引言

化工生产中的传质分离过程，如精馏、吸收、吸附、萃取、结晶等以及各种化学或生物反应过程，多数是传质与流体流动及传热耦合在一起进行的，而且这些过程一般比较复杂，如包含多相、多组分、湍流流动，伴有热效应、化学反应以及非稳态、非平衡等。对于这些复杂的传质过程，传统的研究方法主要是先建立简单的数学模型，例如将三维的流动、传热及传质过程简化为一维等，然后依靠实验手段获得有关模型参数，或者根据实验室的实测数据进行特征数关联，得到经验或半经验模型，用以指导工业设计。这种方法缺乏对过程本质的探究，等于用简化理论去解释复杂的现象。这种简化模型或经验关联通常只适用于特定或与特定相似的情况。当条件发生变化时，其计算结果与实际会有严重的误差。尤其是根据实验室数据来设计大型工业装备时，更经常导致失误，与预期的生产实际不相符合，这种情况常被认为是由于存在设备的“放大效应”或“尺度效应”而造成的。为此通常必须通过中间实验，甚至逐级放大，来实现从实验室结果到产业化的漫长过程。这就导致过程开发成本昂贵和速度缓慢。此外，在设计过程中为了避免经验公式或中间实验带来的偏差和不确定性，常还需要采取较大的安全系数来进行弥补。这就使设备成本、能量消耗等费用增加。可见对传质设备的优化设计是降低成本和节能的有效手段。为了改变这种情况，就需要对传质过程的基础及其准确模拟方法进行探讨。

20世纪60年代以前，在科学研究中存在着两种相对独立的方法：理论研究和实验探索。随着计算机技术和数值计算方法的发展，使科学问题的解决多了一种选择，即数值计算的方法，而且数值计算使理论与实验之间有了更好的沟通。以计算机技术和正确数学模型为基础的数值计算已经成为继理论和实验之后的第三种科学研究方法。

数值计算相对理论研究和实验探索有下列一些优点。

①成本低　在大多数实际应用中，模型开发和计算机运算的成本要远低于相应的实验研究的成本。

②速度快　与实验研究相比，能在很短的时间内给出多种不同的方案，从中选择最优的设计，从而缩短工艺和产品的开发周期。

③能够解决理论求解的困难　根据理论建立的数学方程往往是一个方程组，包括多个非线性方程和多个参数，而且常常是三维的，因而数学求解很困难，甚至无法求解。而采用数值计算方法可以解决这个难题。

④给出完整的信息　能提供在整个计算域内所有有关变量在设备内的分布（如速度、压力、温度、浓度以及传递扩散系数等），从而可指导设备、工艺的优化和改进。而实验研究显然难以全部测出整个计算域的所有变量的分布，而且在这些信息中有许多是很难用实验方法得到的。

但也必须指出，正确的计算机模拟结果是建立在正确的数学模型以及边界条件基础上的。模拟结果还要经过多种不同的实验以及工业规模设备实测的验证才能实际应用。

计算机技术与传统学科的结合已经产生了许多新的交叉学科，如计算力学、计算化学、计算物理学、计算生物学等。这些新学科中又产生了一些分支，其中计算流体力学（computational fluid dynamics）是计算机技术与流体力学结合的产物，而且在20世纪70年代以后已经迅速发展成为现代流体力学的重要基础，渗透到许多相关学科和工程应用之中。随后以计算流体力学为基础，又与传热学相结合产生了计算传热学（computational heat transfer）。

经过多年的研究发展，计算流体力学以及计算传热学在理论、模型上已经取得了重要的研究成果，并且成功应用到过程工程涉及的速度场、温度场的预测以及工业设备设计。这为化工过程中有关流体流动、传热的计算模拟预测提供了坚实的理论及技术基础。

然而，质量传递是过程工业，尤其是化学工业中分离和反应操作中最基本的过程，常常从根本上决定着一个装置乃至一个系统的生产效率及其相关的经济指标。因此质量传递的准确预测与传质设备的优化设计是化学工程学科中的一个重要内容。

鉴于传质过程的重要性，如何将现代计算科学技术应用于传质过程的准确预测及设备放大，以期节省投资、减少能耗以及提高生产效率等，是化学工程的一个亟待解决的重要研究课题。在这种背景下，近年来计算传质学（computational mass transfer）的研究应运而生。

计算传质学的研究包括探索传质微分方程的封闭求解、界面对传质的影响以及设备传质效率的预测等方面。它是传质过程的合理模拟和探索传质机理的基础。它的特点是将传质学、流体力学、传热学和设备结构等因素综合考虑，从而能够同时求出浓度场、流速场、温度场、界面效应和有关传质参数，以实现对工业传质设备的精确模拟，以期达到优化设备设计、省却中间放大过程、缩短开发周期、节省成本和节能的目的，同时可作为评估现有传质设备效能的基础。

由此可见，采用计算传质学模拟传质过程要考虑的因素很多，除应包括传质组分的质量守恒微分方程外，还要包括与流速有关的动量守恒和与温度有关的能量守恒的微分方程，即要建立整个传递过程的微分方程组。而这些方程都是不封闭的，因此还要添加相应的辅助方程来分别封闭。这样就形成了庞大的微分方程组，需要用数值方法来求解。因此计算传质学不仅与传质学有关，还需要和计算流体力学、计算传热学、物理、化学、计算数学等学科交叉，因而是一个复杂的模拟与计算过程。

在计算传质学中，对传质系数的估计很重要。由于质量是通过界面从一个相传递到另一个相，而界面传质理论目前还不成熟，故传质系数的估计通常仍用经验关联。因此两组分和多组分的传质理论亦成为计算传质学需要探索的问题。同时由于界面失稳而产生的界面及近界面的对流效应也影响到传质速率，在某种情况下能够有增强作用，故也是计算传质学涉及的问题。

一方面，计算传质学中过程计算的开展是采用两方程模型来封闭传质微分方程以求取浓度分布（浓度场），并成功地应用于一些化工过程，包括精馏、化学吸收、催化反应、吸附等，随后亦发展了雷诺质流方程模型的封闭模式和应用，从而初步建立计算传质学的过程计算框架。另一方面，传质是要通过界面进行的，理论和实验都表明，界面效应影响到传质效率，因而界面计算也是计算传质的组成部分。因此，计算传质学目前包含两个内容，即过程计算和界面计算。

①过程计算　它探讨预测各类传质过程中的局部与整体的传质状态以及设备结构对传质效率的影响。

②界面计算　它探讨预测界面效应对传质过程的影响，从而进一步理解界面传质机理与界面传质通量的计算，以期改进传统的传质理论。

计算传质学目前尚处于起步阶段，今后还要继续探索与发展，使其逐步接近完善。

本书内容只论及化学工程中气液传质过程的化工计算传质学。第1章给出计算传质学的基本方程；第2、3、4、5、6章分别介绍计算传质学在精馏、化学吸收、吸附、固定床催化反应与流态化过程的应用举例；第7章介绍多组分传质的计算，包括传质系数及平衡组成；第8、9章分别讨论传质过程中的界面效应，包括Marangoni效应、Rayleigh效应以及采用格子-Boltzmann方法在界面传质的模拟。书中附录Ⅰ和附录Ⅱ分别扼要叙述计算流体力学和计算传热学的基础，作为计算传质学的相关知识；通过附录Ⅲ、附录Ⅳ和附录Ⅴ分别给出了文献中较为常用的填料塔的传质系数、有效传质面积以及持液量的有关关联式；关于用于格子-Boltzmann方法的粒子平衡态分布函数的推导及其与Navier-Stokes方程之间的关系分别由附录Ⅵ和附录Ⅶ给出。

总的来说，计算传质学、计算流体力学、计算传热学三者构成了计算传递学的主要内容，它是计算化学工程的重要基础。其中由计算传质学得出的浓度分布及浓度动力学的情况对过程效率的影响很大，应受到重视。