绪　论

通过绪论的学习，应了解化工单元操作课程的主要内容、单元操作的分类和特点、工程学科的研究方法，掌握单位制及单位换算方法。

一、化工生产过程与单元操作

化学工业是将自然界中的各种物质资源通过物理和化学的方法加工成达到一定要求的产品的工业。化学工程是一门工程技术学科，它研究化工产品生产过程的基本规律，并运用这些规律解决化工生产中的问题。

化学工业包括石油炼制和裂解、煤焦化及煤焦油工业、基本有机合成工业、橡胶工业、塑料工业、氯碱工业、制酸工业、化肥工业、制药、日用化学工业等工业。

化工产品根据技术密集高低、附加值利润大小、品种类型、产量多少、更新速度快慢以及应用范围不同又可分为两大类。一类是通用化学品，另一类是精细化学品。化工产品种类繁多，化工原料相对有限，化工原料可分为无机原料和有机原料两大类。无机原料主要有空气、水和化学矿物；有机原料主要是煤、石油、天然气和生物质等。

原料选择原则：

①考虑原料品位能否满足生产要求，来源是否充足稳定可靠。

②分析原料的经济性。要对原料路线和工艺路线的技术经济指标权衡。

③从综合利用原料、副产品以及“三废”的综合利用等方面考虑。

化学工业的特点：

①化学工业是独特的、不可取代的工业部门，生产总值在国民生产中所占的比重大于10%。

②品种繁多，生产工艺复杂，生产装置与规模大，为生产与投资资金密集、技术密集的工业部门。

③生产过程中能耗大、产生的“三废”多，属于易污染、重污染高发的工业产业。

化工生产以工业规模对原料进行加工处理，使其不仅在物理形态上发生变化，而且在化学性质上也发生变化，从而成为合格的产品。化工生产过程示意图见图0-1。

尽管化工过程复杂多变，但根据化工过程对物质的加工处理特征，可将其分为两大类：一类是以进行化学反应为主，完成该类操作的主要设备是各种特定的反应器。涉及的化学反应类型不同，反应机理与机制也有各自的特点，影响化学反应过程的主要参数也各不相同，反应器的种类与结构也不相同。另一类是各种物理加工过程，如生产过程中物料的输送、混合物的分离、流体的加热或冷却、溶液的组合与浓缩等。这类操作具有的共同特点是：只改变物料存在的状态或其物理性质，一般不改变其化学性质，都是物理过程。按照作用原理的不同，可将其归纳为若干个基本操作过程，这些基本操作过程称为单元操作（unit operation）。每个单元操作都有与其相对应的设备。单元操作在不同的化工生产过程中遵循的原理相同，但在操作条件、设备类型或结构上会有很大的差别。任何一个化工生产过程，都是由若干个单元操作及化学反应过程有机组合而成的。其中，化学反应及反应器是化工生产的核心。反应过程将在化学反应工程课程中研究，而在化工生产中占极其重要地位的、为化学反应过程创造适宜条件、将反应产物分离纯化的各类单元操作的原理及设备在化工单元操作课程中研究。

化工单元操作课程是一门实践性很强的课程。单元操作的内容包括“过程”和“设备”两个方面。

化工单元操作是化工类各专业（包括化工、轻工、生物、制药、环境、材料等）的专业基础课，是综合运用数学、物理、化学等基础知识，分析和解决化工生产中各种物理过程问题的工程学科。

实际上，若干单元操作之间存在着类似的规律和内在的联系。从本质上讲，所有的单元操作都可以分为动量传递、热量传递、质量传递这三种传递过程及它们的协同过程。传递过程是单元操作的理论基础，是联系各单元操作的一条主线。流体流动的基本原理，不仅是流体输送、沉淀、过滤等过程的理论基础，也是热量传递和质量传递过程中各单元操作的理论基础，因为在这些单元操作中，进行热量交换或物质扩散的流体都处于流动状态，其传热或传质的效果与流体流动状态密切相关。热量传递的基本原理，不仅是热量交换和蒸发过程的理论基础，也是传质过程中某些单元操作的理论基础。例如蒸馏和干燥操作中，同时伴随有质量传递和热量传递，其过程效果同时受质量传递和热量传递效果的影响。按照单元操作所遵循的基本规律，可将其分为以下三类（详细的原理与分类见表0-1）：

①动量传递过程。动量传递过程包括流体输送、沉降、过滤、搅拌等。

②热量传递过程。热量传递过程包括传热、蒸发等。

③质量传递过程。质量传递过程包括蒸馏、吸收、萃取、干燥、吸附、离子交换等。

每一个产品的生产过程都包含了反应过程和单元操作过程（均是若干个单元操作与若干个单元反应的串联组合），所以化工生产过程可以简化为：“三传一反”（见图0-2）。

二、单位制与单位换算

任何物理量的大小都是由数字和单位共同表达的，二者缺一不可，否则将不具有任何物理意义。同一物理量在不同的单位制中，其数值会相应地改变。在科学技术的发展过程中，由于历史、地区及学科等原因形成了不同的单位制。常见的单位制有绝对单位制（包括CGS制和MKS制）、工程单位制、国际单位制（SI制）和法定单位制。其中，国际单位制是1960年10月在第十一届国际计量大会上通过的一种新的单位制度，由于其具有通用性和一贯性的优点，在国际上被迅速推广使用。目前，我国采用中华人民共和国法定计量单位制，它以SI制为基础，同时规定了一些我国选定的单位。所有单位制的共性是将物理量分为基本物理量和导出物理量，每种单位制根据使用方便的原则，规定了其基本物理量，其单位称为基本单位。其他物理量为导出物理量，其单位根据其物理意义，由有关基本单位组合而成。常见单位制所规定的基本物理量及单位如表0-2所示。

由于各单位制推广和使用在各地区、各学科领域不平衡，而且文献资料中所涉及的物理量又是多种单位制并存，这就需要了解和掌握不同单位制及其之间的换算方法。在本学科领域涉及的单位换算包括物理量的单位换算和公式的单位换算两类。

1.物理量的单位换算

任何物理量的值都是由数字和单位组成的，即物理量的值=数字×单位。就物理量而言，将其从一种单位换算成另一种单位时，其值本身不会变化，只是数值要发生改变。同一物理量的值在进行不同单位制下的单位换算时，需乘以两单位之间的换算因数。换算因数等于两单位制下同一物理量之比。

例如0.1m和100cm是两个彼此相等的值，它们分别属于国际单位制和绝对单位制中长度的单位，即：

1m=100cm

对应两种单位的换算因数为：

100cm/1m=100cm/m

从本质上讲，包括单位的任何换算因数都是纯数1，任何物理量乘以或除以单位的换算因数，都不会改变原物理量的大小。

技术训练0-1

水在20℃时的热导率为0.515kcal/（m·h·℃），试从基本换算单位开始，将水的热导率单位换算成国际单位制下单位W/（m·℃）。

解：

1kcal=4.187×103J

1h=3600s

在国际单位制中，|W|=J/s，则水的热导率为

关于物理量的单位换算，常用的方法是从参考资料中查出原单位和要换算的新单位之间的换算因数，用换算因数与原物理量相乘或相除，消去原单位而引入新单位，即可得到换算后的物理量新单位下的数值。

1kcal/（m·h·℃）=1.163W/（m·℃）

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

2.公式的单位换算

公式是对特定过程中各有关因素的数量关系的客观描述，在化工过程的工艺设计计算中所用到的公式可分为以下两类。

一类是根据物理过程规律建立的各物理量之间关系的物理方程，如牛顿第二运动定律

F=ma

式中　F——作用在物体上的力；

m——物体的质量；

a——物体运动的加速度。

物理方程具有单位一致性（或称量纲一致性）。各物理量的单位可以任选一种单位制。同一物理方程式中绝不允许同时采用两种单位制。

另一类是根据实验数据整理、归纳得到的经验公式，式中各符号仅代表对应物理量的数字部分，其单位必须采用指定的单位，经验公式只反映各物理量的数字之间的关系，故经验公式又称数字公式。若要采用非经验公式指定的单位，需先对经验公式进行换算，然后再代入数据计算。根据经验公式的特点，对其进行单位换算时，需根据物理量和单位的关系（物理量的值=数字×单位）将经验公式中的各符号按物理量与规定单位之比的形式列出，然后利用单位之间的换算因数，把原规定的单位换算成希望的单位。

三、物料衡算与能量衡算

物料衡算与能量衡算是进行化工过程分析计算的基本手段。任何生产过程都是各个单元操作的协同作用的过程。要分析和确定过程中各股物料的数量、组成之间的关系及保证工艺过程的顺利实施中需要的能量供给和释放，必须对过程进行物料衡算和能量衡算。同时，要确定工艺过程中涉及的相关设备的工艺尺寸，必须依赖对应的平衡关系和速率关系，从而确定过程进行的极限，分析过程进行的快慢。因此，平衡关系和速率关系是研究各种单元操作原理的基本内容。

1.物料衡算

物料衡算的基本依据是质量守恒定律。向系统输入的物料质量减去从系统输出的物料质量等于物料在系统内物料的累计质量，即

∑mi-∑mo=mA

式中　∑mi——输入系统物料量的总和；

∑mo——输出系统物料量的总和；

mA——系统内累计的物料量。

上式是物料衡算的通式，既适用于间歇操作过程，也适用于连续生产过程。衡算系统可以是任何指定的设备、车间、工段等空间范围。对于没有化学变化的过程，任一物质或组成都符合该通式；对有化学变化的过程，涉及的各元素也符合该通式。

物料衡算的步骤：

①划定衡算范围；②划定衡算基准（时间基准）；③列出化学反应式（无化学反应的过程，此步骤略）；④统一单位；⑤列物料衡算式进行计算。

衡算范围根据分析计算的要求和目标参数划定。对于间歇操作过程，衡算一般取一次或一批操作为基准；对于连续操作过程，常以时间单位为基准。对应的物料衡算式也可用下式表示，即

∑Wi-∑Wo=dmA/dθ

式中　Wi，Wo——每股输入、输出系统的物料的质量流量；

d/dθ——物料在系统内的质量累计速率。

对于连续稳定的生产过程，系统内不可能有物料的累计，即dmA/dθ=0，故

∑Wi=∑Wo

2.能量衡算

能量衡算的基本依据是能量守恒定律。自然界能量以多种形式存在，如机械能、化学能、原子能、电能、热量、磁能等，各种能量之间可以相互转换。化工计算中涉及的不是能量之间的相互转换问题，是总能量衡算问题，而且大多数的能量衡算可简化为热量衡算。本课程介绍的能量衡算以热量衡算为重点。

根据能量守恒定律，进入系统的物料带入的能量等于排出系统的物料带出的能量与系统的热损失之和。即

∑（WH）i=∑（WH）o+QL

式中　∑（WH）i——随物料进入系统的总热量，kJ或kW；

∑（WH）o——随物料排除系统的总热量，kJ或kW；

QL——系统的热损失，kJ或kW。

进行能量衡算的方法与物料衡算的方法基本相同。因热量衡算涉及物料的焓，物料的焓的值与物料的状态有关，而且是相对值，所以，进行热量衡算时，除首先要先划定衡算范围、确定衡算基准外，还需设定另一个基准，即基准温度。通常选0℃为基准温度，并规定0℃时液态的焓为0。然后将所有相关参数的单位统一，列热量衡算式进行计算。

四、过程速率

平衡关系只能说明过程的方向和限度，而不能确定过程进行的快慢。过程进行的快慢只能用过程速率来描述。过程速率受诸多因素影响，目前还不能用一个简单的算术式来表示化工过程速率与其影响因素之间的关系。工业生产过程速率常以过程推动力与过程阻力的比值来表示，即

过程速率=过程推动力/过程阻力

不同过程的推动力有不同的含义，如冷、热两流体之间传热推动力应为冷、热两流体之间的温度差，流体流动的推动力为势能差，而物质传递的推动力则为浓度差。无论是什么含义，它们有一个共同点，即过程达平衡时推动力均为零。过程阻力较为复杂，应根据具体过程进行分析。

五、本课程的学习方法与建议

学习单元操作课程的目的可归纳为以下几点。

①学习如何根据各单元操作在技术上和经济上的特点，进行“过程和设备”的选择，以适应指定物系的特征，从而经济而有效地满足工艺要求。

②学习如何进行过程的计算和设备的设计。在缺乏数据的情况下，如何组织实验以取得必要的设计数据。

③学习如何进行操作和调节以适应生产的不同要求，在操作发生故障时如何寻找故障的缘由。

根据课程的目的与特点，在学习本课程过程中给学习者提供一些建议：

①理论联系实际，将理论教学、课程实验、课程设计以及过程仿真结合在一起。

②学习过程中过程原理与设备结合在一起。

③掌握科学研究方法，学习相关的软件（ChemOffice，Origin，Aspen Plus等）和专业英语等相关知识与技能。

④培养自学能力、创新能力，利用课余时间访问专业网站、精品课程、国家资源库等，通过自学、复习等，提高学习效果。