了得網工業技術_化工計算傳質學

編輯推薦

“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出的新學科領域，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、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。本書繫統總結了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面傳質等方面的應用，凝結了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

本書繫統介紹了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，包括傳質繫數及平衡組成。第8、第9章介紹化工界面傳質計算，內容包括傳質過程中的Marangoni效應、Rayleigh效應等界面效應，以及采用格子Boltzmann方法在氣液界面傳質過程的模擬等。書後附錄了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，承擔國家自然科學基金重大、重點項目多項，發表論文300餘篇，獲國家科技進步二等獎、省部級科技進步一等獎、何梁何利科技進步獎等獎勵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、成果轉化和產業化領域做出了繫統、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，化學工程聯合國家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家自然科學基金重點項目、“973”課題、“863”重點課題、國家支撐計劃等國家重大、重點項目7項，天津市及*科學基金項目10餘項，提出了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，建立了基於界面湍動現像分析的小尺度溶質滲透理論；針對大規模復雜過程繫統，提出了間歇過程及分離繫統的能量集成等復雜繫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表論文80餘篇，合著出版專著2部，參編出版專著4部

第1章計算傳質學基本方程 5
1.1質量守恆方程及其封閉 5
1.2傳統的求解湍流傳質擴散繫數方法 6
1.2.1 特征數法 7
1.2.2 實驗測定法(惰性示蹤劑法) 7
1.3質量守恆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)的導出 9
1.3.2 近壁區計算 19
1.4質量守恆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 混合雷諾質流模型 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 各向異性的擴散繫數 24第1章計算傳質學基本方程 5
1.1質量守恆方程及其封閉 5
1.2傳統的求解湍流傳質擴散繫數方法 6
1.2.1 特征數法 7
1.2.2 實驗測定法(惰性示蹤劑法) 7
1.3質量守恆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)的導出 9
1.3.2 近壁區計算 19
1.4質量守恆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 混合雷諾質流模型 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 各向異性的擴散繫數 24
1.5計算傳質學的數學方程體繫 24
1.5.1 數學模型方程組 25
1.5.2 數學模型方程體繫的統一 27
1.6湍流傳遞擴散繫數的關繫 29
1.7邊界條件的確定 30
1.7.1 入口邊界條件 30
1.7.2 出口邊界條件 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 氣液混合流模型 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板式塔的模擬 42
2.1.1 板式塔傳質擴散特征數模型 42
2.1.2 板式塔傳質擴散c'2-εc'兩方程模型 46
2.1.3 板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模擬對像：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 各向異性擴散繫數 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
6.2c 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繫統的傳質 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 表面更新理論 205
7.1.4 經典傳質理論的發展 206
7.2近界面的傳質理論 207
7.2.1 湍流擴散傳質理論 207
7.2.2 旋渦傳質理論 208
7.3基於界面狀態的傳質理論 209
7.3.1 界面效應理論 209
7.3.2 界面阻力理論 210
7.4兩組分體繫傳質繫數的估算 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繫 215
7.5.2 過量(剩餘)自由能 216
7.5.3 活度繫數估算的半經驗方程法 217
7.5.4 活度繫數估算的基團貢獻法 220
7.5.5 活度繫數的實驗測量 222
7.6多組分繫統的質量傳遞方程 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 與膜理論相結合的Maxwell-Stefan方程解法 229
7.7.2 結合滲透理論的Maxwell-Stefan方程解法 234
7.8多組分質量傳遞方程的應用示例——精餾塔塔板上傳質點效率的計算 241
7.8.1 Oldershaw塔板上的點效率模型 243
7.8.2 Oldershaw塔板上的點效率計算 247
7.8.3 組分交互作用現像 259
符號說明 260
參考文獻 261
第8 章氣液傳質過程的界面效應 265
8.1Marangoni 對流現像的實驗觀測 269
8.1.1 傳質界面為水平及液體靜止情況下的結構 271
8.1.2 傳質界面為水平及液體流動情況下的結構 275
8.1.3 傳質界面為垂直(降膜)及液體流動情況下的結構 276
8.1.4 化學吸收界面的結構 277
8.2Marangoni 對流的分析 280
8.3產生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氣液界面Marangoni 效應強化傳質的理論分析 286
8.5氣液界面Marangoni 效應的傳質增強實驗 289
8.5.1 界面為靜止水平的傳質增強實驗 289
8.5.2 界面為垂直流動(降膜)的傳質增強實驗 291
8.6從界面有序到無序的過渡 293
8.7考慮Marangoni 效應的傳質理論 296
8.8Rayleigh 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
8.9Rayleigh 對流的測量 310
8.10氣液界面上二維濃度分布的模擬與觀測 312
8.10.1 界面上二維平面狀態的模擬 312
8.10.2 界面濃度梯度的觀測 315
8.11在可變形界面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 界面變形的影響 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氣液傳質界面效應的產生過程 325
符號說明 326
參考文獻 327
第9 章格子-Boltzmann 方法對氣液界面傳質過程的模擬 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像的關繫 338
9.1.10 格子-Boltzmann方法的應用 339
9.2溶質從界面向主體擴散的格子-Boltzmann 模擬 339
9.2.1 數學模型 340
9.2.2 界面上單個溶質高濃度點的擴散過程 340
9.2.3 繫統物性對界面溶質擴散的影響 343
9.2.4 界面上均布的多個溶質高濃度點的擴散過程 346
9.2.5 界面上非均布的多個溶質高濃度點的擴散過程 348
9.2.6 界面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填料塔內傳質繫數和傳質表面積的經驗關聯式 391
附錄Ⅳ傳質繫數模型數據庫 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 模型導出Navier-Stokes 方程 425

前言

隨著計算機與計算技術的進步以及由此而發展出的數值計算，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合，已成功建立了一些新的學科，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合開創性地發展出計算流體力學(computational fluid dynamics)，隨後又與傳熱相結合發展出計算傳熱學(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了廣泛應用，獲得了顯著效果，解決了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。隨著計算機與計算技術的進步以及由此而發展出的數值計算，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合，已成功建立了一些新的學科，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合開創性地發展出計算流體力學(computational fluid dynamics)，隨後又與傳熱相結合發展出計算傳熱學(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了廣泛應用，獲得了顯著效果，解決了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，特別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，更需要了解過程局部及整體的傳質和化學反應狀態及有關參數方面的全部信息，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，特別是對表征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)或湍流佩克萊數(Pet)為一個常數，並結合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(如湍流傳質擴散繫數等)，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、非恆溫、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，還有界面效應、多組分效應、結構、尺度效應等許多方面，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。為此而發展出的數值計算與傳質過程理論相結合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、界面效應、傳質效率以及同時獲得的流速場、溫度場等方面的信息，從而能夠定量描述傳質過程的全面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合，從而建立對傳質過程中的動量、質量和熱量傳遞現像嚴格模擬的計算傳遞體繫。在此基礎上可以求解在傳質、傳熱、傳質和化學反應耦合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面傳遞、多組分繫統、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了解過程傳遞的實質。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，先後經過了以&ldqu操作”為標志的裡程，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)為標志的第二裡程。化學工程學科發展的第三裡程目前還未有定論，但化學工程與數值計算技術及相關學科交叉融合並向多尺度方向發展(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”，無疑將會是第三裡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。
有鋻於此，近年來我們和所指導的一些研究生開展了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面效應對傳質的影響，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面傳質計算兩個方面，二者既有聯繫，但探討重點又各不相同。一方面，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，並且考察多組分繫統、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出提高現有傳質效率的方案；另一方面是界面傳質計算，主要探討界面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像，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章給出計算傳質學的基本方程；第2、第3、第4、第5、第6章分別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，包括傳質繫數及平衡組成；第8、第9章分別討論傳質過程中的界面效應，包括Marangoni效應、Rayleigh效應以及采用格子Boltzmann方法在界面傳質的模擬。書中附錄Ⅰ和附錄Ⅱ分別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分別給出了文獻中較為常用的填料塔的傳質繫數、有效傳質面積以及持液量的有關關聯式；關於用於格子Boltzmann方法的粒子平衡態分布函數的推導及其與NavierStokes方程之間的關繫分別由附錄Ⅵ和附錄Ⅶ給出。
由於我們開展此項研究工作的時間較短，離發展化工計算傳質學的目標還很遠，故本書隻涉及計算傳質學的基礎。書中除附錄Ⅰ、附錄Ⅱ內容為介紹必要的預備知識外，其餘內容均取自我們近年來指導的一些研究生科研工作及共同在學術刊物上發表的論文。因此本書可以說是我們和有關研究生們的集體之作。
編寫本書的目的有二：其一是作為化學工程專業研究生課程“化工計算傳質學”的參考書；其二是為今後研究生及有關人員進一步開展化工計算傳質學的研究和應用提供參考。
本書的研究工作是在天津大學化學工程研究所及化學工程聯合國家重點實驗室(天津大學)進行，並且得到國家自然科學基金重點項目20136010及20736005的資助。本書的編寫還得到天津大學化學工程研究所的大力支持以及研究生們對編寫工作的協助，對此我們表示衷心的感謝。
希望讀者對本書提出批評和指正。

餘國琮袁希鋼
天津大學教授天津大學教授
中國科學院院士
2016年6月

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