第1章 緒 論

1.1 化工生產(chǎn)過程與單元操作

化學工業(yè)是將自然界中的各種原料加工成有用產(chǎn)品的工業(yè)。從原料到產(chǎn)品往往需要幾個或幾十個加工過程，其中除了化學反應(yīng)過程外，還有大量的物理加工過程，統(tǒng)稱為化工過程。

化學生產(chǎn)的原料不同，產(chǎn)品不同，經(jīng)歷的加工過程就會不同，從而形成各種各樣的化工生產(chǎn)過程。任一化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程都是由化學反應(yīng)和若干物理操作串聯(lián)而成的，所以不必將每一生產(chǎn)過程都作為一種特殊的或獨有的技術(shù)去研究，只需研究組成生產(chǎn)過程的每一個單獨操作即可。這些物理操作統(tǒng)稱為化工單元操作，簡稱單元操作。

單元操作可作用于不同的化工生產(chǎn)過程。根據(jù)單元操作所遵循的基本規(guī)律，可將其劃分為三大類：

（1）遵循流體動力基本規(guī)律的單元操作，包括流體輸送、過濾、沉降、固體流態(tài)化等。

（2）遵循熱量傳遞基本規(guī)律的單元操作，包括加熱、冷卻、蒸發(fā)等。

（3）遵循質(zhì)量傳遞基本規(guī)律的單元操作，包括吸收、蒸餾、吸附、萃取、干燥、結(jié)晶、膜分離等。

隨著對單元操作研究的不斷深入，科研工作者發(fā)現(xiàn)遵循流體動力基本規(guī)律的單元操作大都涉及流體流動，并伴隨著動量的傳遞，都可以用動量傳遞理論去研究；其余兩大類單元操作則可分別用熱量傳遞理論和質(zhì)量傳遞理論去研究。各種單元操作都可以建立在動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞這三種傳遞理論的基礎(chǔ)之上，三種傳遞現(xiàn)象中存在相似的規(guī)律和內(nèi)在的聯(lián)系，“三傳”理論作為一根主線貫穿了上述所有的單元操作。

各單元操作都在相應(yīng)的設(shè)備中進行。例如，蒸餾操作在蒸餾塔內(nèi)進行，吸收操作在吸收塔內(nèi)進行，干燥操作在干燥器內(nèi)進行。單元操作設(shè)備為相應(yīng)的單元操作過程提供必要的條件，使過程能有效地進行。單元操作不僅用在化工生產(chǎn)中，而且在石油、冶金、輕工、制藥、核工業(yè)及環(huán)境保護工程中也有廣泛應(yīng)用。

1.2 化工原理課程的任務(wù)及特點

化工原理課程是化工及其相關(guān)專業(yè)的一門基礎(chǔ)技術(shù)課程，是自然科學的基礎(chǔ)課向工程學科的專業(yè)課過渡的入門課程，主要研究化工單元操作的基本原理和基本規(guī)律、所用典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)、設(shè)備工藝尺寸的計算或設(shè)備選型。本課程與傳統(tǒng)的自然科學基礎(chǔ)課有所區(qū)別，它兼有工程學科特點，與實踐活動聯(lián)系更加緊密，涉及各種工程實際問題。

本課程在不斷完善的過程中逐漸形成了兩套研究方法，即實驗研究法（經(jīng)驗法）和數(shù)學模型法（半經(jīng)驗半理論法）。實驗研究法能夠跳過方程的建立，直接觀察變量間的關(guān)系。但如果實驗中的設(shè)備規(guī)格、物料種類和狀態(tài)等不斷變化，相應(yīng)的工作量就會大大增加，研究效率及準確度會大打折扣。數(shù)學模型法則是建立在對過程機理的探索之上，通過對實際問題的合理簡化得出數(shù)學模型，該法較實驗研究法更能反映實際過程的真實情況，因此在化工領(lǐng)域中發(fā)展較為迅速。

本課程的實踐性很強，學生在學習的過程中應(yīng)試著用“工程”的觀點看待問題和分析問題，有意識地培養(yǎng)自己運用基本原理分析、解決問題的能力。通過這門課程的學習，應(yīng)初步掌握以下技能：針對具體的生產(chǎn)環(huán)境、條件，經(jīng)濟、合理地選擇單元操作及其相應(yīng)設(shè)備；可進行典型工藝的理論計算和設(shè)備設(shè)計；正確操作和調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程；能夠分析生產(chǎn)中的故障成因。

1.3 基本知識點回顧

研究單元操作離不開物料衡算、能量衡算等基本知識點，下面對這些知識點進行一個扼要的回顧。

1.3.1 物理量的單位

1. 單位制與單位換算

任何物理量都要用數(shù)值和單位共同表示。由于歷史、地區(qū)及學科的不同要求，對基本量及單位的選擇有所不同，因而產(chǎn)生了多種不同的單位制度。目前，國際上逐漸統(tǒng)一采用國際單位制（SI），它由基本單位和包括輔助單位在內(nèi)的導出單位構(gòu)成。我國采用中華人民共和國法定計量單位（簡稱法定單位），它以國際單位制為基礎(chǔ)，根據(jù)我國情況，適當增加了一些其他單位構(gòu)成。內(nèi)容詳見本書附錄1。

在查閱文獻及參考書時，可能遇到多種單位制度并存的情況，使用時要換算成目前采用的單位制度。

同一物理量，單位不同，數(shù)值也不同。例如，重力加速度g，在法定單位制中的單位為m/s2，數(shù)值約為9.81；在物理單位制中的單位為cm/s2，數(shù)值約為981。二者包括單位在內(nèi)的比值稱為換算因子，即重力加速度g在物理單位制和法定單位制間的換算因子為任何單位換算因子都是兩個相等量之比，所以包括單位在內(nèi)的任何換算因子本質(zhì)上都是1，任何物理量乘以或除以單位換算因子，都不會改變原量的大小。很多化學化工手冊上均列出了常用單位的換算因子，可以直接使用；復雜單位的換算因子無表可查時，可將其分解成較簡單的單位逐個換算。

【例1-1】從相關(guān)化學手冊中查得0℃下水的黏度為1.7921cP[1cP=0.01P=0.01g/（cm?s）]，試將其單位換算成帕?秒。

解 先查出原單位與新單位間的換算關(guān)系

2. 單位一致性

化工計算中的公式可分為物理方程和經(jīng)驗公式。物理方程是根據(jù)物理規(guī)律建立的，公式中的符號（比例系數(shù)k除外）各代表一個物理量，將某一單位制的數(shù)據(jù)代入物理方程中，解得的結(jié)果也屬于同一單位制，所以，物理方程又稱為單位（或因次）一致性方程，使用時必須保持各項單位的一致性。經(jīng)驗公式是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)整理總結(jié)出來的，式中每一個符號只代表物理量數(shù)字部分，它們的單位必須采用指定單位，因此經(jīng)驗公式也稱為數(shù)字公式。若計算過程中物理量的單位與公式中規(guī)定的單位不相符，則應(yīng)先將已知的數(shù)據(jù)換算成經(jīng)驗公式中指定的單位后才能進行運算。

1.3.2 重要衡算關(guān)系式

物料衡算和能量衡算在化工單元操作設(shè)備的設(shè)計、選型及操作優(yōu)化中都有重要作用。通過衡算，可以了解設(shè)備的生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質(zhì)量、能量消耗以及設(shè)備的性能和效率。

進行物料和能量衡算時，首先需選定衡算范圍，既可以是一個生產(chǎn)過程或一個單元設(shè)備，也可以是設(shè)備的某一局部。同時，也需選定衡算基準。對連續(xù)操作常以單位時間為基準，對間歇操作，常以一個操作循環(huán)為基準。

1. 物料衡算

物料衡算是以生產(chǎn)過程或生產(chǎn)單元設(shè)備為研究區(qū)域，對其進、出口處物料進行定量計算。

通過物料衡算可計算原料與產(chǎn)品間的定量轉(zhuǎn)變關(guān)系，以及各原料的消耗量，各種中間產(chǎn)品、副產(chǎn)品的產(chǎn)量、消耗量及組成。物料衡算遵循質(zhì)量守恒定律，即輸入的物料質(zhì)量等于輸出的物料質(zhì)量與累積的物料質(zhì)量之和輸入量=輸出量+累積量若衡算對象為穩(wěn)態(tài)過程，即過程中無物料積存，可將衡算關(guān)系簡化為輸入量=輸出量物料衡算可按下列步驟進行：

（1）根據(jù)研究過程的實際情況繪制出簡明流程示意圖，并標明設(shè)備、各股物料的數(shù)量和單位以及具體流向。

（2）明確衡算范圍。可以是單個設(shè)備或若干個設(shè)備串聯(lián)而成的生產(chǎn)過程，也可以是設(shè)備的某一部分，視實際情況而定。

（3）規(guī)定衡算基準。一般地，連續(xù)操作中常以單位時間為基準；間歇操作中則以一批參與過程的物料為基準。

（4）列出衡算式，求解未知量。

2. 能量衡算

化工生產(chǎn)中的主要能量形式為熱能和機械能。若操作中涉及幾種不同形式的能量，則需進行總能量衡算；若只涉及熱能，則衡算關(guān)系可簡化為熱量衡算。因為化工過程中熱交換廣泛存在，所以本課程主要探討能量衡算中的熱量衡算。能量衡算遵循能量守恒定律，以熱量的形式體現(xiàn)

輸入量=輸出量+耗散量

熱量衡算與物料衡算的方法大致相同，但熱量衡算需指明基準溫度，因為焓的大小與從哪一個溫度算起有關(guān)。物料的焓通常從0℃算起，所以習慣上選擇0℃為基準溫度，無特殊說明均按此計算。

習 題

1-1已知摩爾氣體常量R=82.06atm?cm3/（mol?K），試通過單位換算，將其用SI制單位J/（mol?K）表示。

1-2在化工手冊中查得黃銅在20℃時的導熱系數(shù)為110W/（m?K），若用工程單位kcal/（m?s?℃）表示，換算后的數(shù)值應(yīng)為多少?

1-3化工生產(chǎn)中經(jīng)常會對含水溶液進行前期的濃縮處理，10%（質(zhì)量分數(shù)，下同）的某水溶液經(jīng)第一階段的蒸發(fā)操作可濃縮至25%，接著將濃縮后的溶液進行第二階段的蒸發(fā)，最后可得45%的濃縮液。若該工段的處理能力為4200kg/h，試求各階段蒸發(fā)的水量。

1-4質(zhì)量流量為10000kg/h的某油品需要進行冷卻處理，使其溫度從140℃下降至80℃。如果采用冷卻水冷卻，其進、出口溫度分別為20℃、40℃，則每小時冷卻水的用量為多少?已知定性溫度下的油品定壓比熱容為2.2kJ/（kg?℃），冷卻水的定壓比熱容為4.18kJ/（kg?℃）。

第2章 流體流動與流體輸送

化工生產(chǎn)中所涉及的物料（原料、半成品以及產(chǎn)品等）大多為流體或具有流體的性質(zhì)。所謂流體是指氣體和液體的總稱，其特征是具有流動性�；�工生產(chǎn)中的流體輸送、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞以及化學反應(yīng)等大多是在流體流動的情況下完成的。例如，通過各種設(shè)備之間的連接管路實現(xiàn)流體輸送；強化被加熱（冷卻）流體的對流來提高傳熱速率，以縮短加熱時間或提高傳熱設(shè)備的使用效率；加強流體的湍動程度來強化對流傳質(zhì)過程等。因此流體流動是化工生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

流體流動的本質(zhì)是在分子微觀運動基礎(chǔ)上的宏觀運動，在化工生產(chǎn)中研究流體流動時通常將流體視為無數(shù)流體質(zhì)點（微團）組成的連續(xù)介質(zhì)，質(zhì)點間沒有間隙，能夠用連續(xù)函數(shù)進行描述。實際流體都是可壓縮的，由于液體的體積受壓力、溫度的變化影響很小，因此通常把液體視為不可壓縮流體，而氣體的體積受壓力和溫度變化影響較大，因此將氣體視為可壓縮流體。

本章將重點介紹流體流動過程的基本原理以及流體在管內(nèi)流動的規(guī)律；為完成一定的流體輸送任務(wù)所進行的管路計算，包括流體輸送管路管徑的選擇、估算流體流動所需的能量以確定流體輸送機械的類型和功率；流速、流量、壓力（真空度）等流體流動相關(guān)物理量的測定。

2.1 流體靜力學

流體靜力學是研究流體在外力作用下保持靜止或者相對靜止的規(guī)律。

2.1.1 流體基本性質(zhì)

1. 密度

單位體積流體所具有的質(zhì)量即為該流體的密度，密度的表達式為式中，ρ 為密度，kg/m3；m 為質(zhì)量，kg；V 為體積，m3。

密度是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一，流體的密度是溫度和壓力的函數(shù)，通常用ρ=f（p，T）表示。

由于液體分子之間的距離遠小于氣體，因此除在極高的壓力條件下外，壓力對液體密度的影響可忽略不計，但密度受溫度的變化影響較大，因此在表示流體密度時一定要指明其所處的溫度條件。

當化工生產(chǎn)中液體混合物由若干組分構(gòu)成時，通常將此混合液作為理想溶液進行處理。

混合液的總體積為各組分體積之和，混合液的密度可用平均密度ρm 表示。

式中，ρm 為混合液的平均密度，kg/m3；w1，w2，…，wn 為混合液各組分的質(zhì)量分數(shù)，kg/kg；ρ1，ρ2，…，ρn為混合液各組分的密度，kg/m3。

氣體的密度受壓力和溫度的影響較大，但在壓力不太高、溫度不太低的情況下，實際氣體可視為理想氣體，因此可按照理想氣體狀態(tài)方程計算氣體密度。

式中，p 為氣體的絕對壓力，kPa；n 為氣體的物質(zhì)的量，kmol；R 為摩爾氣體常量，8.314kJ/（kmol?K）；T為氣體的熱力學溫度，K；M 為氣體的摩爾質(zhì)量，kg/kmol。

當氣體混合物接近理想氣體時，仍然可用式（2-3）進行計算，只是氣體的摩爾質(zhì)量需要以相應(yīng)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量Mm代替。

Mm=M1y1+M2y2+…+Mnyn （2-4）式中，M1，M2，…，Mn為混合氣體中各組分的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；y1，y2，…，yn 為混合氣體中各相應(yīng)組分的摩爾分數(shù)，kmol/kmol。

氣體混合物的平均密度可用式（2-5）進行計算。

2. 壓力

流體在單位面積上所受到的垂直作用力稱為流體的壓強，在工程上仍然習慣稱為壓力。

p=PA （2-6）式中，p 為流體的壓力，N/m2或Pa；P 為垂直作用于流體面積A 上的總壓力，N；A為作用于流體的表面積，m2。

壓力的單位包括：Pa（帕斯卡）、atm（大氣壓）、at（工程大氣壓）、mH2O（水柱高度）、mmHg（汞柱高度）、kgf/cm2（千克力）、bar（巴）等。

1atm（標準大氣壓）=101325Pa=760.0mmHg=10.33mH2O=1.033kgf/cm2=1.0133bar1at（工程大氣壓）=98070Pa=735.6mmHg=10.0mH2O=1.0kgf/cm2=0.9807bar流體的壓力是相對值，當以絕對真空作為基準時稱為絕對壓力。以流體所在的當?shù)卮髿鈮簽榛鶞蕰r，若壓力大于大氣壓，兩者之差稱為表壓。通常壓力設(shè)備上壓力表的讀數(shù)為容器內(nèi)的表壓。