緒　論

通過緒論的學習，應了解化工單元操作課程的主要內容、單元操作的分類和特點、工程學科的研究方法，掌握單位制及單位換算方法。

一、化工生產過程與單元操作

化學工業是將自然界中的各種物質資源通過物理和化學的方法加工成達到一定要求的產品的工業。化學工程是一門工程技術學科，它研究化工產品生產過程的基本規律，并運用這些規律解決化工生產中的問題。

化學工業包括石油煉制和裂解、煤焦化及煤焦油工業、基本有機合成工業、橡膠工業、塑料工業、氯堿工業、制酸工業、化肥工業、制藥、日用化學工業等工業。

化工產品根據技術密集高低、附加值利潤大小、品種類型、產量多少、更新速度快慢以及應用范圍不同又可分為兩大類。一類是通用化學品，另一類是精細化學品。化工產品種類繁多，化工原料相對有限，化工原料可分為無機原料和有機原料兩大類。無機原料主要有空氣、水和化學礦物；有機原料主要是煤、石油、天然氣和生物質等。

原料選擇原則：

①考慮原料品位能否滿足生產要求，來源是否充足穩定可靠。

②分析原料的經濟性。要對原料路線和工藝路線的技術經濟指標權衡。

③從綜合利用原料、副產品以及“三廢”的綜合利用等方面考慮。

化學工業的特點：

①化學工業是獨特的、不可取代的工業部門，生產總值在國民生產中所占的比重大于10%。

②品種繁多，生產工藝復雜，生產裝置與規模大，為生產與投資資金密集、技術密集的工業部門。

③生產過程中能耗大、產生的“三廢”多，屬于易污染、重污染高發的工業產業。

化工生產以工業規模對原料進行加工處理，使其不僅在物理形態上發生變化，而且在化學性質上也發生變化，從而成為合格的產品。化工生產過程示意圖見圖0-1。

盡管化工過程復雜多變，但根據化工過程對物質的加工處理特征，可將其分為兩大類：一類是以進行化學反應為主，完成該類操作的主要設備是各種特定的反應器。涉及的化學反應類型不同，反應機理與機制也有各自的特點，影響化學反應過程的主要參數也各不相同，反應器的種類與結構也不相同。另一類是各種物理加工過程，如生產過程中物料的輸送、混合物的分離、流體的加熱或冷卻、溶液的組合與濃縮等。這類操作具有的共同特點是：只改變物料存在的狀態或其物理性質，一般不改變其化學性質，都是物理過程。按照作用原理的不同，可將其歸納為若干個基本操作過程，這些基本操作過程稱為單元操作（unit operation）。每個單元操作都有與其相對應的設備。單元操作在不同的化工生產過程中遵循的原理相同，但在操作條件、設備類型或結構上會有很大的差別。任何一個化工生產過程，都是由若干個單元操作及化學反應過程有機組合而成的。其中，化學反應及反應器是化工生產的核心。反應過程將在化學反應工程課程中研究，而在化工生產中占極其重要地位的、為化學反應過程創造適宜條件、將反應產物分離純化的各類單元操作的原理及設備在化工單元操作課程中研究。

化工單元操作課程是一門實踐性很強的課程。單元操作的內容包括“過程”和“設備”兩個方面。

化工單元操作是化工類各專業（包括化工、輕工、生物、制藥、環境、材料等）的專業基礎課，是綜合運用數學、物理、化學等基礎知識，分析和解決化工生產中各種物理過程問題的工程學科。

實際上，若干單元操作之間存在著類似的規律和內在的聯系。從本質上講，所有的單元操作都可以分為動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞這三種傳遞過程及它們的協同過程。傳遞過程是單元操作的理論基礎，是聯系各單元操作的一條主線。流體流動的基本原理，不僅是流體輸送、沉淀、過濾等過程的理論基礎，也是熱量傳遞和質量傳遞過程中各單元操作的理論基礎，因為在這些單元操作中，進行熱量交換或物質擴散的流體都處于流動狀態，其傳熱或傳質的效果與流體流動狀態密切相關。熱量傳遞的基本原理，不僅是熱量交換和蒸發過程的理論基礎，也是傳質過程中某些單元操作的理論基礎。例如蒸餾和干燥操作中，同時伴隨有質量傳遞和熱量傳遞，其過程效果同時受質量傳遞和熱量傳遞效果的影響。按照單元操作所遵循的基本規律，可將其分為以下三類（詳細的原理與分類見表0-1）：

①動量傳遞過程。動量傳遞過程包括流體輸送、沉降、過濾、攪拌等。

②熱量傳遞過程。熱量傳遞過程包括傳熱、蒸發等。

③質量傳遞過程。質量傳遞過程包括蒸餾、吸收、萃取、干燥、吸附、離子交換等。

每一個產品的生產過程都包含了反應過程和單元操作過程（均是若干個單元操作與若干個單元反應的串聯組合），所以化工生產過程可以簡化為：“三傳一反”（見圖0-2）。

二、單位制與單位換算

任何物理量的大小都是由數字和單位共同表達的，二者缺一不可，否則將不具有任何物理意義。同一物理量在不同的單位制中，其數值會相應地改變。在科學技術的發展過程中，由于歷史、地區及學科等原因形成了不同的單位制。常見的單位制有絕對單位制（包括CGS制和MKS制）、工程單位制、國際單位制（SI制）和法定單位制。其中，國際單位制是1960年10月在第十一屆國際計量大會上通過的一種新的單位制度，由于其具有通用性和一貫性的優點，在國際上被迅速推廣使用。目前，我國采用中華人民共和國法定計量單位制，它以SI制為基礎，同時規定了一些我國選定的單位。所有單位制的共性是將物理量分為基本物理量和導出物理量，每種單位制根據使用方便的原則，規定了其基本物理量，其單位稱為基本單位。其他物理量為導出物理量，其單位根據其物理意義，由有關基本單位組合而成。常見單位制所規定的基本物理量及單位如表0-2所示。

由于各單位制推廣和使用在各地區、各學科領域不平衡，而且文獻資料中所涉及的物理量又是多種單位制并存，這就需要了解和掌握不同單位制及其之間的換算方法。在本學科領域涉及的單位換算包括物理量的單位換算和公式的單位換算兩類。

1.物理量的單位換算

任何物理量的值都是由數字和單位組成的，即物理量的值=數字×單位。就物理量而言，將其從一種單位換算成另一種單位時，其值本身不會變化，只是數值要發生改變。同一物理量的值在進行不同單位制下的單位換算時，需乘以兩單位之間的換算因數。換算因數等于兩單位制下同一物理量之比。

例如0.1m和100cm是兩個彼此相等的值，它們分別屬于國際單位制和絕對單位制中長度的單位，即：

1m=100cm

對應兩種單位的換算因數為：

100cm/1m=100cm/m

從本質上講，包括單位的任何換算因數都是純數1，任何物理量乘以或除以單位的換算因數，都不會改變原物理量的大小。

技術訓練0-1

水在20℃時的熱導率為0.515kcal/（m·h·℃），試從基本換算單位開始，將水的熱導率單位換算成國際單位制下單位W/（m·℃）。

解：

1kcal=4.187×103J

1h=3600s

在國際單位制中，|W|=J/s，則水的熱導率為

關于物理量的單位換算，常用的方法是從參考資料中查出原單位和要換算的新單位之間的換算因數，用換算因數與原物理量相乘或相除，消去原單位而引入新單位，即可得到換算后的物理量新單位下的數值。

1kcal/（m·h·℃）=1.163W/（m·℃）

則0.515kcal/（m·h·℃）=0.515×1.163W/（m·℃）=0.599W/（m·℃）

2.公式的單位換算

公式是對特定過程中各有關因素的數量關系的客觀描述，在化工過程的工藝設計計算中所用到的公式可分為以下兩類。

一類是根據物理過程規律建立的各物理量之間關系的物理方程，如牛頓第二運動定律

F=ma

式中　F——作用在物體上的力；

m——物體的質量；

a——物體運動的加速度。

物理方程具有單位一致性（或稱量綱一致性）。各物理量的單位可以任選一種單位制。同一物理方程式中絕不允許同時采用兩種單位制。

另一類是根據實驗數據整理、歸納得到的經驗公式，式中各符號僅代表對應物理量的數字部分，其單位必須采用指定的單位，經驗公式只反映各物理量的數字之間的關系，故經驗公式又稱數字公式。若要采用非經驗公式指定的單位，需先對經驗公式進行換算，然后再代入數據計算。根據經驗公式的特點，對其進行單位換算時，需根據物理量和單位的關系（物理量的值=數字×單位）將經驗公式中的各符號按物理量與規定單位之比的形式列出，然后利用單位之間的換算因數，把原規定的單位換算成希望的單位。

三、物料衡算與能量衡算

物料衡算與能量衡算是進行化工過程分析計算的基本手段。任何生產過程都是各個單元操作的協同作用的過程。要分析和確定過程中各股物料的數量、組成之間的關系及保證工藝過程的順利實施中需要的能量供給和釋放，必須對過程進行物料衡算和能量衡算。同時，要確定工藝過程中涉及的相關設備的工藝尺寸，必須依賴對應的平衡關系和速率關系，從而確定過程進行的極限，分析過程進行的快慢。因此，平衡關系和速率關系是研究各種單元操作原理的基本內容。

1.物料衡算

物料衡算的基本依據是質量守恒定律。向系統輸入的物料質量減去從系統輸出的物料質量等于物料在系統內物料的累計質量，即

∑mi-∑mo=mA

式中　∑mi——輸入系統物料量的總和；

∑mo——輸出系統物料量的總和；

mA——系統內累計的物料量。

上式是物料衡算的通式，既適用于間歇操作過程，也適用于連續生產過程。衡算系統可以是任何指定的設備、車間、工段等空間范圍。對于沒有化學變化的過程，任一物質或組成都符合該通式；對有化學變化的過程，涉及的各元素也符合該通式。

物料衡算的步驟：

①劃定衡算范圍；②劃定衡算基準（時間基準）；③列出化學反應式（無化學反應的過程，此步驟略）；④統一單位；⑤列物料衡算式進行計算。

衡算范圍根據分析計算的要求和目標參數劃定。對于間歇操作過程，衡算一般取一次或一批操作為基準；對于連續操作過程，常以時間單位為基準。對應的物料衡算式也可用下式表示，即

∑Wi-∑Wo=dmA/dθ

式中　Wi，Wo——每股輸入、輸出系統的物料的質量流量；

d/dθ——物料在系統內的質量累計速率。

對于連續穩定的生產過程，系統內不可能有物料的累計，即dmA/dθ=0，故

∑Wi=∑Wo

2.能量衡算

能量衡算的基本依據是能量守恒定律。自然界能量以多種形式存在，如機械能、化學能、原子能、電能、熱量、磁能等，各種能量之間可以相互轉換。化工計算中涉及的不是能量之間的相互轉換問題，是總能量衡算問題，而且大多數的能量衡算可簡化為熱量衡算。本課程介紹的能量衡算以熱量衡算為重點。

根據能量守恒定律，進入系統的物料帶入的能量等于排出系統的物料帶出的能量與系統的熱損失之和。即

∑（WH）i=∑（WH）o+QL

式中　∑（WH）i——隨物料進入系統的總熱量，kJ或kW；

∑（WH）o——隨物料排除系統的總熱量，kJ或kW；

QL——系統的熱損失，kJ或kW。

進行能量衡算的方法與物料衡算的方法基本相同。因熱量衡算涉及物料的焓，物料的焓的值與物料的狀態有關，而且是相對值，所以，進行熱量衡算時，除首先要先劃定衡算范圍、確定衡算基準外，還需設定另一個基準，即基準溫度。通常選0℃為基準溫度，并規定0℃時液態的焓為0。然后將所有相關參數的單位統一，列熱量衡算式進行計算。

四、過程速率

平衡關系只能說明過程的方向和限度，而不能確定過程進行的快慢。過程進行的快慢只能用過程速率來描述。過程速率受諸多因素影響，目前還不能用一個簡單的算術式來表示化工過程速率與其影響因素之間的關系。工業生產過程速率常以過程推動力與過程阻力的比值來表示，即

過程速率=過程推動力/過程阻力

不同過程的推動力有不同的含義，如冷、熱兩流體之間傳熱推動力應為冷、熱兩流體之間的溫度差，流體流動的推動力為勢能差，而物質傳遞的推動力則為濃度差。無論是什么含義，它們有一個共同點，即過程達平衡時推動力均為零。過程阻力較為復雜，應根據具體過程進行分析。

五、本課程的學習方法與建議

學習單元操作課程的目的可歸納為以下幾點。

①學習如何根據各單元操作在技術上和經濟上的特點，進行“過程和設備”的選擇，以適應指定物系的特征，從而經濟而有效地滿足工藝要求。

②學習如何進行過程的計算和設備的設計。在缺乏數據的情況下，如何組織實驗以取得必要的設計數據。

③學習如何進行操作和調節以適應生產的不同要求，在操作發生故障時如何尋找故障的緣由。

根據課程的目的與特點，在學習本課程過程中給學習者提供一些建議：

①理論聯系實際，將理論教學、課程實驗、課程設計以及過程仿真結合在一起。

②學習過程中過程原理與設備結合在一起。

③掌握科學研究方法，學習相關的軟件（ChemOffice，Origin，Aspen Plus等）和專業英語等相關知識與技能。

④培養自學能力、創新能力，利用課余時間訪問專業網站、精品課程、國家資源庫等，通過自學、復習等，提高學習效果。