化工計算傳質學

《化工計算傳質學》是2016年化學工業出版社出版的圖書，作者是余國琮、袁希鋼。

基本信息

作者：余國琮、袁希鋼 著

出版日期：2016年12月

書號：978-7-122-28461-7

開本：16K　787×1092　1/16

裝幀：精

版次：1版1次

頁數：427頁

內容簡介

本書系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套用及計算實例；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，以及採用格子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套用提供參考。

目錄結構

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 各向異性的擴散係數 24

1.5　計算傳質學的數學方程體系 24

1.5.1 數學模型方程組 25

1.5.2 數學模型方程體系的統一 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 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　計算傳質學的套用( 一) ——精餾過程 41

2.1　板式塔的模擬 42

2.1.1 板式塔傳質擴散特徵數模型 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　計算傳質學的套用( 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　計算傳質學的套用( 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　計算傳質學的套用（ 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 各向異性擴散係數 164

5.4　總結 166

符號說明 166

參考文獻 168

第6 章　計算傳質學的套用( 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　傳質理論及多組分系統的傳質 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　兩組分體系傳質係數的估算 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　多組分系統的質量傳遞方程 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套用示例——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 組分互動作用現象 259

符號說明 260

參考文獻 261

第8 章　氣液傳質過程的界面效應 265

8.1　Marangoni 對流現象的實驗觀測 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

8.2　Marangoni 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

8.8　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象的關係 338

9.1.10 格子-Boltzmann方法的套用 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 系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　填料塔內傳質係數和傳質表面積的經驗關聯式 391

附錄Ⅳ　傳質係數模型資料庫 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　平衡分布函式離散方程的推導 421

附錄Ⅶ　格子-Boltzmann 模型導出Navier-Stokes 方程 425