北京大学：基础课《化工原理》教材书籍PDF电子版（共四章，含附录，Principles of Engineering，编著：温瑞媛、严世强、江洪、翟茂林）

本书包括流体流动、热量传递、传质分离和化学反应工程四章，每章后均附有精心选编的习题。基于本书的读者主要为理科学生，在阐述化工过程原理时，特别注意揭示化工过程的内在规律，如动量传递、热量传递和质量传递机理的相似性及类似律等。

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前言本书是根据新的理科大学化工基础教学大纲和近年教材建设会议精神，结合多年教学实践经验编写的理科大学应用化学和化学专业的化学工程基础教材。在编写中既注意了理科学生探究机理的钻研习惯，又注意突出了有别于基础理论学科的工程学特点。较以往教材增加了深度，扩充了内容。例如增加了流体粘性本质和规律的阐述，三种传递过程机理的相似性及类似律的推导，以及内外扩散对催化反应的影响等进一步揭示化工过程的内在规律。又如，重点阐述了工程学特有的方法，像对影响因素极复杂的工程实践往往无法列出数学表达式或式子太复杂无法求解而产生的量纲分析法（黑箱法），以及类似律法、流动模型法和传质单元法等，引导理科学生注意学习另一类解决问题的方法，启迪思维，开阔视野。另外，还增加了新型分离方法一膜分离过程，以及生化反应工程基础。同时，也注意将工程学的实践性和经济观点贯穿始终。书末还列了书中涉及到的化工专业术语的英汉、汉英对照表，便于学生查阅国外资料，及时学习、了解学科新动态。鉴于学习化工过程开发知识对理科学生是重要的，但因受学时数的限制难以单独开课，我们就将其编写在绪论中，以简介给学生起到引路作用。通过对课程内容的学习，学生不仅能对化工过程有了理性认识，而且拓展了解决问题的思路，进而了解科研成果产业化过程中可能遇到的问题和解决途径，有了和工程师合作开发的共同语言。鉴于不同专业对课程内容的要求有所不同，授课老师可按专业要求和学时数有所侧重和详略本书由北京大学的温瑞媛、江洪、翟茂林和兰州大学的严世强编写，由温瑞媛主编。其中流体流动和热量传递部分由温瑞媛编写，传质分离的精馏部分和中英文对照专业术语由翟茂林编写，传质分离的其余部分和绪论由江洪编写，化学反应工程部分由严世强编写。在本书即将面世之际，编者感谢北大原技物系历届领导，由于他们对化工课程建设的重视和支持，我们成功地开设了化工基础、工程制图课，建成并逐渐完善了实验教学基地化工实验室，现在又编写出版了新教材，使得化工课程的建设完成了阶段任务。感谢本书责任编辑赵学范编审为本书的出版付出的辛劳。也感谢高宏成教授的热忧鼓励和叶宪曾教授的严谨审核。由于作者水平有限，书中若有错误与不当之处，恳请读者批评指正。 2001年10月 3

绪论 0.1化工技术学科的发展化工技术学科是伴随着化学工业形成和发展起来的。起初，人们对化工生产的研究仅仅是针对某种具体产品，探讨生产的最优工艺过程，这些研究逐渐形成了化学工艺学。随着化工生产的不断发展，化工产品及其工艺过程日益增多，1893年在芝加哥化学家会议上人们开始注意到.“化工、食品工业，尽管其物料不同，但都具有共同的基础”。进一步的研究发现：千变万化的化工过程，除化学反应外，都包含着许多物理操作过程，这些操作过程依其操作目的和物理原理可以归结为若干种基本过程。具有共同操作目的和物理原理的一类操作过程称为单元操作。二战之后，流化床催化裂化，丁苯橡胶合成以及原子能工程三项重大技术的崛起，生产规模的日益扩大以及非均相催化反应的广泛应用，化学动力学已不能完全解决生产中化学反应时程的实际问颗人们开始从工程的角度去研究化学反应过程的化学变化和物理影响.至 1957年正式形成了化学反应工程学。可以说，单元操作概念的提出，开辟了对化工过程的共同规律和工程问题的研究，形成了化学工程学。化工单元操作及其设备的原理（化工原理）和化学反应工程学构成了化学工程学的两大支柱。随着对单元操作物理本质的深入研究，人们把众多的单元操作归结为动量传递、热其传递和质量传递三大传递过程，并发现其内在联系，从而形成了化工传递工程学。由于化工生产日趋大型化，综合化和自动化以及系统论、计算技术的发展，化学工程学的研究已从单个单元操作扩展到整个工厂甚至整个行业的大系统，形成了化工系统工程学。近年来，化学工程学已经步入新近发展起来的生物反应工程、环境工程和系统仿真等崭新的领域。 0.2化工基础课的内容和学习目的化工基础课介绍的是化工技术学科的基础知识。主要内容是化学工程学的基础知识，对于综合性大学理科化学专业和应用化学专业没有开设其他化工类选修课的，还可以包括化学工艺学、化工过程开发、化工计算等化工技术学科的初步知识。本书以化工过程开发方法为向导，介绍流体动力过程、传热过程、分离过程和化学反应工程学。学习本课程是为了提高学生“科研、科技开发、科技管理及分析和解决一般生产问题的初步能力”。从理科化学专业的培养规格来看，不是把学生培养成工程技术人员，而是科研、开发、教学人员，学习化工基础课是为了使他们能与工程技术人员搞好“接力”或是互相“渗透” 使他们的科研成果尽快转化为现实生产力。从这个层面上讲，学习化工基础课的目的是： (1)在科研工作中提高产业化意识。例如在科研的选题、研究方案中树立市场需求、经济可行性和环境保护等技术经济观点。 (2)与工程技术人员建立共同语言。包括科研成果的表述方式和化学工程技术中的基本观点和方法，如合理简化的观点、最优化观点、衡算的方法、数学模型的方法等。 (3)指导开发和科研工作。了解科研成果产业化过程中可能遇到的问题和解决方法。利用这些知识分析确定科研成果应用于生产时，设计的方案能否实现，如何有效利用能源以及设

2 绪论备的可行性等另外，化学工程学的一些研究方法是理科课程中没有系统介绍的，学习本课程有助于理科学生理论联系实际，避免他们的思维模式单一化，有利于全面掌握科学方法论。 0.3化工过程开发化工过程开发的方法提供了一种系统方法，指导我们运用化学工程学的理论和方法以及其他相关知识，进行化工新技术开发：提出了需要化学工程学解决的问题和主要任务：揭示了技术经济和工程技术的基本观点。 (一)化工过程开发的含义和步骤化工生产由于原料并非纯品，工艺过程受混合、传热等因素影响，以及出于其他技术和经济的考虑，与化学实验有很大差别，因此要实现工业化生产，还要做大量的研究工作。由化学科研成果到实现工业化生产的全部研究过程称为化工过程开发。在图01所示的科研成果产业化过程中，这些研究工作主要集中于“开发研究“阶段。化工过程开发工作大致可分为开发基础研究、过程研究、工程研究和技术经济评价等四个方面，其步骤如图0-1所示。开发研究开发基础研究过程研究模型试验一一中间试验工程研究概念设计基髓设计技术经济评价工程设计评价与建设中断开发中断开发图0-1科研成果产业化过程流程框图 1.开发基础研究开发基础研究是针对化工过程开发而进行的实验室规模的初步研究。通过研究为进一步开发提供依据。其内容包括： (1)初步筛选原料路线 (2)了解过程特征（包括反应的必要条件、催化剂性能、副反应及其进行程度以及开发所需的热力学动力学数据和物性数据)： (3)口纳出适宜的工艺条件： (4)拟定原料、中间产物、产品的分析方法开发基础研究也包括收集技术经济资料，能从文献、手册获得的经验和可靠数据资料应充分利用，从而减少试验工作量

0,3化工过壁开发 3 2.过程研究过程研究(process research)是按设想的工业化技术方案进行的模拟和放大试验研究。它包括小型工业模拟试验、模型试验、中间（工厂）试验等等。 3.工程研究工程研究包括概念设计、中间工厂的基础设计、最终生产装置的基础设计等。它们都带有研究的性质，不属于常规的工程设计 (I)概念设计(conceptual design)。是指对预定生产规模的生产装置提出的设计方案，是凭借对过程的概念认识提出的技术方案。 (2)基础设计。是指针对工业装置进行的初步的设计。它是开发研究成果的主要形式，可以作为技术转让的主要技术文件。基础设计的内容包括：工艺概述、工艺流程图、工程计算及工艺条件、带控制点的工艺流程图、物料衡址及能量衡算、设备明细表、公用工程及“三废”处理方案等等。 4.技术经济评价技术经济评价是化工过程开发中对开发项目的技术可行性和经济合理性的考察。开发研究正式立题前要进行“立题评价”；开始放大试验前要进行“方案论证”；完成基础设计后开好投资建设时要进行“项目评估”；开发研究的每一个中间阶段也要进行阶段性的评价。如果评价结果是肯定的，则可进行下一步研究；当评价中对过程提出质疑时，应就有关问题返回重新研究，或对开发方案提出改进意见：否则应中止开发研究工作。技术经济评价包括技术的（工艺过程的速率和效率等即先进性，安全和容易操作控制即可靠性)、经济的（资源及其价格、产品市场、成本、生命周期等）、社会的（产业政策、法律、就业等）和生态环境的（污染程度和危害性）等几方面的内容。化工过程开发是一个逐步放大的过程，其间，过程研究借助试验研究为开发工作提供信息，并验证放大的技术方案和设计质量，而工程研究则是依赖设计者的理论和经验提出进一步放大的决策，也是对前者的总结。当然，对于规模较小、工艺过程不太复杂、放大效应不大的精细化工产品，如染料、生物化学品、化学试剂等产品的生产，一些试验和设计步骤可以省略或简化。综上所述，化工过程开发是在技术经济评价中过程研究和工程研究交插进行，逐步放大，得到最佳设计的过程。因此，放大和优化是开发工作的核心问题，而探索化工过程共性规律和放大方法，为化工设计计算提供依据则是化学工程学的主要任务。 (二)过程研究的步骤和内容过程研究旨在为开发工作提供信息依据，同时具有验证技术方案的性质。与开发基础研究的试验不同的是，过程研究侧重于探工程因素（物料混合、扩散、传热以及杂质积累对反应过程的彬响、设备型式、尺寸及腐蚀情况等)对过程的彩响。在目前广泛运用的开发方法中，经验放大的方法不研究过程的内在规律，需要从各级试验中了解工艺条件和设备尺寸对过程结果的影响规律，因此更多地依赖于试验，而数学模型放大方法则是从小型试验中获得概念认识和物理描述，依据相对成熟的理论进行放大设计，对试验的依赖相对较少，有时甚至可以省略中间试验。因此对于不同的开发方法，各级试验的要求、信息内容和试验方法有很大差异。 1.小型工业模拟试验小型工业模拟试验是在实验室里用小型工业模型装置进行的模拟试验，习惯称为“小试“。小试通常包括以下内容：

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