单元操作中常用的一些基本概念

绪 论

一、单元操作和课程内容

化工过程是指化学工业的生产过程，它的特点之一是操作步骤多，原料在各步骤中依次通过若干个或若干组设备，经历各种方式的处理之后才能成为产品。由于不同的化学工业所用的原料与所得的产品不同，所以各种化工过程的差别很大。

一个化工过程所包含的操作步骤可分为两大类。一类以进行化学反应为主，通常是在反应器中进行；另一类则为不进行化学反应的物理过程， 包括原料预处理过程和反应产物后处理过程。尽管从生产某种产品的意义上说，反应过程是生产过程的核心，但它在工厂的设备投资和操作费用中通常并不占据主要比例，实际上起决定作用的往往是众多的物理过程，它们决定了整个生产的经济效益，这一类重要的物理过程就是单元操作,见表0-1 如流体输送、搅拌、沉降、过滤、热交换、蒸发、结晶、吸收、蒸馏、萃取、吸附以及干燥等等。单元操作不仅在化工生产中占有重要地位，而且在石油、轻工、制药及原子能等工业中也广泛应用. 因此，单元操作专门研究构成《化工原理》课程。

表0-1常用单元操作

传递基础 流体流动 (动量传递) 沉降 从气体或液体中分离悬浮的固体颗粒、液滴或气泡。 单元操作名称 流体输送 以一定流量将流体从一处送到另一处。 目 的 过滤 从气体或液体中分离悬浮的固体颗粒。 搅拌 使物料混和均匀或使过程加速。 流态化 热量传递 换热 用流体使固体颗粒悬浮并使其具有流体状态的特性。 使物料升温、降温或改变相态。 蒸发 使溶液中的溶剂受热汽化而与不挥发的溶质分离，达到溶液浓缩。 质量传递 吸收 用液体吸收剂分离气体混合物。 蒸馏 利用均相液体混合物中各组分挥发度不同使液体混合物分离。 萃取 用液体萃取剂分离均相液体混合物。 浸取 用液体浸渍固体物料，将其中的可溶组分分离出来。 吸附 用固体吸附剂分离气体或液体混合物。 离子 用离子交换剂从溶液中提取或除去某些离子。 交换 用固体膜或液体膜分离气体、液体混合物。 膜分离 热、质传递 增(减)湿 使溶液中的溶质变成晶体析出。 结晶 调节气体中的水汽含量。 干燥 加热固体使其所含液体汽化而除去。 因此，流体流动、传热及传质的基本原理是各单元操作的理论基础。

《化工原理》是化学、制药、应用化学专业学生必修的一门基础技术课程，其主要任务是介绍流体流动、传热、传质的基本原理及主要单元操作的典型设备构造、操作原理、计算、选型及实验研究方法；培养学生运用基础理论分析和解决化工单元操作中各种工程实际问题的能力。

二.单元操作中常用的一些基本概念

在研究化工单元操作时，经常用到下列四个基本规律，即物料衡算，能量衡算，物系的平衡关系，传递速率等。这四个基本概念贯串于本课程的始终，在这里仅作简要说明，详细内容见各章。

1.物料衡算

依据质量守恒定律，进入与离开某一化工过程的物料质量之差，等于该过程中累积的物料质量，即

∑mf - ∑mp = A （0-1）

式中：∑mf——输入量的总和

∑mp——输出量的总和； A——∑累积量

对于连续操作的过程，若各物理量不随时间改变，即为稳定操作状态时，过程中不应有物料的积累。则物料衡算关系为：

∑mf＝∑mp （0-2）

用物料衡算式可由过程的已知量求出未知量。物料衡算可按下列步骤进行：（1）首先根据题意画出各物流的流程示意图，物料的流向用箭头表示，并标上已知数据与待求量。（2）在写衡算式之前，要计算基准，一般选用单位进料量或排料量、时间及设备的单位体积等作为计算的基准。在较复杂的流程示意图上应圈出衡算的范围，列出衡算式，求解未知量。

例0-1 用连续操作的蒸发器把含盐浓度为（质量分率）的含盐水溶液蒸发到浓度为（质量分率）的浓盐水溶液，每小时含盐水溶液的进料量为Fkg。试求每小时所得浓盐水溶液量W及水分蒸发量V各为多少。

解：计算基准取1小时，由于是连续稳定操作， 总物料衡算式为F＝V＋W

由此两式解得 W=（xF/xw）F，V=（1-xF/xw）F 2.能量衡算

本教材中所用到的能量主要有机械能和热能。能量衡算的依据是能量守恒定律。机械能衡算将在第一章流体流动中说明；热量衡算也将在传热、蒸馏、干燥等章中结合具体单元操作有详细说明。热量衡算的步骤与物料衡算的基本相同。

3.物系的平衡关系

过程的平衡问题说明过程进行的方向和所能达到的极限。当过程不是处于平衡态时，则此过程必将以一定的速率进行。例如传热过程，当两物体温度不同时，即温度不平衡，就会有净热量从高温物体向低温物体传递，直到两物体的温度相等为止，此时过程达到平衡，两物体间也就没有净的热量传递。

4.传递速率

传递过程的速率和传递过程所处的状态与平衡状态的距离及其它很多因素有关。传递过程所处的状态与平衡状态之间的距离通常称为过程的推动力。例如两物体间的传热过程，其过程的推动力就是两物体的温度差。 通常存在以下关系式：

过程速率 = 过程推动力 / 过程阻力

即传递过程的速率与推动力成正比，与阻力成反比。显然过程的阻力是各种因素对过程速率影响的总的体现。 三、物理量的单位

由于科学技术的迅速发展和国际学术交流的日益频繁，1960年10月第11届国际计量会议制定了一种国际上统一的国际单位制，其国际代号为SI。国