緒 論
一、化工生產過程與單元操作
化學工業、石油化學工業、醫藥工業及輕工、食品、冶金等工業，盡管它們所生產的產品種類、加工方法、工藝流程以及設備等并不完全相同，甚至相差很大，但這些生產過程卻具有一些共同的特點。將原料大規模進行加工處理并生成新的、符合要求的產品，其中加工處理過程的核心是化學反應過程，若要使反應過程經濟有效地進行，必須為化學反應提供足夠的條件（如適宜的溫度、壓力和物料的組成等），這就是化工生產過程（如圖0-1、圖0-2所示）。因此，原料必須預先經過一系列的處理以除去雜質，達到必要的純度、溫度和壓力，這些過程統稱為原料的預處理。反應產物同樣需要經過各種處理過程加以精制，以獲得最終產品，這些過程統稱為產品的后處理。
圖0-1 乙二醇生產流程圖
圖0-2 天然氣制甲醇工藝流程
1—脫硫反應器；2—蒸汽轉化爐；3—汽包；4—煙囪；5—凈化系統；6—合成氣壓縮機；7—甲醇合成塔；8—分離器；9—脫輕組分塔；10—精餾塔；11—壓縮機
按照操作原理，化工產品生產過程中的物理加工過程可歸納為應用較廣的數個基本操作過程。例如，乙醇、乙烯及石油化工等生產過程中，都采用蒸餾操作分離液體均相混合物，所以蒸餾為一基本操作過程。又如，鹽酸、硝酸、硫酸等生產中，都采用吸收操作分離氣體均相混合物或生產產品，所以吸收為一基本操作過程。又如，尿素、聚氯乙烯及燃料等生產過程中，都采用干燥操作以除去固體中的水分，所以干燥也是一基本操作過程。還有流體輸送，不論用來輸送何種物料，其目的都是將流體從一個設備輸送到另一個設備。加熱與冷卻的目的都是為了得到所需要的操作溫度。這些基本操作過程都是基于物理和物理化學的原理，稱為化工單元操作，簡稱單元操作。所以說，化工生產過程都是由化學反應過程和若干單元操作過程組合而成。
化工生產過程中不同的加工過程是在不同設備中完成的。化學反應在反應器內完成，每個單元操作是在特定的設備中完成，比如蒸餾操作在蒸餾塔內完成，吸收操作在吸收塔內完成，干燥在干燥器內進行等。不同的單元操作設備其結構有很大的不同，為相應的單元操作過程提供必要的條件，使過程有效地進行。在操作過程中，需要進行操作控制，根據規定的操作指標調節物料的進、出口流量以及溫度、壓力、濃度及流動狀態等，使操作能以適當的速率進行，得到規定的合格產品或中間產品。
二、化工單元操作的分類
根據化工單元操作的原理和功用不同，化工單元操作可分為下列三類，見表0-1。
表0-1 常用的化工單元操作
根據操作方式的不同，單元操作可以分為連續操作和間歇操作兩種方式。
根據操作過程參數的變化規律，單元操作可分為定態操作和非定態操作兩種形式。
定態操作是指在操作過程中有關的溫度、壓力、流速等物理參數僅隨位置變化，而不隨時間變化的操作。化工廠內的連續生產通常屬于定態操作，其特點是過程進行的速率是穩定的，系統內沒有物質或能量的積累。
非定態操作是指在操作過程中有關物理參數既隨位置變化，也隨時間變化的操作。通常的間歇操作為非定態操作，其特點是過程進行的速率是隨時間變化的，系統內存在物質或能量的積累。
三、單元操作中常用的基本概念
1.物料衡算
根據質量守恒定律，進入某一化工過程系統的物料總質量等于離開該系統的物料質量與積累于該系統的物料質量之和，即：
輸入量=輸出量+積累量
對于連續操作過程，若各物理量不隨時間改變，即處于穩定操作狀態，過程中沒有物料積累，則物料衡算關系為：
輸入量=輸出量
進行物料衡算時，首先按題意畫出簡單流程示意圖，并用虛線框畫出衡算范圍，在工程計算中，可以根據具體情況以一個生產過程或一個設備，甚至設備某一局部作為衡算范圍；其次確定衡算基準，一般選用單位進料量或排料量、單位時間及設備的單位體積等；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機械能和熱能。能量衡算的依據是能量守恒定律，用以確定進、出單元設備的各項能量間的相互數量關系，包括各種機械能形式的相互轉換關系，為完成指定任務需要加入或移走的熱量、設備的熱量損失等。
3.平衡關系
任何系統都是變化的，其變化必趨于一定方向，如任其發展，在一定的條件下，過程變化必達到極限，即平衡狀態。例如，鹽在水中溶解時，將一直進行到飽和狀態為止；熱量從高溫物體傳到低溫物體，直至兩物體的溫度相等為止。任何一種平衡狀態的建立都是有條件的。當條件改變時，原有平衡狀態被破壞并發生移動，直至在新的條件下建立新的平衡。
4.傳遞速率
任何一個系統若不處于平衡狀態，必然會發生使系統趨向平衡的過程。單位時間內過程的變化率稱為過程速率，其大小決定過程進行的快慢，其通用表達式如下：
由于過程不同，推動力與阻力的具體內容各不相同。通常，過程偏離平衡狀態越遠，過程推動力越大；達到平衡時，過程推動力為零。例如，引起高溫物體與低溫物體間熱量傳遞的推動力是兩物體間的溫度差，溫度差越大，過程速率越大，溫度差為零時，兩物體處于熱平衡狀態，過程速率為零。
5.經濟核算
為生產定量的某種產品所需要的設備，根據設備的形式和材料不同，可以有若干設計方案。對同一臺設備，所選用的操作參數不同，會影響到設備費用與操作費用。因此，要用經濟核算確定最經濟的設計方案。
四、單元操作過程中常見的物理量
1.密度
單位體積流體所具有的質量，稱為流體的密度，用符號ρ表示。
其表達式為：
（0-1）
式中 ρ——流體的密度，kg/m3；
m——流體的質量，kg；
V——流體的體積，m3。
（1）液體密度 一般液體可視為不可壓縮性流體，其密度基本上不隨壓力變化，但隨溫度變化，其變化關系可查相關手冊。
液體混合物的密度：依據理想溶液各組分混合前后體積不變，即混合物體積等于各組分混合前體積的加和的原則進行計算。對于液相混合物組成常用組分的質量分數表示，因此可由下式計算：
（0-2）
式中 w1、w2、…wn——液體混合物中各組分的質量分數；
ρ1、ρ2、…ρn——液體混合物中各組分的密度，kg/m3；
ρm——液體混合物的密度，kg/m3。
（2）氣體密度 氣體為可壓縮性流體，其密度隨溫度和壓力變化較大。當壓力不太高、溫度不太低時，可按理想氣體狀態方程計算：
（0-3）
式中 p——氣體的壓力，kPa；
T——氣體的溫度，K；
Mm——混合氣體的平均千摩爾質量，kg/kmol，即Mm=M1y1+M2y2+…+Miyi（Mi為氣體混合物中i組分的千摩爾質量，kg/kmol）；
R——通用氣體常數，R=8.314kJ/（kmol·K）；
ρm——混合氣體的密度，kg/m3。
一般在手冊中查得的純氣體密度都是在一定壓力與溫度下的數值，若條件不同，則此值需進行換算。
氣體混合物的組成常用體積分數表示，在混合前后其壓強與溫度不變，混合氣體的質量等于各組分的質量之和，即由下式計算：
ρm=ρ1y1+ρ2y2+……+ρnyn （0-4）
式中 y1、y2、…yn——氣體混合物中各組分的摩爾分數（對于理想氣體，摩爾分數在數值上等于體積分數）；
ρ1、ρ2、…ρn——在氣體混合物的壓力下，各組分的密度，kg/m3。
【例0-1】 干空氣的組成近似為21%的氧氣、79%的氮氣（均為體積分數）。試求壓力為294kPa、溫度為80℃時空氣的密度。
解：
T=273+80=353（K）
Mm=M1y1+M2y2=32×0.21+28×0.79=28.84（kg/kmol）
由式（0-3）可得
（3）相對密度 在一定條件下，某種流體的密度與在標準大氣壓和4℃（或277K）的純水的密度之比，稱為相對密度（舊稱比重），用符號d表示。
（0-5）
（4）流體的比容 流體的比容為密度的倒數，即單位質量流體所具有的體積（單位：m3/kg）。
（0-6）
2.黏度
流體內部產生的相互作用力，通常稱為內摩擦力或稱黏滯力；流體在流動時產生內摩擦的性質稱為流體的黏性；黏度μ是度量流體黏性大小的物理量。在SI單位制中，黏度的單位是Pa·s，常用單位還有mPa·s、P（泊）、cP（厘泊），它們之間的換算關系為：1Pa·s=103mPa·s=103cP。
（1）影響黏度的因素 流體種類、溫度與壓力。一般同一液體的黏度隨著溫度的升高而降低，壓力對液體黏度的影響可忽略不計；同一氣體的黏度隨著溫度的升高而增大，一般情況下也可忽略壓力的影響，但在極高或極低的壓力條件下需考慮其影響。
（2）混合物的黏度 分子不締合的混合液體黏度估算式：
（0-7）
式中 μm——混合液體的黏度；
xi——液體混合物中i組分的摩爾分數；
μi——液體混合中i組分的黏度。
常壓下氣體混合物的黏度估算式：
（0-8）
式中 μm——氣體混合物的黏度；
yi——氣體混合物中i組分的摩爾分數；
μi——氣體混合中i組分的黏度；
Mi——氣體混合物中i組分的千摩爾質量，kg/kmol。
3.壓力
流體垂直作用于單位面積上的壓力稱為流體的靜壓強，簡稱壓強，習慣上也稱其為壓力。表達式為
（0-9）
式中 p——流體的靜壓強，Pa；
F——垂直作用于流體表面上的壓力，N；
A——作用面的面積，m2。
壓力可以有不同的計量標準（見圖0-3）：
圖0-3 表壓、絕對壓力及真空度的關系
（1）絕對壓力（絕壓） 以絕對零壓作起點計算的壓力，是流體的真實壓力。
（2）表壓 流體的絕對壓力大于大氣壓力時用壓力表所測得的壓力，即
表壓=絕對壓力-大氣壓力
（3）真空度 流體的絕對壓力低于大氣壓力時用真空表所測得的壓力，即
真空度=大氣壓力-絕對壓力
注意：外界大氣壓力隨大氣的溫度、濕度和所在地區的海拔高度而改變。三種計量標準在使用過程中表壓、真空度要加以標注，如145kPa（表壓）、65kPa（真空度）等，若無標注則表示絕對壓力。
【例0-2】 某生產工藝中的離心泵入口真空表讀數為30kPa，出口壓力表的讀數為170kPa。若當地大氣壓為101kPa，試求泵入口和出口的絕對壓力為多少？
解：泵入口絕對壓力：p入=101-30=71（kPa）
泵出口絕對壓力：p出=170+101=271（kPa）
4.混合物各組分的組成表示方法
（1）質量分數 是指在混合物中某組分的質量占混合物總質量的比例。
（0-10）
顯然，混合物中各組分的質量分數之和等于1，即∑wi=1。
（2）摩爾分數 是指在混合物中某組分的物質的量nA占混合物總物質的量n的比例。
（0-11）
（3）物質的量的濃度 也簡稱物質的濃度，是指單位體積混合物中某組分的物質的量，用符號ci表示，即
（0-12）
（4）摩爾比 是指混合物中某組分A的物質的量與惰性組分B（不參加傳質的組分）的物質的量之比。
（0-13）
（5）各組成表示形式間的換算關系
濃度與摩爾分數間的關系：
（0-14）
質量分數與摩爾分數間的關系：
（0-15）
摩爾分數與摩爾比間的關系：
（0-16）
【自測練習】
一、問題思考
1.什么是化工單元操作？常見的化工單元操作有哪些？
2.單元操作中物料衡算和能量衡算的依據是什么？
3.單元操作過程速率的主要影響因素有哪些？請寫出過程速率的通式。
4.平衡關系的作用是什么？
5.流體黏性的本質是什么？
6.何謂絕對壓力、表壓和真空度？表壓和絕對壓力、大氣壓力之間有什么關系？真空度和絕對壓力、大氣壓力之間有什么關系？
二、工藝計算
1.在大氣壓強為100kPa地區，某真空蒸餾塔塔頂的真空表讀數為90kPa。若在大氣壓強為87kPa地區，仍要求塔頂絕壓維持在相同數值下操作，問此時真空表讀數為多少？
2.正庚烷和正辛烷混合液中，正庚烷的摩爾分數為0.4，試求該混合液在20℃下的密度。
3.干燥器將含水量為10%（質量分數，下同）的濕物料干燥至含水量為0.8%的干物料，試求每噸濕物料除去的水分。