第1章 緒 論

1.1 化工生產(chǎn)過(guò)程與單元操作

化學(xué)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(gè)或幾十個(gè)加工過(guò)程，其中除了化學(xué)反應(yīng)過(guò)程外，還有大量的物理加工過(guò)程，統(tǒng)稱(chēng)為化工過(guò)程。

化學(xué)生產(chǎn)的原料不同，產(chǎn)品不同，經(jīng)歷的加工過(guò)程就會(huì)不同，從而形成各種各樣的化工生產(chǎn)過(guò)程。任一化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程都是由化學(xué)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(guò)程都作為一種特殊的或獨(dú)有的技術(shù)去研究，只需研究組成生產(chǎn)過(guò)程的每一個(gè)單獨(dú)操作即可。這些物理操作統(tǒng)稱(chēng)為化工單元操作，簡(jiǎn)稱(chēng)單元操作。

單元操作可作用于不同的化工生產(chǎn)過(guò)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(lèi)：

（1）遵循流體動(dòng)力基本規(guī)律的單元操作，包括流體輸送、過(guò)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(duì)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(dòng)力基本規(guī)律的單元操作大都涉及流體流動(dòng)，并伴隨著動(dòng)量的傳遞，都可以用動(dòng)量傳遞理論去研究；其余兩大類(lèi)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(dòng)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(jìn)行。例如，蒸餾操作在蒸餾塔內(nèi)進(jìn)行，吸收操作在吸收塔內(nèi)進(jìn)行，干燥操作在干燥器內(nèi)進(jìn)行。單元操作設(shè)備為相應(yīng)的單元操作過(guò)程提供必要的條件，使過(guò)程能有效地進(jìn)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(hù)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(diǎn)

化工原理課程是化工及其相關(guān)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)基礎(chǔ)技術(shù)課程，是自然科學(xué)的基礎(chǔ)課向工程學(xué)科的專(zhuān)業(yè)課過(guò)渡的入門(mén)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(jì)算或設(shè)備選型。本課程與傳統(tǒng)的自然科學(xué)基礎(chǔ)課有所區(qū)別，它兼有工程學(xué)科特點(diǎn)，與實(shí)踐活動(dòng)聯(lián)系更加緊密，涉及各種工程實(shí)際問(wèn)題。

本課程在不斷完善的過(guò)程中逐漸形成了兩套研究方法，即實(shí)驗(yàn)研究法（經(jīng)驗(yàn)法）和數(shù)學(xué)模型法（半經(jīng)驗(yàn)半理論法）。實(shí)驗(yàn)研究法能夠跳過(guò)方程的建立，直接觀察變量間的關(guān)系。但如果實(shí)驗(yàn)中的設(shè)備規(guī)格、物料種類(lèi)和狀態(tài)等不斷變化，相應(yīng)的工作量就會(huì)大大增加，研究效率及準(zhǔn)確度會(huì)大打折扣。數(shù)學(xué)模型法則是建立在對(duì)過(guò)程機(jī)理的探索之上，通過(guò)對(duì)實(shí)際問(wèn)題的合理簡(jiǎn)化得出數(shù)學(xué)模型，該法較實(shí)驗(yàn)研究法更能反映實(shí)際過(guò)程的真實(shí)情況，因此在化工領(lǐng)域中發(fā)展較為迅速。

本課程的實(shí)踐性很強(qiáng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中應(yīng)試著用“工程”的觀點(diǎn)看待問(wèn)題和分析問(wèn)題，有意識(shí)地培養(yǎng)自己運(yùn)用基本原理分析、解決問(wèn)題的能力。通過(guò)這門(mén)課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)初步掌握以下技能：針對(duì)具體的生產(chǎn)環(huán)境、條件，經(jīng)濟(jì)、合理地選擇單元操作及其相應(yīng)設(shè)備；可進(jìn)行典型工藝的理論計(jì)算和設(shè)備設(shè)計(jì)；正確操作和調(diào)節(jié)生產(chǎn)過(guò)程；能夠分析生產(chǎn)中的故障成因。

1.3 基本知識(shí)點(diǎn)回顧

研究單元操作離不開(kāi)物料衡算、能量衡算等基本知識(shí)點(diǎn)，下面對(duì)這些知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行一個(gè)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(xué)科的不同要求，對(duì)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(guó)際上逐漸統(tǒng)一采用國(guó)際單位制（SI），它由基本單位和包括輔助單位在內(nèi)的導(dǎo)出單位構(gòu)成。我國(guó)采用中華人民共和國(guó)法定計(jì)量單位（簡(jiǎn)稱(chēng)法定單位），它以國(guó)際單位制為基礎(chǔ)，根據(jù)我國(guó)情況，適當(dāng)增加了一些其他單位構(gòu)成。內(nèi)容詳見(jiàn)本書(shū)附錄1。

在查閱文獻(xiàn)及參考書(shū)時(shí)，可能遇到多種單位制度并存的情況，使用時(shí)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(chēng)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(gè)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(huì)改變?cè)�量的大小。很多化學(xué)化工手冊(cè)上均列出了常用單位的換算因子，可以直接使用；復(fù)雜單位的換算因子無(wú)表可查時(shí)，可將其分解成較簡(jiǎn)單的單位逐個(gè)換算。

【例1-1】從相關(guān)化學(xué)手冊(cè)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(jì)算中的公式可分為物理方程和經(jīng)驗(yàn)公式。物理方程是根據(jù)物理規(guī)律建立的，公式中的符號(hào)（比例系數(shù)k除外）各代表一個(gè)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(chēng)為單位（或因次）一致性方程，使用時(shí)必須保持各項(xiàng)單位的一致性。經(jīng)驗(yàn)公式是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理總結(jié)出來(lái)的，式中每一個(gè)符號(hào)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(yàn)公式也稱(chēng)為數(shù)字公式。若計(jì)算過(guò)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(yàn)公式中指定的單位后才能進(jìn)行運(yùn)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(jì)、選型及操作優(yōu)化中都有重要作用。通過(guò)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(jìn)行物料和能量衡算時(shí)，首先需選定衡算范圍，既可以是一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程或一個(gè)單元設(shè)備，也可以是設(shè)備的某一局部。同時(shí)，也需選定衡算基準(zhǔn)。對(duì)連續(xù)操作常以單位時(shí)間為基準(zhǔn)，對(duì)間歇操作，常以一個(gè)操作循環(huán)為基準(zhǔn)。

1. 物料衡算

物料衡算是以生產(chǎn)過(guò)程或生產(chǎn)單元設(shè)備為研究區(qū)域，對(duì)其進(jìn)、出口處物料進(jìn)行定量計(jì)算。

通過(guò)物料衡算可計(jì)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(duì)象為穩(wěn)態(tài)過(guò)程，即過(guò)程中無(wú)物料積存，可將衡算關(guān)系簡(jiǎn)化為輸入量=輸出量物料衡算可按下列步驟進(jìn)行：

（1）根據(jù)研究過(guò)程的實(shí)際情況繪制出簡(jiǎn)明流程示意圖，并標(biāo)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�？梢允菃蝹�(gè)設(shè)備或若干個(gè)設(shè)備串聯(lián)而成的生產(chǎn)過(guò)程，也可以是設(shè)備的某一部分，視實(shí)際情況而定。

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

（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(jī)械能。若操作中涉及幾種不同形式的能量，則需進(jìn)行總能量衡算；若只涉及熱能，則衡算關(guān)系可簡(jiǎn)化為熱量衡算。因?yàn)榛�工過(guò)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(zhǔn)溫度，因?yàn)殪实拇笮∨c從哪一個(gè)溫度算起有關(guān)。物料的焓通常從0℃算起，所以習(xí)慣上選擇0℃為基準(zhǔn)溫度，無(wú)特殊說(shuō)明均按此計(jì)算。

習(xí) 題

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

1-2在化工手冊(cè)中查得黃銅在20℃時(shí)的導(dǎo)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(huì)對(duì)含水溶液進(jìn)行前期的濃縮處理，10%（質(zhì)量分?jǐn)?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(jìn)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(jìn)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(jìn)、出口溫度分別為20℃、40℃，則每小時(shí)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(dòng)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(chēng)，其特征是具有流動(dòng)性。化工生產(chǎn)中的流體輸送、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞以及化學(xué)反應(yīng)等大多是在流體流動(dòng)的情況下完成的。例如，通過(guò)各種設(shè)備之間的連接管路實(shí)現(xiàn)流體輸送；強(qiáng)化被加熱（冷卻）流體的對(duì)流來(lái)提高傳熱速率，以縮短加熱時(shí)間或提高傳熱設(shè)備的使用效率；加強(qiáng)流體的湍動(dòng)程度來(lái)強(qiáng)化對(duì)流傳質(zhì)過(guò)程等。因此流體流動(dòng)是化工生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

流體流動(dòng)的本質(zhì)是在分子微觀運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上的宏觀運(yùn)動(dòng)，在化工生產(chǎn)中研究流體流動(dòng)時(shí)通常將流體視為無(wú)數(shù)流體質(zhì)點(diǎn)（微團(tuán)）組成的連續(xù)介質(zhì)，質(zhì)點(diǎn)間沒(méi)有間隙，能夠用連續(xù)函數(shù)進(jìn)行描述。實(shí)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(diǎn)介紹流體流動(dòng)過(guò)程的基本原理以及流體在管內(nèi)流動(dòng)的規(guī)律；為完成一定的流體輸送任務(wù)所進(jìn)行的管路計(jì)算，包括流體輸送管路管徑的選擇、估算流體流動(dòng)所需的能量以確定流體輸送機(jī)械的類(lèi)型和功率；流速、流量、壓力（真空度）等流體流動(dòng)相關(guān)物理量的測(cè)定。

2.1 流體靜力學(xué)

流體靜力學(xué)是研究流體在外力作用下保持靜止或者相對(duì)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(dá)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(yuǎn)小于氣體，因此除在極高的壓力條件下外，壓力對(duì)液體密度的影響可忽略不計(jì)，但密度受溫度的變化影響較大，因此在表示流體密度時(shí)一定要指明其所處的溫度條件。

當(dāng)化工生產(chǎn)中液體混合物由若干組分構(gòu)成時(shí)，通常將此混合液作為理想溶液進(jìn)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?jǐn)?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(shí)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(jì)算氣體密度。

式中，p 為氣體的絕對(duì)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(xué)溫度，K；M 為氣體的摩爾質(zhì)量，kg/kmol。

當(dāng)氣體混合物接近理想氣體時(shí)，仍然可用式（2-3）進(jìn)行計(jì)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?jǐn)?shù)，kmol/kmol。

氣體混合物的平均密度可用式（2-5）進(jìn)行計(jì)算。

2. 壓力

流體在單位面積上所受到的垂直作用力稱(chēng)為流體的壓強(qiáng)，在工程上仍然習(xí)慣稱(chēng)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)值，當(dāng)以絕對(duì)真空作為基準(zhǔn)時(shí)稱(chēng)為絕對(duì)壓力。以流體所在的當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?zhǔn)時(shí)，若壓力大于大氣壓，兩者之差稱(chēng)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。