二、單元操作

(一)單元操作的定義及分類

通常，一種產(chǎn)品從原料到成品的生產(chǎn)過(guò)程中，往往需要幾個(gè)、十幾個(gè)甚至幾十個(gè)物理加工過(guò)程。但研究化工生產(chǎn)諸多物理過(guò)程后發(fā)現(xiàn)，根據(jù)它們的操作原理，可以歸納為若干個(gè)基本單元操作過(guò)程。這些基本的單元操作過(guò)程具有共同的基本原理并各有其通用的典型設(shè)備。例如，合成氨、硝酸和硫酸的生產(chǎn)過(guò)程中，都是采用吸收操作分離氣體混合物，而且都遵循亨利定律及相平衡原理，所以吸收是一個(gè)基本單元操作，且都是在吸收塔內(nèi)進(jìn)行的。又如尿素、聚氯乙烯的生產(chǎn)過(guò)程中，都采用干燥操作除去固體中的水分，所以干燥也是一個(gè)基本單元操作，且均是在干燥器內(nèi)進(jìn)行的。再如乙醇、乙烯及石油加工等生產(chǎn)過(guò)程中，都采用蒸餾操作分離液體混合物，達(dá)到提純產(chǎn)品的目的，所以蒸餾也為一基本單元操作，其原理都遵循相平衡和兩相間擴(kuò)散傳質(zhì)規(guī)律，且都是在蒸餾設(shè)備中進(jìn)行。

我們將這些具有共性的基本操作稱為單元操作。化工生產(chǎn)過(guò)程是由若干單元操作與化學(xué)反應(yīng)串聯(lián)組合而成。

各單元操作并不是孤立的，經(jīng)過(guò)分析研究，按照各單元操作遵循的基本規(guī)律，可把它們歸納為如下幾類:

(1)動(dòng)量傳遞過(guò)程:包括遵循流體力學(xué)基本規(guī)律的單元操作，如流體的輸送、攪拌、沉降、過(guò)濾等。

(2)熱量傳遞過(guò)程:包括遵循傳熱基本規(guī)律的單元操作，如加熱、冷卻、蒸發(fā)和冷凝等。

(3)質(zhì)量傳遞過(guò)程:包括遵循傳質(zhì)基本規(guī)律的單元操作，如蒸餾、吸收、干燥、膜分離、萃取、結(jié)晶等。

化工單元操作技術(shù)課程以單元操作作為研究對(duì)象，內(nèi)容包括單元操作基本理論、單元操作設(shè)備、工藝計(jì)算和操作訓(xùn)練。主要研究相關(guān)單元操作的基本原理和規(guī)律，熟悉掌握實(shí)現(xiàn)這些操作的設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理、操作調(diào)控方法、主要性能和有關(guān)技術(shù)問(wèn)題，并具有一定的運(yùn)算、選型能力，運(yùn)用這些知識(shí)分析和解決工程實(shí)踐中的實(shí)際問(wèn)題;學(xué)會(huì)單元操作過(guò)程的操作和調(diào)節(jié)，在操作發(fā)生故障時(shí)，能夠查找故障原因，提出排除故障的措施，解決操作中的實(shí)際問(wèn)題，使各項(xiàng)操作在最優(yōu)化條件下進(jìn)行。

(二)單元操作中常用的基本概念和觀點(diǎn)

在分析各單元操作原理及設(shè)備計(jì)算中，都是以物料衡算、能量衡算、平衡關(guān)系和過(guò)程速率這四種基本計(jì)算為依據(jù)。

1．物料衡算根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在任何一個(gè)穩(wěn)定的化工生產(chǎn)系統(tǒng)中，輸入系統(tǒng)的物料質(zhì)量必等于從系統(tǒng)中輸出的物料質(zhì)量與在系統(tǒng)中積累的物料質(zhì)量之和，即:

式中:∑F---輸入系統(tǒng)物料總量，kg;

∑D---輸出系統(tǒng)物料總量，kg;

A---積累物料總量，kg。

上式是物料衡算的通式，該式不僅適用于整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的計(jì)算，也適用于生產(chǎn)系統(tǒng)中某一工序或某一設(shè)備的計(jì)算;既可對(duì)系統(tǒng)作總的物料衡算，也可對(duì)混合物中的某一組分進(jìn)行物料衡算。

進(jìn)行物料衡算時(shí)，首先要確定衡算的范圍，明確是對(duì)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)作衡算，還是對(duì)某一工序或某一設(shè)備作衡算;是對(duì)總物料進(jìn)行衡算，還是對(duì)物料中某一組分作衡算。其次是確定衡算基準(zhǔn)，對(duì)于間歇生產(chǎn)，一般以每一生產(chǎn)周期為基準(zhǔn)進(jìn)行衡算;對(duì)于連續(xù)生產(chǎn)則以kg/h或kg/s為基準(zhǔn)進(jìn)行衡算。

【例0-1】已知條件如圖0-2所示，求產(chǎn)量(D)和殘液量(W)。

圖0-2

解:計(jì)算基準(zhǔn)為1h，列出虛線內(nèi)總物料和易揮發(fā)組分的物料衡算式。

物料衡算是化工計(jì)算中的重要內(nèi)容之一，它對(duì)設(shè)備尺寸的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程的分析，具有重要意義。

2．能量衡算根據(jù)能量守恒定律，在任何一個(gè)穩(wěn)定的化工生產(chǎn)系統(tǒng)中，輸入系統(tǒng)的能量必等于從系統(tǒng)中輸出的能量與在系統(tǒng)中損失的能量之和。能量衡算應(yīng)包括與該過(guò)程有關(guān)的各種形式的能:熱能，機(jī)械能，電能，化學(xué)能等，但在許多化工生產(chǎn)中所涉及的能量?jī)H為熱能，所以本書中能量衡算簡(jiǎn)化為熱量衡算，即:

式中:∑Q_i---輸入系統(tǒng)的各物料帶入的總熱量，kJ;

∑Q_o---輸出系統(tǒng)的各物料帶出的總熱量，kJ;

Q_L---系統(tǒng)損失的熱量，kJ。

進(jìn)行能量衡算時(shí)，也要先確定衡算的范圍，明確是對(duì)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)作衡算，還是對(duì)某一工序或某一設(shè)備作衡算;然后確定衡算基準(zhǔn)，對(duì)于間歇生產(chǎn)，一般以每一生產(chǎn)周期為基準(zhǔn)進(jìn)行衡算;對(duì)于連續(xù)生產(chǎn)則以kJ/h或kJ/s為基準(zhǔn)進(jìn)行衡算。

【例0-2】已知條件如圖0-3所示，對(duì)該換熱器進(jìn)行熱量衡算。

解:根據(jù)能量守恒定律，列出虛線內(nèi)熱量衡算式

通過(guò)熱量衡算，可以檢驗(yàn)在生產(chǎn)操作中熱量的利用及損失情況;而在生產(chǎn)工藝與設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)熱量衡算可以確定是否需要從外界引入熱量或向外界輸出熱量。

圖0-3

3．平衡關(guān)系物系在自然界發(fā)生變化時(shí)，其變化必趨于一定方向，如果任其發(fā)展，結(jié)果必達(dá)到平衡關(guān)系為止。

平衡狀態(tài)表示的就是各種自然發(fā)生的過(guò)程可能達(dá)到的極限程度，除非影響物系的情況有變化，否則其變化的極限是不會(huì)改變的。一般平衡關(guān)系則為各種定律所表明，如熱力學(xué)第二定律、拉烏爾定律等。在化工生產(chǎn)過(guò)程中，可以從物系平衡關(guān)系來(lái)推知其能否進(jìn)行以及進(jìn)行到何種程度。平衡關(guān)系也為設(shè)備尺寸的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

4．過(guò)程速率任何一個(gè)不處于平衡狀態(tài)的物系，必然發(fā)生使物系趨向平衡的過(guò)程，但過(guò)程是以什么速率趨向平衡，這不決定于平衡關(guān)系，而是受多方面的因素影響的，由于對(duì)這些因素有些還不清楚，目前過(guò)程速率近似地采用推動(dòng)力除以阻力表示。

這里的過(guò)程推動(dòng)力，可依據(jù)具體過(guò)程而有不同的理解，但必要的條件是物系在平衡狀態(tài)時(shí)推動(dòng)力必須等于零。至于過(guò)程的阻力則較為復(fù)雜，要具體情況具體分析。

上述四個(gè)基本概念，在討論單元操作時(shí)，常被引用來(lái)反映過(guò)程中物料的變化規(guī)律，此外，在具體解決化學(xué)工業(yè)建設(shè)和生產(chǎn)問(wèn)題時(shí)，它們也是制訂技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較方案的重要依據(jù)。