2022-05-09
自余国琮先生初次提出，“计算传质学”经过20年的发展，至今已经形成了较为完整的理论框架，获得了初步应用，出版了有关专著，发表了诸多论文，受到国内外学者的关注，是化工传质研究乃至化学工程方法的重要成果和进展。自上世纪90年代后期本人开始协助余国琮先生从事科研工作，有幸亲历了余先生领导的关于计算传质学的部分研究。回顾二十多年研究历程，一些经历值得思考。本文对余先生提出并领导的计算传质学研究与发展进行简要回顾，以期对今后的科研有所启发。
1.概述
计算传质学由余国琮先生于上世纪八十年代开始酝酿并提出，遂开展深入研究，其目的是建立精馏塔复杂传质过程的严格模拟方法，实现精馏塔的科学的理性的设计与放大。然目前该方法不仅用于精馏和吸收过程的严格模拟，还有效地应用于吸附、固定床反应、鼓泡塔生物反应以及流化床反应等多种分离和反应过程。这是因为计算传质学为化工过程中普遍存在的湍流条件下质量传递严格预测提供了一种有效方法。同时，计算传质学方法是基于最基础的守恒、热力学、动力学关系，从基本的物性、操作和设备结构参数出发，建立较严格的数理方程并采用数值计算技术加以求解，用科学计算取代传统传质计算中的经验关联，使得化工过程装置的设计有可能摆脱对经验的依赖，因此对化学工程学科的发展起到了积极的促进作用。
计算传质学的提出具有明确的应用背景和意义。精馏是复杂的物理过程，其工业设计一直被经验所主导。平衡级假设是在精馏设计实践中最普遍采用的一种模型。这一模型将复杂的精馏过程简化为相互级联的若干热力学平衡的理论级，因为平衡级假设远离实际，其计算结果与实际过程之间存在显著误差。为此平衡级模型需要通过引入效率（塔板效率或全塔效率）参数加以矫正才能用于工业精馏塔设计。但效率参数必须通过实验或借鉴已有的分离任务相同的精馏塔操作数据才能获得。因此，平衡级模型简单，但获得模型参数难。除此之外，精馏塔的其他基于传质单元等概念的传统模型情况相同，所需要的传质系数等经验常数或准数也需要通过实验加以关联。广义地，采用简单模型再通过实验或经验获得效率、速率常数等模型参数已成为化工设计乃至化学工程传统方法的基本方式。然而，由于这种实验关联适用范围所限，针对不同工况需要专门进行关联，因而迄今已经积累了大量关联式[1,2]，选择合适的关联式则成为一门高度依赖于经验的“艺术”，这给化工设计带来极大不便，因设计不准确导致浪费甚至失败成为普遍问题，也使得新化工过程的开发缓慢、昂贵。发展计算传质学的目的就是从化工过程基本现象出发，应用基本的守恒、动力学、热力学原理，基于体系的物性、设备结构等基础数据，针对化工过程流体中的浓度场、流速场以及温度场的严格预测，建立严格的不依赖于经验的模型及其求解方法，据此对化工过程的设备和操作参数实现理性的决策，让化工设计逐步从经验走向科学。
2.前传
余国琮先生计算传质学的提出是基于他长期的研究、观察与深入思考。传统的精馏模型及其研究普遍忽略塔板上流体流动对传质的影响这一重要问题，假设塔板流体处于理想混合，这使得精馏研究主要集中于化学工程师较为擅长的热力学模型研究。而在大型工业精馏塔中，流体流动对传质影响显著，是深入了解精馏塔传质行为、实现理性设计的关键。对此余国琮先生早有清醒认识，上世纪80年代领导实验室开展了大型塔板流体力学的实验和理论研究，建立了工业规模精馏塔流体力学实验装置，对塔板上气液两相流体的流动现象进行了大量定性和定量的测量，了解了塔板流体流动的基本模式和特性，最大的实验装置直径达到了2.4m，这在当时（直到目前）是全世界高校中最大的精馏研究实验装置之一，领大型精馏塔流体力学研究世界之风骚。
当时计算流体动力学（CFD）已经在化学工程领域开始广泛应用，余先生首先引进了有物理学背景的尤学一博士从事博士后研究，建立了精馏塔板气液两相流CFD方法和计算机程序，指导黄洁老师以及博士生张敏卿（留校任教）、刘春江（留校任教）、王晓玲（现在天津大学环境学院任教）、朱学军等多名研究生建立了精馏塔板和填料气液两相流动模型和模拟方法，实现了对精馏塔流体的流动的严格模拟。然而余先生并不满足单纯流体力学模拟，他针对流体对传质的影响问题已经有了更超前的想法，提出了精馏塔板混合池非平衡级模型，先后指导黄洁老师、博士生宋海华（留校任教）、曾爱武（留校任教）等研究生持续开展研究。这一模型是将塔板（后推广至填料床层）划分为有限个区域，假设每个区域处于理想混合并以非平衡模型加以描述，称“混合池”，不同的混合池允许浓度不同，以此考虑塔板上浓度的不均匀分布。混合池模型是由各混合池之间的物料平衡、能量平衡以及混合池内的近界面传质和界面相平衡方程组成。
但是这种混合池模型需要考虑以往传统精馏模型不曾考虑的新的传质机制，即湍流扩散。传统精馏传质模型（譬如基于双膜理论的非平衡级模型[3]）中的质量传递只考虑了两种物理机制，即组分的分子扩散（分子的热运动，指膜内传质）以及对流扩散（组分跟随流体流动的迁移，指塔板之间的物料流股）。然而精馏塔板上的流动是连续的且处于湍流，如划分成多个混合池，则需考虑混合池之间存在的第三种物理机制，即湍流扩散（由湍流的涡导致的分散作用）。湍流扩散是混合池模型所必须考虑的，也是余国琮先生在指导研究中重点强调的，是与传统的精馏模型的根本的区别。这使得混合成模型成为了完备的严格模型，这一模型是当时国际上第一个考虑浓度不均匀分布的精馏塔模型。
然而混合池模型是一种离散模型，实际过程中无论浓度还是流速都是连续分布的，虽然理论上可采用更加细小的混合池的方式加以逼近，但会带来数值计算难度。因而，余先生开始考虑引入微分方程直接对连续分布的浓度、速度分布建立模型，包括复杂湍流条件下流体流动、组分的扩散、热量专递严格模型，实现对化工过程中的浓度场、流速场以及温度场严格模拟。余先生认为，这种严格数学方程的建立和求解完全不同于传统的工程计算，而是将精馏过程模拟从工程计算水平提升到科学计算层次，不但涉及传统的化学工程理论，同时需要考虑湍流条件下物质扩散以及相界面复杂的物理现象及其数理模型、微分方程的求解以及相关的数值计算问题，研究范畴已跨越传统化学工程理论边界，必将形成化学工程新的学科分支。余国琮先生 命名其为“计算传质学”。
3.计算传质学的提出
进入二十一世纪，随着计算化学、计算流体力学、计算传热学等新兴学科分支的发展，特别是计算机与信息技术的高速发展，用大规模数值计算的方法解决复杂的工程问题已呈一种趋势。余国琮先生提出计算传质学研究，将化工传质这一复杂的工程问题通过科学计算的方法加以解决的思想正是产生于这一背景。于此同时Fluent、CDStar等商用微分方程求解器的不断完善给计算传质学研究提供了有利条件。
精馏等几乎所有化工过程中的质量传递都是在湍流条件下进行的，对于湍流条件下的流体流动和传热来说已经有了较为有效的方法，余国琮先生之前领导的精馏塔流体力学研究也为精馏塔复杂的两相湍流模拟建立了有效的方法，因此计算传质学面对的核心问题就是对湍流条件下的传质的模拟。计算传质学的基础是传质理论，因而必须首先解决湍流条件下传质理论模型问题。余国琮先生指导的博士生刘伯谭结合湍流理论，类比流体力学模型，首先建立了针对湍流传质的初步理论模型，即基于浓度脉动及其耗散理论的“两方程模型”，遂由博士生刘国标、孙志民、陈江波、李文斌等研究生不断完善，并分别成功应用于精馏、化学吸收、固定床反应、吸附等化工过程的严格模拟。余国琮先生指导的博士生李文斌（后继续博士后研究并留校任教）针对CO2吸收过程建立了可考虑各向异性湍流扩散的“雷诺质流模型”，并将计算传质学方法应用于流化床反应器的严格模拟。博士生张超（现在中北大学任教）将将计算传质学应用于鼓泡塔严格模拟，并应用模拟结果实现了反应器的结构优化。
袁希钢
天津大学化学工程研究所
（原载于“天津大学化学工程研究所成立四十年文集”，稍有删减。原稿中还有“计算传质学主要内容”和“今后工作展望”两个章节，此处省略）
附录
余国琮先生关于计算传质学的主要论著
·专著·
Kuo-Tsung Yu, Xi-GnagYuan, Introduction to Computational Mass Transfer: With Applications to Chemical Engineering (second edition)Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Germany,2017
余国琮，袁希钢，化工计算传质学，化学工业出版社，北京2016
Kuo-Tsung Yu, Xi-GnagYuan, Introduction to Computational Mass Transfer: With Applications to Chemical Engineering.Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Germany,2014
余国琮，袁希钢，化工计算传质学导论，天津大学出版社，天津，2011
·计算传质学在精馏过程模拟中的应用·
Wenbin Li, Kuotsung Yu, Xigang Yuan, Botan Liu, An anisotropic turbulent mass transfer model for simulation of pilot-scale and industrial-scale packed columns for chemical absorption,International Journal of Heat and Mass Transfer, 88 (2015) 775–789
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Wenbin Li, Kuotsung Yu, Xigang Yuan, Botan Liu, A Reynolds mass flux model for gas separation process simulation: II. Application to adsorption on activated carbon in a packed column,Chinese J. Chem. Eng., 23 (2015), 1245-1255
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·计算传质学在化学吸收过程模拟中的应用·
G. B.Liu, K. T. Yu,; X. G.Yuan*; C. J. Liu; Q. C. Guo, Simulations of chemical absorption in pilot-scale and industrial-scale packed columns by computational mass transfer.Chem. Eng. Sci.,2006,61, (19), 6511-6529.
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·计算传质学在吸附过程模拟中的应用·
W. B. Li, B. T. Liu, K. T. Yu, and X. G. Yuan, Rigorous Model for the Simulation of Gas Adsorption and Its Verification,Ind. Eng. Chem. Res, 50 (13), pp 8361–8370, 2011
·计算传质学在催化反应过程模拟中的应用·
G. B. Liu, K. T. Yu, X. G. Yuan*, and C. J. Liu, A Computational Transport Model for Wall-Cooled Catalytic Reactor, Ind. Eng. Chem. Res. 47, 2656-2665, 2008
·计算传质学在鼓泡塔模拟中的应用·
Chao Zhang, Xigang Yuan, Yiqing Luo, Guocong Yu,Prediction of concentration distribution for bubble column reactor simulation Part I: Application to chemisorption process ofCO2 into NaOH solution,,Chem. Eng. Sci., 184 (2018) 161–171
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·计算传质学在流化床反应过程模拟中的应用·
Wenbin Li, Kuotsung Yu, Jesse Zhu, Xigang Yuan, Yuanyuan Shao, Botan Liu, An Anisotropic Reynolds Mass Flux Model for the Simulation of Chemical Reaction in Gas-Particle CFB Risers,Chem. Eng. Sci., 135 (2015) 117–127
·计算传质学在介尺度优化中的应用·
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