本书**介绍化工单元操作的基本原理、计算方法及典型设备,包含绪论、流体流动与流体输送、机械分离、传热、吸收、蒸馏、固体干燥、蒸发与结晶技术、现代分离技术。每章均编入适量的例题、习题及思考题,章末编有符号说明,以方便学习。书末编有附录,供学习者查询。
本书以“三传”(动量传递、热量传递、质量传递)为主线,以物料衡算、能量衡算为基础,重视基本概念和基础理论的阐述,注重理论联系实际,力求由浅入深,**突出,主次分明。
本书可作为高等学校近化工类专业少学时化工原理课程的教材,也可供相关部门及单位从事科研、设计及生产的技术人员参考。

第1章 绪 论

1.1 化工生产过程与单元操作

化学工业是将自然界中的各种原料加工成有用产品的工业。从原料到产品往往需要几个或几十个加工过程,其中除了化学反应过程外,还有大量的物理加工过程,统称为化工过程。

化学生产的原料不同,产品不同,经历的加工过程就会不同,从而形成各种各样的化工生产过程。任一化工产品的生产过程都是由化学反应和若干物理操作串联而成的,所以不必将每一生产过程都作为一种特殊的或独有的技术去研究,只需研究组成生产过程的每一个单独操作即可。这些物理操作统称为化工单元操作,简称单元操作。

单元操作可作用于不同的化工生产过程。根据单元操作所遵循的基本规律,可将其划分为三大类:

(1)遵循流体动力基本规律的单元操作,包括流体输送、过滤、沉降、固体流态化等。

(2)遵循热量传递基本规律的单元操作,包括加热、冷却、蒸发等。

(3)遵循质量传递基本规律的单元操作,包括吸收、蒸馏、吸附、萃取、干燥、结晶、膜分离等。

随着对单元操作研究的不断深入,科研工作者发现遵循流体动力基本规律的单元操作大都涉及流体流动,并伴随着动量的传递,都可以用动量传递理论去研究;其余两大类单元操作则可分别用热量传递理论和质量传递理论去研究。各种单元操作都可以建立在动量传递、热量传递、质量传递这三种传递理论的基础之上,三种传递现象中存在相似的规律和内在的联系,“三传”理论作为一根主线贯穿了上述所有的单元操作。

各单元操作都在相应的设备中进行。例如,蒸馏操作在蒸馏塔内进行,吸收操作在吸收塔内进行,干燥操作在干燥器内进行。单元操作设备为相应的单元操作过程提供必要的条件,使过程能有效地进行。单元操作不仅用在化工生产中,而且在石油、冶金、轻工、制药、核工业及环境保护工程中也有广泛应用。

1.2 化工原理课程的任务及特点

化工原理课程是化工及其相关专业的一门基础技术课程,是自然科学的基础课向工程学科的���业课过渡的入门课程,主要研究化工单元操作的基本原理和基本规律、所用典型设备的结构、设备工艺尺寸的计算或设备选型。本课程与传统的自然科学基础课有所区别,它兼有工程学科特点,与实践活动联系更加紧密,涉及各种工程实际问题。

本课程在不断完善的过程中逐渐形成了两套研究方法,即实验研究法(经验法)和数学模型法(半经验半理论法)。实验研究法能够跳过方程的建立,直接观察变量间的关系。但如果实验中的设备规格、物料种类和状态等不断变化,相应的工作量就会大大增加,研究效率及准确度会大打折扣。数学模型法则是建立在对过程机理的探索之上,通过对实际问题的合理简化得出数学模型,该法较实验研究法更能反映实际过程的真实情况,因此在化工领域中发展较为迅速。

本课程的实践性很强,学生在学习的过程中应试着用“工程”的观点看待问题和分析问题,有意识地培养自己运用基本原理分析、解决问题的能力。通过这门课程的学习,应初步掌握以下技能:针对具体的生产环境、条件,经济、合理地选择单元操作及其相应设备;可进行典型工艺的理论计算和设备设计;正确操作和调节生产过程;能够分析生产中的故障成因。

1.3 基本知识点回顾

研究单元操作离不开物料衡算、能量衡算等基本知识点,下面对这些知识点进行一个扼要的回顾。

1.3.1 物理量的单位

1. 单位制与单位换算

任何物理量都要用数值和单位共同表示。由于历史、地区及学科的不同要求,对基本量及单位的选择有所不同,因而产生了多种不同的单位制度。目前,国际上逐渐统一采用国际单位制(SI),它由基本单位和包括辅助单位在内的导出单位构成。我国采用中华人民共和国法定计量单位(简称法定单位),它以国际单位制为基础,根据我国情况,适当增加了一些其他单位构成。内容详见本书附录1。

在查阅文献及参考书时,可能遇到多种单位制度并存的情况,使用时要换算成目前采用的单位制度。

同一物理量,单位不同,数值也不同。例如,重力加速度g,在法定单位制中的单位为m/s2,数值约为9.81;在物理单位制中的单位为cm/s2,数值约为981。二者包括单位在内的比值称为换算因子,即重力加速度g 在物理单位制和法定单位制间的换算因子为任何单位换算因子都是两个相等量之比,所以包括单位在内的任何换算因子本质上都是1,任何物理量乘以或除以单位换算因子,都不会改变原量的大小。很多化学化工手册上均列出了常用单位的换算因子,可以直接使用;复杂单位的换算因子无表可查时,可将其分解成较简单的单位逐个换算。

【例1-1】从相关化学手册中查得0℃下水的黏度为1.7921cP[1cP=0.01P=0.01g/(cm?s)],试将其单位换算成帕?秒。

解 先查出原单位与新单位间的换算关系

2. 单位一致性

化工计算中的公式可分为物理方程和经验公式。物理方程是根据物理规律建立的,公式中的符号(比例系数k 除外)各代表一个物理量,将某一单位制的数据代入物理方程中,解得的结果也属于同一单位制,所以,物理方程又称为单位(或因次)一致性方程,使用时必须保持各项单位的一致性。经验公式是根据实验数据整理总结出来的,式中每一个符号只代表物理量数字部分,它们的单位必须采用指定单位,因此经验公式也称为数字公式。若计算过程中物理量的单位与公式中规定的单位不相符,则应先将已知的数据换算成经验公式中指定的单位后才能进行运算。

1.3.2 重要衡算关系式

物料衡算和能量衡算在化工单元操作设备的设计、选型及操作优化中都有重要作用。通过衡算,可以了解设备的生产能力、产品质量、能量消耗以及设备的性能和效率。

进行物料和能量衡算时,首先需选定衡算范围,既可以是一个生产过程或一个单元设备,也可以是设备的某一局部。同时,也需选定衡算基准。对连续操作常以单位时间为基准,对间歇操作,常以一个操作循环为基准。

1. 物料衡算

物料衡算是以生产过程或生产单元设备为研究区域,对其进、出口处物料进行定量计算。

通过物料衡算可计算原料与产品间的定量转变关系,以及各原料的消耗量,各种中间产品、副产品的产量、消耗量及组成。物料衡算遵循质量守恒定律,即输入的物料质量等于输出的物料质量与累积的物料质量之和输入量=输出量+累积量若衡算对象为稳态过程,即过程中无物料积存,可将衡算关系简化为输入量=输出量物料衡算可按下列步骤进行:

(1)根据研究过程的实际情况绘制出简明流程示意图,并标明设备、各股物料的数量和单位以及具体流向。

(2)明确衡算范围。可以是单个设备或若干个设备串联而成的生产过程,也可以是设备的某一部分,视实际情况而定。

(3)规定衡算基准。一般地,连续操作中常以单位时间为基准;间歇操作中则以一批参与过程的物料为基准。

(4)列出衡算式,求解未知量。

2. 能量衡算

化工生产中的主要能量形式为热能和机械能。若操作中涉及几种不同形式的能量,则需进行总能量衡算;若只涉及热能,则衡算关系可简化为热量衡算。因为化工过程中热交换广泛存在,所以本课程主要探讨能量衡算中的热量衡算。能量衡算遵循能量守恒定律,以热量的形式体现

输入量=输出量+耗散量

热量衡算与物料衡算的方法大致相同,但热量衡算需指明基准温度,因为焓的大小与从哪一个温度算起有关。物料的焓通常从0℃算起,所以习惯上选择0℃为基准温度,无特殊说明均按此计算。

习 题

1-1 已知摩尔气体常量R=82.06atm?cm3/(mol?K),试通过单位换算,将其用SI制单位J/(mol?K)表示。

1-2 在化工手册中查得黄铜在20℃时的导热系数为110W/(m?K),若用工程单位kcal/(m?s?℃)表示,换算后的数值应为多少?

1-3 化工生产中经常会对含水溶液进行前期的浓缩处理,10%(质量分数,下同)的某水溶液经**阶段的蒸发操作可浓缩至25%,接着将浓缩后的溶液进行第二阶段的蒸发,*后可得45%的浓缩液。若该工段的处理能力为4200kg/h,试求各阶段蒸发的水量。

1-4 质量流量为10000kg/h的某油品需要进行冷却处理,使其温度从140℃下降至80℃。如果采用冷却水冷却,其进、出口温度分别为20℃、40℃,则每小时冷却水的用量为多少? 已知定性温度下的油品定压比热容为2.2kJ/(kg?℃),冷却水的定压比热容为4.18kJ/(kg?℃)。

第2章 流体流动与流体输送

化工生产中所涉及的物料(原料、半成品以及产品等)大多为流体或具有流体的性质。所谓流体是指气体和液体的总称,其特征是具有流动性。化工生产中的流体输送、热量传递、质量传递以及化学反应等大多是在流体流动的情况下完成的。例如,通过各种设备之间的连接管路实现流体输送;强化被加热(冷却)流体的对流来提高传热速率,以缩短加热时间或提高传热设备的使用效率;加强流体的湍动程度来强化对流传质过程等。因此流体流动是化工生产的基础。

流体流动的本质是在分子微观运动基础上的宏观运动,在化工生产中研究流体流动时通常将流体视为无数流体质点(微团)组成的连续介质,质点间没有间隙,能够用连续函数进行描述。实际流体都是可压缩的,由于液体的体积受压力、温度的变化影响很小,因此通常把液体视为不可压缩流体,而气体的体积受压力和温度变化影响较大,因此将气体视为可压缩流体。

本章将**介绍流体流动过程的基本原理以及流体在管内流动的规律;为完成一定的流体输送任务所进行的管路计算,包括流体输送管路管径的选择、估算流体流动所需的能量以确定流体输送机械的类型和功率;流速、流量、压力(真空度)等流体流动相关物理量的测定。

2.1 流体静力学

流体静力学是研究流体在外力作用下保持静止或者相对静止的规律。

2.1.1 流体基本性质

1. 密度

单位体积流体所具有的质量即为该流体的密度,密度的表达式为式中,ρ 为密度,kg/m3;m 为质量,kg;V 为体积,m3。

密度是物质的物理性质之一,流体的密度是温度和压力的函数,通常用ρ=f(p,T)表示。

由于液体分子之间的距离远小于气体,因此除在极高的压力条件下外,压力对液体密度的影响可忽略不计,但密度受温度的变化影响较大,因此在表示流体密度时一定要指明其所处的温度条件。

当化工生产中液体混合物由若干组分构成时,通常将此混合液作为理想溶液进行处理。

混合液的总体积为各组分体积之和,混合液的密度可用平均密度ρm 表示。

式中,ρm 为混合液的平均密度,kg/m3;w1,w2,…,wn 为混合液各组分的质量分数,kg/kg;ρ1,ρ2,…,ρn 为混合液各组分的密度,kg/m3。

气体的密度受压力和温度的影响较大,但在压力不太高、温度不太低的情况下,实际气体可视为理想气体,因此可按照理想气体状态方程计算气体密度。

式中,p 为气体的**压力,kPa;n 为气体的物质的量,kmol;R 为摩尔气体常量,8.314kJ/(kmol?K);T 为气体的热力学温度,K;M 为气体的摩尔质量,kg/kmol。

当气体混合物接近理想气体时,仍然可用式(2-3)进行计算,只是气体的摩尔质量需要以相应混合气体的平均摩尔质量Mm代替。

Mm=M1y1+M2y2+…+Mnyn (2-4)式中,M1,M2,…,Mn 为混合气体中各组分的摩尔质量,kg/kmol;y1,y2,…,yn 为混合气体中各相应组分的摩尔分数,kmol/kmol。

气体混合物的平均密度可用式(2-5)进行计算。

2. 压力

流体在单位面积上所受到的垂直作用力称为流体的压强,在工程上仍然习惯称为压力。

p=PA (2-6)式中,p 为流体的压力,N/m2或Pa;P 为垂直作用于流体面积A 上的总压力,N;A 为作用于流体的表面积,m2。

压力的单位包括:Pa(帕斯卡)、atm(大气压)、at(工程大气压)、mH2O(水柱高度)、mmHg(汞柱高度)、kgf/cm2(千克力)、bar(巴)等。

1atm(标准大气压)=101325Pa=760.0mmHg=10.33mH2O=1.033kgf/cm2=1.0133bar1at(工程大气压)=98070Pa=735.6mmHg=10.0mH2O=1.0kgf/cm2=0.9807bar流体的压力是相对值,当以**真空作为基准时称为**压力。以流体所在的当地大气压为基准时,若压力大于大气压,两者之差称为表压。通常压力设备上压力表的读数为容器内的表压。

前言
第1章 绪论
1.1 化工生产过程与单元操作
1.2 化工原理课程的任务及特点
1.3 基本知识点回顾
1.3.1 物理量的单位
1.3.2 重要衡算关系式
习题
第2章 流体流动与流体输送
2.1 流体静力学
2.1.1 流体基本性质
2.1.2 流体静力学基本方程式
2.1.3 流体静力学基本方程式的应用
2.2 管内流体流动基本方程式
2.2.1 流量与流速
2.2.2 定态流动与非定态流动
2.2.3 连续性方程式
2.2.4 伯努利方程式
2.2.5 伯努利方程式的应用
2.3 管内流体流动阻力
2.3.1 牛顿黏性定律与流体黏度
2.3.2 流动类型与雷诺数
2.3.3 流体在直管中的流动阻力
2.3.4 管路上的局部阻力
2.3.5 管路系统中的总能量损失
2.4 流量测量
2.4.1 测速管
2.4.2 孔板流量计
2.4.3 转子流量计
2.5 液体输送设备
2.5.1 离心泵
2.5.2 往复泵
2.5.3 其他类型泵
2.6 气体输送设备
2.6.1 离心式通风机
2.6.2 真空泵
本章符号说明
习题
思考题
第3章 机械分离
3.1 颗粒及床层特性
3.1.1 颗粒特性
3.1.2 床层特性
3.2 沉降及设备
3.2.1 重力沉降及设备
3.2.2 离心沉降及设备
3.3 过滤及设备
3.3.1 过滤操作的基本概念
3.3.2 过滤速率基本方程式
3.3.3 恒压过滤
3.3.4 过滤设备
本章符号说明
习题
思考题
第4章 传热
4.1 概述
4.1.1 传热的基本方式
4.1.2 换热器
4.2 热传导
4.2.1 傅里叶定律
4.2.2 导热系数
4.2.3 平壁的热传导
4.2.4 圆筒壁的热传导
4.3 对流传热
4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数
4.3.2 对流传热机理
4.3.3 对流传热系数的影响因素及其经验关联式
4.4 传热过程计算
4.4.1 热量衡量
4.4.2 总传热速率方程式
4.4.3 总传热系数
4.4.4 平均温度差法
4.4.5 壁温计算
4.4.6 传热计算示例
4.4.7 传热过程的强化
4.5 列管式换热器的设计与选用
本章主要符号
习题
思考题
第5章 吸收
5.1 概述
5.1.1 基本概念
5.1.2 吸收的主要用途
5.1.3 吸收的分类与流程
5.1.4 吸收剂的选择
5.2 气液相平衡
5.2.1 气体在液体中的溶解度
5.2.2 亨利定律与相平衡表示方式
5.2.3 相平衡的影响因素
5.2.4 相平衡与吸收过程的关系
5.3 传质机理与吸收速率方程
5.3.1 分子扩散和菲克定律
5.3.2 涡流扩散与对流传质
5.3.3 吸收过程机理及吸收速率方程
5.3.4 传质系数
5.4 吸收塔的计算
5.4.1 物料衡算
5.4.2 吸收剂的用量
5.4.3 强化吸收途径
5.4.4 塔径的计算
5.4.5 填料层高度的计算
5.4.6 理论塔板数的计算
5.4.7 解吸塔的计算
5.5 填料塔
5.5.1 填料塔的结构
5.5.2 常用填料的种类和特性
5.5.3 气液两相逆流通过填料层的流动状况
5.5.4 填料塔直径的计算
本章主要符号
习题
思考题
第6章 蒸馏
6.1 二组分溶液的气液平衡
6.1.1 气液平衡关系式
6.1.2 二组分理想溶液的气液平衡相图
6.1.3 非理想溶液的气液平衡
6.2 蒸馏与精馏
6.2.1 平衡蒸馏与简单蒸馏
6.2.2 精馏
6.3 二组分连续精馏的计算
6.3.1 理论板及恒摩尔流假定
6.3.2 全塔物料衡算
6.3.3 精馏段物料衡算及其操作线方程
6.3.4 提馏段物料衡算及其操作线方程
6.3.5 进料热状态的影响
6.3.6 理论塔板数的计算
6.3.7 回流比的选择
6.3.8 理论板数的简捷算法
6.3.9 板效率与实际板数
6.3.10 塔高与塔径
6.3.11 精馏装置的热量衡算
6.4 恒沸精馏和萃取精馏
6.4.1 恒沸精馏
6.4.2 萃取精馏
6.5 板式塔
6.5.1 塔板结构
6.5.2 塔板上气液两相流动现象与操作负荷性能图
6.5.3 板式塔计算
本章主要符号
习题
思考题
第7章 固体干燥
7.1 固体去湿方法和干燥
7.1.1 固体物料的去湿方法
7.1.2 对流干燥的特点
7.2 湿空气的性质及湿度图
7.2.1 湿空气的性质
7.2.2 湿空气的焓-湿图
7.2.3 焓-湿图的应用
7.3 干燥过程的物料衡算及热量衡算
7.3.1 干燥过程的物料衡算
7.3.2 干燥过程的热量衡算
7.4 物料的平衡含水量与干燥速率
7.4.1 干燥实验曲线
7.4.2 物料的平衡含水量曲线
7.4.3 恒定干燥条件下的干燥速率与干燥时间
7.5 干燥设备
7.5.1 干燥器的主要型式
7.5.2 干燥器的选用
本章符号说明
习题
思考题
第8章 蒸发与结晶技术
8.1 单效蒸发
8.1.1 溶液的沸点和温度差损失
8.1.2 单效蒸发的计算
8.2 多效蒸发
8.2.1 多效蒸发的操作流程
8.2.2 多效蒸发的计算
8.3 蒸发设备
8.3.1 蒸发器的结构
8.3.2 蒸发器的选型
8.4 结晶分离技术
8.4.1 结晶过程的相平衡
8.4.2 结晶过程的动力学
8.4.3 溶液结晶过程与设备
8.4.4 其他结晶方法
本章符号说明
习题
思考题
第9章 现代分离技术
9.1 液液萃取
9.1.1 概述
9.1.2 液液相平衡
9.1.3 萃取操作流程和计算
9.2 超临界流体萃取技术
9.2.1 超临界流体萃取技术的发展与特点
9.2.2 超临界流体萃取与液液萃取的比较
9.3 膜分离技术
9.3.1 膜分离技术的基本原理
9.3.2 分离用膜
9.3.3 膜分离设备
9.4 层析技术
9.4.1 概述
9.4.2 层析的基本理论
9.4.3 层析技术过程
9.5 分子蒸馏
9.5.1 分子蒸馏的基本理论
9.5.2 分子蒸馏过程
9.5.3 分子蒸馏特点
9.5.4 分子蒸馏流程及设备
9.5.5 分子蒸馏技术在生物分离工艺中的应用
本章符号说明
思考题
参考文献
附录

《化工原理》以化工传递过程的基本理论为主线,突出工程学科特点,系统而简明地阐述了典型化工单元操作的基本原理、过程计算方法及典型设备。本书除绪论和附录外,包括流体流动与流体输送、机械分离、传热、吸收、蒸馏、固体干燥、蒸发与结晶技术、现代分离技术等章节。全书由曾英统稿。