绪　论

一、化工生产过程与单元操作

化学工业、石油化学工业、医药工业及轻工、食品、冶金等工业，尽管它们所生产的产品种类、加工方法、工艺流程以及设备等并不完全相同，甚至相差很大，但这些生产过程却具有一些共同的特点。将原料大规模进行加工处理并生成新的、符合要求的产品，其中加工处理过程的核心是化学反应过程，若要使反应过程经济有效地进行，必须为化学反应提供足够的条件（如适宜的温度、压力和物料的组成等），这就是化工生产过程（如图0-1、图0-2所示）。因此，原料必须预先经过一系列的处理以除去杂质，达到必要的纯度、温度和压力，这些过程统称为原料的预处理。反应产物同样需要经过各种处理过程加以精制，以获得最终产品，这些过程统称为产品的后处理。

按照操作原理，化工产品生产过程中的物理加工过程可归纳为应用较广的数个基本操作过程。例如，乙醇、乙烯及石油化工等生产过程中，都采用蒸馏操作分离液体均相混合物，所以蒸馏为一基本操作过程。又如，盐酸、硝酸、硫酸等生产中，都采用吸收操作分离气体均相混合物或生产产品，所以吸收为一基本操作过程。又如，尿素、聚氯乙烯及燃料等生产过程中，都采用干燥操作以除去固体中的水分，所以干燥也是一基本操作过程。还有流体输送，不论用来输送何种物料，其目的都是将流体从一个设备输送到另一个设备。加热与冷却的目的都是为了得到所需要的操作温度。这些基本操作过程都是基于物理和物理化学的原理，称为化工单元操作，简称单元操作。所以说，化工生产过程都是由化学反应过程和若干单元操作过程组合而成。

化工生产过程中不同的加工过程是在不同设备中完成的。化学反应在反应器内完成，每个单元操作是在特定的设备中完成，比如蒸馏操作在蒸馏塔内完成，吸收操作在吸收塔内完成，干燥在干燥器内进行等。不同的单元操作设备其结构有很大的不同，为相应的单元操作过程提供必要的条件，使过程有效地进行。在操作过程中，需要进行操作控制，根据规定的操作指标调节物料的进、出口流量以及温度、压力、浓度及流动状态等，使操作能以适当的速率进行，得到规定的合格产品或中间产品。

二、化工单元操作的分类

根据化工单元操作的原理和功用不同，化工单元操作可分为下列三类，见表0-1。

根据操作方式的不同，单元操作可以分为连续操作和间歇操作两种方式。

根据操作过程参数的变化规律，单元操作可分为定态操作和非定态操作两种形式。

定态操作是指在操作过程中有关的温度、压力、流速等物理参数仅随位置变化，而不随时间变化的操作。化工厂内的连续生产通常属于定态操作，其特点是过程进行的速率是稳定的，系统内没有物质或能量的积累。

非定态操作是指在操作过程中有关物理参数既随位置变化，也随时间变化的操作。通常的间歇操作为非定态操作，其特点是过程进行的速率是随时间变化的，系统内存在物质或能量的积累。

三、单元操作中常用的基本概念

1.物料衡算

根据质量守恒定律，进入某一化工过程系统的物料总质量等于离开该系统的物料质量与积累于该系统的物料质量之和，即：

输入量=输出量+积累量

对于连续操作过程，若各物理量不随时间改变，即处于稳定操作状态，过程中没有物料积累，则物料衡算关系为：

输入量=输出量

进行物料衡算时，首先按题意画出简单流程示意图，并用虚线框画出衡算范围，在工程计算中，可以根据具体情况以一个生产过程或一个设备，甚至设备某一局部作为衡算范围；其次确定衡算基准，一般选用单位进料量或排料量、单位时间及设备的单位体积等；最后列出衡算式，求解未知量。

2.能量衡算

本教材中所用到的能量主要有机械能和热能。能量衡算的依据是能量守恒定律，用以确定进、出单元设备的各项能量间的相互数量关系，包括各种机械能形式的相互转换关系，为完成指定任务需要加入或移走的热量、设备的热量损失等。

3.平衡关系

任何系统都是变化的，其变化必趋于一定方向，如任其发展，在一定的条件下，过程变化必达到极限，即平衡状态。例如，盐在水中溶解时，将一直进行到饱和状态为止；热量从高温物体传到低温物体，直至两物体的温度相等为止。任何一种平衡状态的建立都是有条件的。当条件改变时，原有平衡状态被破坏并发生移动，直至在新的条件下建立新的平衡。

4.传递速率

任何一个系统若不处于平衡状态，必然会发生使系统趋向平衡的过程。单位时间内过程的变化率称为过程速率，其大小决定过程进行的快慢，其通用表达式如下：

　　

由于过程不同，推动力与阻力的具体内容各不相同。通常，过程偏离平衡状态越远，过程推动力越大；达到平衡时，过程推动力为零。例如，引起高温物体与低温物体间热量传递的推动力是两物体间的温度差，温度差越大，过程速率越大，温度差为零时，两物体处于热平衡状态，过程速率为零。

5.经济核算

为生产定量的某种产品所需要的设备，根据设备的形式和材料不同，可以有若干设计方案。对同一台设备，所选用的操作参数不同，会影响到设备费用与操作费用。因此，要用经济核算确定最经济的设计方案。

四、单元操作过程中常见的物理量

1.密度

单位体积流体所具有的质量，称为流体的密度，用符号ρ表示。

其表达式为：

　　（0-1）

式中　ρ——流体的密度，kg/m³；

m——流体的质量，kg；

V——流体的体积，m³。

（1）液体密度　一般液体可视为不可压缩性流体，其密度基本上不随压力变化，但随温度变化，其变化关系可查相关手册。

液体混合物的密度：依据理想溶液各组分混合前后体积不变，即混合物体积等于各组分混合前体积的加和的原则进行计算。对于液相混合物组成常用组分的质量分数表示，因此可由下式计算：

　　（0-2）

式中　w₁、w₂、…w_n——液体混合物中各组分的质量分数；

ρ₁、ρ₂、…ρ_n——液体混合物中各组分的密度，kg/m³；

ρ_m——液体混合物的密度，kg/m³。

（2）气体密度　气体为可压缩性流体，其密度随温度和压力变化较大。当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算：

　　

　　（0-3）

式中　p——气体的压力，kPa；

T——气体的温度，K；

M_m——混合气体的平均千摩尔质量，kg/kmol，即M_m=M₁y₁+M₂y₂+…+M_iy_i（M_i为气体混合物中i组分的千摩尔质量，kg/kmol）；

R——通用气体常数，R=8.314kJ/（kmol·K）；

ρ_m——混合气体的密度，kg/m³。

一般在手册中查得的纯气体密度都是在一定压力与温度下的数值，若条件不同，则此值需进行换算。

气体混合物的组成常用体积分数表示，在混合前后其压强与温度不变，混合气体的质量等于各组分的质量之和，即由下式计算：

ρ_m=ρ₁y₁+ρ₂y₂+……+ρ_ny_n　　（0-4）

式中　y₁、y₂、…y_n——气体混合物中各组分的摩尔分数（对于理想气体，摩尔分数在数值上等于体积分数）；

ρ₁、ρ₂、…ρ_n——在气体混合物的压力下，各组分的密度，kg/m³。

【例0-1】　干空气的组成近似为21%的氧气、79%的氮气（均为体积分数）。试求压力为294kPa、温度为80℃时空气的密度。

解：

T=273+80=353（K）

M_m=M₁y₁+M₂y₂=32×0.21+28×0.79=28.84（kg/kmol）　　

由式（0-3）可得

　　

（3）相对密度　在一定条件下，某种流体的密度与在标准大气压和4℃（或277K）的纯水的密度之比，称为相对密度（旧称比重），用符号d表示。

　　（0-5）

（4）流体的比容　流体的比容为密度的倒数，即单位质量流体所具有的体积（单位：m³/kg）。

　　（0-6）

2.黏度

流体内部产生的相互作用力，通常称为内摩擦力或称黏滞力；流体在流动时产生内摩擦的性质称为流体的黏性；黏度μ是度量流体黏性大小的物理量。在SI单位制中，黏度的单位是Pa·s，常用单位还有mPa·s、P（泊）、cP（厘泊），它们之间的换算关系为：1Pa·s=10³mPa·s=10³cP。

（1）影响黏度的因素　流体种类、温度与压力。一般同一液体的黏度随着温度的升高而降低，压力对液体黏度的影响可忽略不计；同一气体的黏度随着温度的升高而增大，一般情况下也可忽略压力的影响，但在极高或极低的压力条件下需考虑其影响。

（2）混合物的黏度　分子不缔合的混合液体黏度估算式：

　　（0-7）

式中　μ_m——混合液体的黏度；

x_i——液体混合物中i组分的摩尔分数；

μ_i——液体混合中i组分的黏度。

常压下气体混合物的黏度估算式：　　（0-8）

式中　　μ_m——气体混合物的黏度；

y_i——气体混合物中i组分的摩尔分数；

μ_i——气体混合中i组分的黏度；

M_i——气体混合物中i组分的千摩尔质量，kg/kmol。

3.压力

流体垂直作用于单位面积上的压力称为流体的静压强，简称压强，习惯上也称其为压力。表达式为

　　（0-9）

式中　p——流体的静压强，Pa；

F——垂直作用于流体表面上的压力，N；

A——作用面的面积，m²。

压力可以有不同的计量标准（见图0-3）：

（1）绝对压力（绝压）　以绝对零压作起点计算的压力，是流体的真实压力。

（2）表压　流体的绝对压力大于大气压力时用压力表所测得的压力，即

表压=绝对压力-大气压力

（3）真空度　流体的绝对压力低于大气压力时用真空表所测得的压力，即

真空度=大气压力-绝对压力

注意：外界大气压力随大气的温度、湿度和所在地区的海拔高度而改变。三种计量标准在使用过程中表压、真空度要加以标注，如145kPa（表压）、65kPa（真空度）等，若无标注则表示绝对压力。

【例0-2】　某生产工艺中的离心泵入口真空表读数为30kPa，出口压力表的读数为170kPa。若当地大气压为101kPa，试求泵入口和出口的绝对压力为多少？

解：泵入口绝对压力：p_入=101-30=71（kPa）

泵出口绝对压力：p_出=170+101=271（kPa）

4.混合物各组分的组成表示方法

（1）质量分数　是指在混合物中某组分的质量占混合物总质量的比例。

　　（0-10）

显然，混合物中各组分的质量分数之和等于1，即∑w_i=1。

（2）摩尔分数　是指在混合物中某组分的物质的量n_A占混合物总物质的量n的比例。

　　（0-11）

（3）物质的量的浓度　也简称物质的浓度，是指单位体积混合物中某组分的物质的量，用符号c_i表示，即

　　（0-12）

（4）摩尔比　是指混合物中某组分A的物质的量与惰性组分B（不参加传质的组分）的物质的量之比。

　　（0-13）

（5）各组成表示形式间的换算关系

浓度与摩尔分数间的关系：

　　（0-14）

质量分数与摩尔分数间的关系：　　　

　　（0-15）

摩尔分数与摩尔比间的关系：

　　（0-16）

【自测练习】

一、问题思考

1.什么是化工单元操作？常见的化工单元操作有哪些？

2.单元操作中物料衡算和能量衡算的依据是什么？

3.单元操作过程速率的主要影响因素有哪些？请写出过程速率的通式。

4.平衡关系的作用是什么？

5.流体黏性的本质是什么？

6.何谓绝对压力、表压和真空度？表压和绝对压力、大气压力之间有什么关系？真空度和绝对压力、大气压力之间有什么关系？

二、工艺计算

1.在大气压强为100kPa地区，某真空蒸馏塔塔顶的真空表读数为90kPa。若在大气压强为87kPa地区，仍要求塔顶绝压维持在相同数值下操作，问此时真空表读数为多少？

2.正庚烷和正辛烷混合液中，正庚烷的摩尔分数为0.4，试求该混合液在20℃下的密度。

3.干燥器将含水量为10%（质量分数，下同）的湿物料干燥至含水量为0.8%的干物料，试求每吨湿物料除去的水分。