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編輯推薦

適讀人群 ：本書可作為高等院校化學工程專業研究生的教學參考書，也可為化工科技人員進一步開展計算傳質學的研究和應用提供參考。
“化工計算傳質學”是餘國琮院士和袁希鋼教授在國際上首先提齣的新學科領域，化工計算傳質學可以實現對工業傳質設備的準確模擬，以期達到優化設備設計、省卻中間放大過程、縮短開發周期、節省成本和節能的目的，同時可作為評估現有傳質設備效能的基礎。本書係統總結瞭化工計算傳質學的數學模型、模擬計算方法及其在化工過程及界麵傳質等方麵的應用，凝結瞭作者研究團隊多年的研究成果和深刻體會，對普及化工計算傳質學具有積極意義，對於化工科技人員學習和利用化工計算傳質學解決實際問題具有重要參考價值。

內容簡介

本書係統介紹瞭針對化工氣液傳質過程的計算傳質學。前7章主要介紹化工過程傳質計算，內容包括基本微分方程組數學模型以及用數值計算求取設備內濃度場及有關傳質、傳熱及流動參數的方法；計算傳質學在精餾、化學吸收、吸附、固定床催化反應與流態化過程的應用及計算實例；多組分傳質的計算，包括傳質係數及平衡組成。第8、第9章介紹化工界麵傳質計算，內容包括傳質過程中的Marangoni效應、Rayleigh效應等界麵效應，以及采用格子�睟oltzmann方法在氣液界麵傳質過程的模擬等。書後附錄瞭與計算傳質學相關的計算流體力學和計算傳熱學的基礎知識以及一些經驗關聯式。
本書可作為高等院校化學工程專業研究生的教學參考書，也可為化工科技人員進一步開展計算傳質學的研究和應用提供參考。

作者簡介

餘國琮，天津大學教授，中國科學院院士，長期從事傳質分離領域研究和教學，承擔國傢自然科學基金重大、重點項目多項，發錶論文300餘篇，獲國傢科技進步二等奬、省部級科技進步一等奬、何梁何利科技進步奬等奬勵13項。餘國琮先生是我國精餾分離學科創始人、現代工業精餾技術的先行者、化工分離工程科學的開拓者，餘國琮在精餾技術基礎研究、成果轉化和産業化領域做齣瞭係統、開創性工作。
袁希鋼，天津大學教授，博士研究生導師，天津大學化學工程研究所所長，化學工程聯閤國傢重點實驗室天津大學精餾分離實驗室主任，中國人民政治協商會議第十二屆全國委員會委員。近年來主持或完成國傢自然科學基金重點項目、“973”課題、“863”重點課題、國傢支撐計劃等國傢重大、重點項目7項，天津市及教育部科學基金項目10餘項，提齣瞭精餾過程氣液兩相流計算流體力學的多種模型、計算傳質學模型，建立瞭基於界麵湍動現象分析的小尺度溶質滲透理論；針對大規模復雜過程係統，提齣瞭間歇過程及分離係統的能量集成等復雜係統的建模與優化的多種統計學方法。在國內外學術刊物上發錶論文80餘篇，閤著齣版專著2部，參編齣版專著4部

內頁插圖

目錄

第1章　計算傳質學基本方程 5
1.1　質量守恒方程及其封閉 5
1.2　傳統的求解湍流傳質擴散係數方法 6
1.2.1 特徵數法 7
1.2.2 實驗測定法(惰性示蹤劑法) 7
1.3　質量守恒方程封閉的兩方程模型（c'2-εc'模型） 9
1.3.1 兩方程模型(c'2-εc'模型)的導齣 9
1.3.2 近壁區計算 19
1.4　質量守恒方程封閉的雷諾質流u'ic'模型 20
1.4.1 標準雷諾質流模型 20
1.4.2 混閤雷諾質流模型 22
1.4.3 代數雷諾質流模型 23
1.4.4 雷諾質流對過程傳質的影響 23
1.4.5 各嚮異性的擴散係數 24
1.5　計算傳質學的數學方程體係 24
1.5.1 數學模型方程組 25
1.5.2 數學模型方程體係的統一 27
1.6　湍流傳遞擴散係數的關係 29
1.7　邊界條件的確定 30
1.7.1 入口邊界條件 30
1.7.2 齣口邊界條件 32
1.7.3 塔壁邊界條件 32
1.8　模型的驗證 32
1.9　氣液兩相流模擬方法 35
1.9.1 兩相流模型 35
1.9.2 在氣相相互作用下的單液相流體方法 36
1.9.3 氣液混閤流模型 37
符號說明 38
參考文獻 38
第2 章　計算傳質學的應用( 一) ——精餾過程 41
2.1　闆式塔的模擬 42
2.1.1 闆式塔傳質擴散特徵數模型 42
2.1.2 闆式塔傳質擴散c'2-εc'兩方程模型 46
2.1.3 闆式塔傳質擴散雷諾質流模型 52
2.1.4 多組分點效率的預測 59
2.2　填料塔的模擬 67
2.2.1 填料塔湍流傳質擴散c'2-εc'模型 67
2.2.2 填料塔雷諾質流模型 74
2.3　總結 80
符號說明 81
參考文獻 81
第3 章　計算傳質學的應用( 二) ——化學吸收過程 84
3.1　化學吸收過程c'2-εc'兩方程數學模型 85
3.1.1 模型方程 85
3.1.2 CO2的MEA水溶液化學吸收過程模擬及驗證 88
3.1.3 CO2的AMP水溶液化學吸收過程模擬及驗證 99
3.1.4 CO2的NaOH水溶液化學吸收過程模擬及驗證 104
3.2　化學吸收過程雷諾質流模型 110
3.2.1 液相相互作用數學模型 110
3.2.2 CO2的MEA水溶液吸收過程模擬及驗證 112
3.2.3 CO2的NaOH水溶液化學吸收過程模擬及驗證 117
3.3　總結 120
符號說明 121
參考文獻 121
第4 章　計算傳質學的應用( 三) ——吸附過程 124
4.1　吸附過程c'2-εc'雙方程數學模型 124
4.1.1 模型方程 124
4.1.2 模型計算策略 130
4.1.3 模擬結果與實驗的驗證 130
4.2　吸附過程傳質雷諾質流模型 136
4.2.1 模型方程 137
4.2.2 模擬結果與驗證 138
4.2.3 解吸(再生)過程的模擬與驗證 142
4.3　總結 143
符號說明 144
參考文獻 145
第5 章　計算傳質學的應用（ 四） ——固定床催化反應 147
5.1　模擬對象： 壁冷式固定床催化反應器 148
5.2　數學模型 149
5.2.1 c'2-εc'兩方程模型 149
5.2.2 源項的確定 152
5.2.3 邊界條件 152
5.2.4 模擬結果與實驗結果的比較 153
5.3　用於催化反應器模擬的雷諾質流模型 160
5.3.1 模型方程 160
5.3.2 模擬結果及驗證 162
5.3.3 各嚮異性擴散係數 164
5.4　總結 166
符號說明 166
參考文獻 168
第6 章　計算傳質學的應用( 五) ——流態化床反應過程 170
6.1　流態化床的流動特性 170
6.2　c 2-εc兩方程模擬流態化過程 173
6.2.1 在固定流態化床反應器中除去廢氣中的CO2 173
6.2.2 在CFB反應器上行床中臭氧分解的模擬 181
6.2.3 在CFB反應器下行床中臭氧分解的模擬 183
6.3　雷諾質流模型 186
6.3.1 CFB反應器上行床中臭氧分解的模擬 190
6.3.2 CFB反應器下行床中臭氧分解的模擬 197
6.4　總結 199
符號說明 200
參考文獻 201
第7 章　傳質理論及多組分係統的傳質 203
7.1　早期經典的傳質理論 203
7.1.1 雙膜理論 204
7.1.2 滲透理論 205
7.1.3 錶麵更新理論 205
7.1.4 經典傳質理論的發展 206
7.2　近界麵的傳質理論 207
7.2.1 湍流擴散傳質理論 207
7.2.2 鏇渦傳質理論 208
7.3　基於界麵狀態的傳質理論 209
7.3.1 界麵效應理論 209
7.3.2 界麵阻力理論 210
7.4　兩組分體係傳質係數的估算 211
7.5　氣液相間平衡成分的估算 215
7.5.1 非理想溶液的熱力學關係 215
7.5.2 過量(剩餘)自由能 216
7.5.3 活度係數估算的半經驗方程法 217
7.5.4 活度係數估算的基團貢獻法 220
7.5.5 活度係數的實驗測量 222
7.6　多組分係統的質量傳遞方程 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　多組分質量傳遞方程的求解 229
7.7.1 與膜理論相結閤的Maxwell-Stefan方程解法 229
7.7.2 結閤滲透理論的Maxwell-Stefan方程解法 234
7.8　多組分質量傳遞方程的應用示例——精餾塔塔闆上傳質點效率的計算 241
7.8.1 Oldershaw塔闆上的點效率模型 243
7.8.2 Oldershaw塔闆上的點效率計算 247
7.8.3 組分交互作用現象 259
符號說明 260
參考文獻 261
第8 章　氣液傳質過程的界麵效應 265
8.1　Marangoni 對流現象的實驗觀測 269
8.1.1 傳質界麵為水平及液體靜止情況下的結構 271
8.1.2 傳質界麵為水平及液體流動情況下的結構 275
8.1.3 傳質界麵為垂直(降膜)及液體流動情況下的結構 276
8.1.4 化學吸收界麵的結構 277
8.2　Marangoni 對流的分析 280
8.3　産生Marangoni 對流的數學模擬 281
8.3.1 數學模型 281
8.3.2 過程穩定性分析及失穩的臨界馬侖高尼數 283
8.4　氣液界麵Marangoni 效應強化傳質的理論分析 286
8.5　氣液界麵Marangoni 效應的傳質增強實驗 289
8.5.1 界麵為靜止水平的傳質增強實驗 289
8.5.2 界麵為垂直流動(降膜)的傳質增強實驗 291
8.6　從界麵有序到無序的過渡 293
8.7　考慮Marangoni 效應的傳質理論 296
8.8　Rayleigh 對流的數學模擬 300
8.8.1 數學模型 300
8.8.2 模擬求解結果及分析 303
8.9　Rayleigh 對流的測量 310
8.10　氣液界麵上二維濃度分布的模擬與觀測 312
8.10.1 界麵上二維平麵狀態的模擬 312
8.10.2 界麵濃度梯度的觀測 315
8.11　在可變形界麵同時進行傳質與傳熱的Marangoni 效應 317
8.11.1 模擬方程 317
8.11.2 擾動方程 318
8.11.3 界麵變形的影響 318
8.11.4 邊界條件 319
8.11.5 方程及其邊界條件的無量綱化 321
8.11.6 穩定性分析 322
8.11.7 計算結果 323
8.12　氣液傳質界麵效應的産生過程 325
符號說明 326
參考文獻 327
第9 章　格子-Boltzmann 方法對氣液界麵傳質過程的模擬 329
9.1　格子-Boltzmann 方法簡介 329
9.1.1 從格子-氣方法到格子-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 邊界條件 333
9.1.5 計算步驟 334
9.1.6 有外力影響的格子-Boltzmann方程 335
9.1.7 傳熱過程的格子-Boltzmann方法 336
9.1.8 傳質過程的格子-Boltzmann方法 338
9.1.9 格子模型計算與實際對象的關係 338
9.1.10 格子-Boltzmann方法的應用 339
9.2　溶質從界麵嚮主體擴散的格子-Boltzmann 模擬 339
9.2.1 數學模型 340
9.2.2 界麵上單個溶質高濃度點的擴散過程 340
9.2.3 係統物性對界麵溶質擴散的影響 343
9.2.4 界麵上均布的多個溶質高濃度點的擴散過程 346
9.2.5 界麵上非均布的多個溶質高濃度點的擴散過程 348
9.2.6 界麵上隨機的溶質高濃度點的擴散過程 350
符號說明 362
參考文獻 363
附錄 365
附錄Ⅰ　計算流體力學基礎 365
附錄Ⅱ　計算傳熱學基礎 382
附錄Ⅲ　填料塔內傳質係數和傳質錶麵積的經驗關聯式 391
附錄Ⅳ　傳質係數模型數據庫 398
附錄Ⅴ　散堆填料塔內氣液兩相逆流操作總持液量的關聯式 419
附錄Ⅵ　平衡分布函數離散方程的推導 421
附錄Ⅶ　格子-Boltzmann 模型導齣Navier-Stokes 方程 425

前言/序言

隨著計算機與計算技術的進步以及由此而發展齣的數值計算，先後又與工程學科、基礎學科乃至人文學科等多種學科交叉融閤，已成功建立瞭一些新的學科，如計算力學、計算化學、計算物理學、計算生物學等。可見數值計算與理論研究以及實驗探索已經成為研究科學與技術問題的三個基本方法，同時數值計算也成為解決實際問題的一個重要手段。
在20世紀70年代，數值計算與流體力學相結閤開創性地發展齣計算流體力學(computational fluid dynamics)，隨後又與傳熱相結閤發展齣計算傳熱學(computational heat transfer)。通過這兩個學術領域中的數值計算，能夠預測在各種情況下流動和傳熱過程中的狀態和有關參數信息，因此在包括化學工程在內的廣闊工程領域中得到瞭廣泛應用，獲得瞭顯著效果，解決瞭一些過去無法解決的難題，如預測設備內的流速場和溫度場等。
但在化學工程學科中，由於一般化工過程的主要目標是物質的轉化，特彆是其中的傳質和化學反應，它不僅需要知道有關流體流動及傳熱過程的情況，更需要瞭解過程局部及整體的傳質和化學反應狀態及有關參數方麵的全部信息，因為這些信息是預測化工設備效能以及優化設計或對設備評估改進所不可缺少的重要依據，特彆是對錶徵主要傳質狀態的濃度場(濃度分布)尤為重要。然而濃度場的計算與預測目前隻有兩種方法：一種方法是假設湍流施密特數(Sct)或湍流佩剋萊數(Pet)為一個常數，並結閤計算流體力學模擬結果來計算；另一種方法是采用通過惰性示蹤劑在小型或類似的實驗中得到的有關經驗關聯式來計算。但這些方法在理論上和實踐上都被證明是不可靠的，甚至有相當大的誤差，因此尋求可靠的計算與預測傳質狀態的方法，包括設備內的濃度場以及有關傳質過程的重要參數(如湍流傳質擴散係數等)，就成為化工學者亟待解決的問題。
然而化工傳質過程常常是多相、多組分、非理想、非恒溫、非平衡、非穩態的復雜過程，影響傳質設備效能的因素很多，除流速、溫度和濃度分布外，還有界麵效應、多組分效應、結構、尺度效應等許多方麵，而且彼此相互作用，這使預測傳質設備內濃度場、未知的傳質參數以及局部和整體傳質效率的準確數學模擬與計算更為復雜，需要采用數值方法纔有可能解決。為此而發展齣的數值計算與傳質過程理論相結閤並與相關學科交叉的計算傳質學(computational mass transfer)，就自然成為需要進行探索的一個新領域。
計算傳質學是研究通過數值計算來預測傳質過程及設備內與傳質有關的全部信息的理論和方法，包括預測濃度場、局部與整體的傳遞參數、界麵效應、傳質效率以及同時獲得的流速場、溫度場等方麵的信息，從而能夠定量描述傳質過程的全麵狀態與評估過程的完善程度。
計算傳質學中需要解決的關鍵問題之一是對傳質微分方程的封閉，並且在此基礎上與計算流體力學和計算傳熱學的方程相結閤，從而建立對傳質過程中的動量、質量和熱量傳遞現象嚴格模擬的計算傳遞體係。在此基礎上可以求解在傳質、傳熱、傳質和化學反應耦閤條件下化工設備中的濃度場，同時也能得到流速場、溫度場、壓力場和有關的傳遞參數的分布以及界麵傳遞、多組分係統、設備結構及尺度等效應的影響。根據這些結果就能更準確地進行優化設計或對現有設備進行評估，以發現設備的薄弱環節並加以改進。因此對計算傳質學的探索，不但可提高化工傳質過程數學模擬的水平，還能據此提高傳質效能和進一步瞭解過程傳遞的實質。此外，還有助於將實驗室結果直接模擬放大到工業傳質設備。從廣義觀點來說，計算傳質學可應用於含有傳質的所有過程，而不隻限於化工過程。由此可見，開拓發展計算傳質學具有理論和現實意義。
化學工程學科經過近百年的發展，先後經過瞭以“單元操作”為標誌的裏程，以及以“三傳一反”(動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞和化學反應工程)為標誌的第二裏程。化學工程學科發展的第三裏程目前還未有定論，但化學工程與數值計算技術及相關學科交叉融閤並嚮多尺度方嚮發展(包括微觀尺度、介觀尺度、宏觀尺度以及大宏觀尺度)，從而形成的“計算化學工程”，無疑將會是第三裏程中的主要發展內容之一，而化工計算傳質學將是其中一個重要的組成部分。
有鑒於此，近年來我們和所指導的一些研究生開展瞭計算傳質學的初期研究工作，主要是探討傳質方程的封閉、計算傳質學在化工過程中的應用以及界麵效應對傳質的影響，以期初步建立化工計算傳質學的框架。本書是上述研究工作的部分介紹。
化工計算傳質學目前包含化工過程傳質計算與界麵傳質計算兩個方麵，二者既有聯係，但探討重點又各不相同。一方麵，化工過程傳質計算主要是探討各類化工過程和設備中的濃度分布以及速度、溫度、壓力和有關參數的局部與整體狀態的預測，並且考察多組分係統、設備結構與尺度大小等因素對傳質效率的影響，從而能使設備設計優化或者提齣提高現有傳質效率的方案；另一方麵是界麵傳質計算，主要探討界麵效應對傳質過程的影響及傳質過程的機理,從而進一步理解傳質現象，以期改進傳統的傳質理論及尋求提高傳質效率的根本途徑。
本書內容隻論及化學工程中氣液傳質過程的化工計算傳質學。第1章給齣計算傳質學的基本方程；第2、第3、第4、第5、第6章分彆介紹計算傳質學在精餾、化學吸收、吸附、固定床催化反應與流態化過程的應用舉例；第7章介紹多組分傳質的計算，包括傳質係數及平衡組成；第8、第9章分彆討論傳質過程中的界麵效應，包括Marangoni效應、Rayleigh效應以及采用格子�睟oltzmann方法在界麵傳質的模擬。書中附錄Ⅰ和附錄Ⅱ分彆扼要敘述計算流體力學和計算傳熱學的基礎，作為計算傳質學的相關知識；附錄Ⅲ、附錄Ⅳ和附錄Ⅴ分彆給齣瞭文獻中較為常用的填料塔的傳質係數、有效傳質麵積以及持液量的有關關聯式；關於用於格子�睟oltzmann方法的粒子平衡態分布函數的推導及其與Navier�睸tokes方程之間的關係分彆由附錄Ⅵ和附錄Ⅶ給齣。
由於我們開展此項研究工作的時間較短

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