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，先后又與工程學科、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），隨后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，由于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只有兩種方法：一種方法是假設湍流施密特數（）或湍流佩克萊數（）為一個常數，并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（如湍流傳質擴散系數等），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，需要采用數值方法才有可能解決。為此而發展出的數值計算與傳質過程理論相結合并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，并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、質量和熱量傳遞現象嚴格模擬的計算傳遞體系。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、多組分系統、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并加以改進。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，還有助于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，計算傳質學可應用于含有傳質的所有過程，而不只限于化工過程。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，先后經過了以“單元操作”為標志的第一里程，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）為標志的第二里程。化學工程學科發展的第三里程目前還未有定論，但化學工程與數值計算技術及相關學科交叉融合并向多尺度方向發展（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”，無疑將會是第三里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。

有鑒于此，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，二者既有聯系，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，并且考察多組分系統、設備結構與尺度大小等因素對傳質效率的影響，從而能使設備設計最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。

本書內容只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，包括傳質系數及平衡組成；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系數、有效傳質面積以及持液量的有關關聯式；關于用于格子-Boltzmann方法的粒子平衡態分布函數的推導及其與Navier-Stokes方程之間的關系分別由附錄Ⅵ和附錄Ⅶ給出。

由于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，故本書只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，其余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；其二是為今后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，并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。

2016年6月