引言

化工生產中的傳質分離過程，如精餾、吸收、吸附、萃取、結晶等以及各種化學或生物反應過程，多數是傳質與流體流動及傳熱耦合在一起進行的，而且這些過程一般比較復雜，如包含多相、多組分、湍流流動，伴有熱效應、化學反應以及非穩態、非平衡等。對于這些復雜的傳質過程，傳統的研究方法主要是先建立簡單的數學模型，例如將三維的流動、傳熱及傳質過程簡化為一維等，然后依靠實驗手段獲得有關模型參數，或者根據實驗室的實測數據進行特征數關聯，得到經驗或半經驗模型，用以指導工業設計。這種方法缺乏對過程本質的探究，等于用簡化理論去解釋復雜的現象。這種簡化模型或經驗關聯通常只適用于特定或與特定相似的情況。當條件發生變化時，其計算結果與實際會有嚴重的誤差。尤其是根據實驗室數據來設計大型工業裝備時，更經常導致失誤，與預期的生產實際不相符合，這種情況常被認為是由于存在設備的“放大效應”或“尺度效應”而造成的。為此通常必須通過中間實驗，甚至逐級放大，來實現從實驗室結果到產業化的漫長過程。這就導致過程開發成本昂貴和速度緩慢。此外，在設計過程中為了避免經驗公式或中間實驗帶來的偏差和不確定性，常還需要采取較大的安全系數來進行彌補。這就使設備成本、能量消耗等費用增加。可見對傳質設備的優化設計是降低成本和節能的有效手段。為了改變這種情況，就需要對傳質過程的基礎及其準確模擬方法進行探討。

20世紀60年代以前，在科學研究中存在著兩種相對獨立的方法：理論研究和實驗探索。隨著計算機技術和數值計算方法的發展，使科學問題的解決多了一種選擇，即數值計算的方法，而且數值計算使理論與實驗之間有了更好的溝通。以計算機技術和正確數學模型為基礎的數值計算已經成為繼理論和實驗之后的第三種科學研究方法。

數值計算相對理論研究和實驗探索有下列一些優點。

①成本低　在大多數實際應用中，模型開發和計算機運算的成本要遠低于相應的實驗研究的成本。

②速度快　與實驗研究相比，能在很短的時間內給出多種不同的方案，從中選擇最優的設計，從而縮短工藝和產品的開發周期。

③能夠解決理論求解的困難　根據理論建立的數學方程往往是一個方程組，包括多個非線性方程和多個參數，而且常常是三維的，因而數學求解很困難，甚至無法求解。而采用數值計算方法可以解決這個難題。

④給出完整的信息　能提供在整個計算域內所有有關變量在設備內的分布（如速度、壓力、溫度、濃度以及傳遞擴散系數等），從而可指導設備、工藝的優化和改進。而實驗研究顯然難以全部測出整個計算域的所有變量的分布，而且在這些信息中有許多是很難用實驗方法得到的。

但也必須指出，正確的計算機模擬結果是建立在正確的數學模型以及邊界條件基礎上的。模擬結果還要經過多種不同的實驗以及工業規模設備實測的驗證才能實際應用。

計算機技術與傳統學科的結合已經產生了許多新的交叉學科，如計算力學、計算化學、計算物理學、計算生物學等。這些新學科中又產生了一些分支，其中計算流體力學（computational fluid dynamics）是計算機技術與流體力學結合的產物，而且在20世紀70年代以后已經迅速發展成為現代流體力學的重要基礎，滲透到許多相關學科和工程應用之中。隨后以計算流體力學為基礎，又與傳熱學相結合產生了計算傳熱學（computational heat transfer）。

經過多年的研究發展，計算流體力學以及計算傳熱學在理論、模型上已經取得了重要的研究成果，并且成功應用到過程工程涉及的速度場、溫度場的預測以及工業設備設計。這為化工過程中有關流體流動、傳熱的計算模擬預測提供了堅實的理論及技術基礎。

然而，質量傳遞是過程工業，尤其是化學工業中分離和反應操作中最基本的過程，常常從根本上決定著一個裝置乃至一個系統的生產效率及其相關的經濟指標。因此質量傳遞的準確預測與傳質設備的優化設計是化學工程學科中的一個重要內容。

鑒于傳質過程的重要性，如何將現代計算科學技術應用于傳質過程的準確預測及設備放大，以期節省投資、減少能耗以及提高生產效率等，是化學工程的一個亟待解決的重要研究課題。在這種背景下，近年來計算傳質學（computational mass transfer）的研究應運而生。

計算傳質學的研究包括探索傳質微分方程的封閉求解、界面對傳質的影響以及設備傳質效率的預測等方面。它是傳質過程的合理模擬和探索傳質機理的基礎。它的特點是將傳質學、流體力學、傳熱學和設備結構等因素綜合考慮，從而能夠同時求出濃度場、流速場、溫度場、界面效應和有關傳質參數，以實現對工業傳質設備的精確模擬，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。

由此可見，采用計算傳質學模擬傳質過程要考慮的因素很多，除應包括傳質組分的質量守恒微分方程外，還要包括與流速有關的動量守恒和與溫度有關的能量守恒的微分方程，即要建立整個傳遞過程的微分方程組。而這些方程都是不封閉的，因此還要添加相應的輔助方程來分別封閉。這樣就形成了龐大的微分方程組，需要用數值方法來求解。因此計算傳質學不僅與傳質學有關，還需要和計算流體力學、計算傳熱學、物理、化學、計算數學等學科交叉，因而是一個復雜的模擬與計算過程。

在計算傳質學中，對傳質系數的估計很重要。由于質量是通過界面從一個相傳遞到另一個相，而界面傳質理論目前還不成熟，故傳質系數的估計通常仍用經驗關聯。因此兩組分和多組分的傳質理論亦成為計算傳質學需要探索的問題。同時由于界面失穩而產生的界面及近界面的對流效應也影響到傳質速率，在某種情況下能夠有增強作用，故也是計算傳質學涉及的問題。

一方面，計算傳質學中過程計算的開展是采用兩方程模型來封閉傳質微分方程以求取濃度分布（濃度場），并成功地應用于一些化工過程，包括精餾、化學吸收、催化反應、吸附等，隨后亦發展了雷諾質流方程模型的封閉模式和應用，從而初步建立計算傳質學的過程計算框架。另一方面，傳質是要通過界面進行的，理論和實驗都表明，界面效應影響到傳質效率，因而界面計算也是計算傳質的組成部分。因此，計算傳質學目前包含兩個內容，即過程計算和界面計算。

①過程計算　它探討預測各類傳質過程中的局部與整體的傳質狀態以及設備結構對傳質效率的影響。

②界面計算　它探討預測界面效應對傳質過程的影響，從而進一步理解界面傳質機理與界面傳質通量的計算，以期改進傳統的傳質理論。

計算傳質學目前尚處于起步階段，今后還要繼續探索與發展，使其逐步接近完善。

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、3、4、5、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、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；通過附錄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。

總的來說，計算傳質學、計算流體力學、計算傳熱學三者構成了計算傳遞學的主要內容，它是計算化學工程的重要基礎。其中由計算傳質學得出的濃度分布及濃度動力學的情況對過程效率的影響很大，應受到重視。