化工计算传质学

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