观尺度、介观尺度、宏观尺度以及大宏观尺度)，从而形成的“计算化学工程”，无疑将会是第三里程中的主要发展内容之一，而化工计算传质学将是其中一个重要的组成部分。
有鉴于此，近年来我们和所指导的一些研究生开展了计算传质学的初期研究工作，主要是探讨传质方程的封闭、计算传质学在化工过程中的应用以及界面效应对传质的影响，以期初步建立化工计算传质学的框架。本书是上述研究工作的部分介绍。
化工计算传质学目前包含化工过程传质计算与界面传质计算两个方面，二者既有联系，但探讨重点又各不相同。一方面，化工过程传质计算主要是探讨各类化工过程和设备中的浓度分布以及速度、温度、压力和有关参数的局部与整体状态的预测，并且考察多组分系统、设备结构与尺度大小等因素对传质效率的影响，从而能使设备设计优化或者提出提高现有传质效率的方案；另一方面是界面传质计算，主要探讨界面效应对传质过程的影响及传质过程的机理,从而进一步理解传质现象，以期改进传统的传质理论及寻求提高传质效率的根本途径。
本书内容只论及化学工程中气液传质过程的化工计算传质学。第1章给出计算传质学的基本方程；第2、第3、第4、第5、第6章分别介绍计算传质学在精馏、化学吸收、吸附、固定床催化反应与流态化过程的应用举例；第7章介绍多组分传质的计算，包括传质系数及平衡组成；第8、第9章分别讨论传质过程中的界面效应，包括Marangoni效应、Rayleigh效应以及采用格子�睟oltzmann方法在界面传质的模拟。书中附录Ⅰ和附录Ⅱ分别扼要叙述计算流体力学和计算传热学的基础，作为计算传质学的相关知识；附录Ⅲ、附录Ⅳ和附录Ⅴ分别给出了文献中较为常用的填料塔的传质系数、有效传质面积以及持液量的有关关联式；关于用于格子�睟oltzmann方法的粒子平衡态分布函数的推导及其与Navier�睸tokes方程之间的关系分别由附录Ⅵ和附录Ⅶ给出。
由于我们开展此项研究工作的时间较短化工计算传质学下载 mobi epub pdf txt 电子书格式