绪 论 一、化工过程与单元操作 化学工业是将自然界的各种物质，经过化学和物理方法处理，制造成生产资 料和生活资料的工业。一种产品的生产过程中，从原料到成品，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。 化学工业产品种类繁多。各种产品的生产过程中，使用着各种各样的物 理加工过程。根据它们的操作原理，可以归纳为应用较广的数个基本操作过程， 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。例如，乙醇、乙烯及石油等生产过程中，都采用蒸馏操作分 离液体混合物，所以蒸馏为一基本操作过程。又如合成氨、硝酸及硫酸等生产 过程中，都采用吸收操作分离气体混合物，所以吸收也是一个基本操作过程。 又如尿素、聚氯乙烯及染料等生产过程中，都采用干燥操作以除去固体中的水 分，所以干燥也是一个基本操作过程。 这些基本操作过程称为单元操作（unit operation）。任何一种化工产品的 生产过程，都是由若干单元操作及化学反应过程组合而成的。每个单元操作， 都是在一定的设备中进行的。例如，吸收操作是在吸收塔内进行的；干燥操作 是在干燥器内进行的。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。 4
绪 论 一、化工过程与单元操作 化学工业是将自然界的各种物质，经过化学和物理方法处理，制造成生产资 料和生活资料的工业。一种产品的生产过程中，从原料到成品，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。 化学工业产品种类繁多。各种产品的生产过程中，使用着各种各样的物 理加工过程。根据它们的操作原理，可以归纳为应用较广的数个基本操作过程， 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。例如，乙醇、乙烯及石油等生产过程中，都采用蒸馏操作分 离液体混合物，所以蒸馏为一基本操作过程。又如合成氨、硝酸及硫酸等生产 过程中，都采用吸收操作分离气体混合物，所以吸收也是一个基本操作过程。 又如尿素、聚氯乙烯及染料等生产过程中，都采用干燥操作以除去固体中的水 分，所以干燥也是一个基本操作过程。 这些基本操作过程称为单元操作（unit operation）。任何一种化工产品的 生产过程，都是由若干单元操作及化学反应过程组合而成的。每个单元操作， 都是在一定的设备中进行的。例如，吸收操作是在吸收塔内进行的；干燥操作 是在干燥器内进行的。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。 4
二、《化工原理》课程的内容、性质及任务 为学习化工单元操作而编写的教材，在我国习惯上称之为《化工原理》 （Principles of Chemical Engineering）。单元操作按其理论基础可分为下 列三类： （1）流体流动过程（fluid flow process）包括流体输送、搅拌、沉降、过滤 等。 （2）传热过程（heat transfer process）包括热交换、蒸发等。 （3）传质过程（madd transfer process）包括吸收、蒸馏、萃取、吸附、干 燥等。 流体流动时，其内部发生动量传递（momentum transfer），故流体流动过程也 称为动量传递过程。流体流动的基本原理，不仅是流体输送、搅拌、沉降及过 滤的理论基础，也是传热与传质过程中各单元操作的理论基础，因为这些单元 操作中的流体都处于流动状态。传热的基本原理，不仅是热交换和蒸发的理论 基础，也是传质过程中某些单元操作（例如干燥）的理论基础。因为干燥操作 中，不仅有质量传递而且有热量传递。因此，流体力学、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》是化工各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、 5
二、《化工原理》课程的内容、性质及任务 为学习化工单元操作而编写的教材，在我国习惯上称之为《化工原理》 （Principles of Chemical Engineering）。单元操作按其理论基础可分为下 列三类： （1）流体流动过程（fluid flow process）包括流体输送、搅拌、沉降、过滤 等。 （2）传热过程（heat transfer process）包括热交换、蒸发等。 （3）传质过程（madd transfer process）包括吸收、蒸馏、萃取、吸附、干 燥等。 流体流动时，其内部发生动量传递（momentum transfer），故流体流动过程也 称为动量传递过程。流体流动的基本原理，不仅是流体输送、搅拌、沉降及过 滤的理论基础，也是传热与传质过程中各单元操作的理论基础，因为这些单元 操作中的流体都处于流动状态。传热的基本原理，不仅是热交换和蒸发的理论 基础，也是传质过程中某些单元操作（例如干燥）的理论基础。因为干燥操作 中，不仅有质量传递而且有热量传递。因此，流体力学、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》是化工各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、 5
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。 三、单位与单位换算 1.单位制 由于科学技术的迅速发展和国际学术交流的日益频繁，以及理科与工科的 关系进一步密切，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（法文 Syst｀eme International d′Unites 的缩写）。国际单位制 中的单位是由基本单位、辅助单位和具有专门名称的导出单位构成的，分别列 于表 1、表 2 及表 3 中；国际单位制中用于构成十进倍数和分数单位的词头，列 于表 4 中。 表 1 国际单位制的基本单位 量 的 名 称 单 位 名 称 单 位 符 号 长 度 米 m 质 量 千 克 kg 时 间 秒 s 6
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。 三、单位与单位换算 1.单位制 由于科学技术的迅速发展和国际学术交流的日益频繁，以及理科与工科的 关系进一步密切，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（法文 Syst｀eme International d′Unites 的缩写）。国际单位制 中的单位是由基本单位、辅助单位和具有专门名称的导出单位构成的，分别列 于表 1、表 2 及表 3 中；国际单位制中用于构成十进倍数和分数单位的词头，列 于表 4 中。 表 1 国际单位制的基本单位 量 的 名 称 单 位 名 称 单 位 符 号 长 度 米 m 质 量 千 克 kg 时 间 秒 s 6
电 流 安 培 A 热力学温度 开尔文 K 物质的量 摩 尔 mol 发光强度 坎德拉 cd 表 2 国际单位制的辅助单位 量 的 名 称 单 位 名 称 单 位 符 号 平面角 弧度 rad 立体角 球面角 sr 表 3 国际单位制中具有专门名称的导出单位（只列出本书常用的单位） 量 的 名 称 单 位 名 称 单 位 符 号 其它表示式 示例 频率 赫兹 Hz s －1 力；重力 牛顿 N ㎏·m/s2 压力（压强），应 力 帕斯卡 Pa N/m2 能量，功，热 焦耳 J N·m 功率 瓦特 W J/s 摄氏温度 摄氏度 ℃ * 7
电 流 安 培 A 热力学温度 开尔文 K 物质的量 摩 尔 mol 发光强度 坎德拉 cd 表 2 国际单位制的辅助单位 量 的 名 称 单 位 名 称 单 位 符 号 平面角 弧度 rad 立体角 球面角 sr 表 3 国际单位制中具有专门名称的导出单位（只列出本书常用的单位） 量 的 名 称 单 位 名 称 单 位 符 号 其它表示式 示例 频率 赫兹 Hz s －1 力；重力 牛顿 N ㎏·m/s2 压力（压强），应 力 帕斯卡 Pa N/m2 能量，功，热 焦耳 J N·m 功率 瓦特 W J/s 摄氏温度 摄氏度 ℃ * 7
表 4 用于构成十进倍数和分数单位的词头（只列出本书常用的词头） 所表示的因数 词头名称 词头符号 所表示的因数 词头名称 词头符号 106 兆 M 10-1 分 d 103 千 k 10-2 厘 c 102 百 h 10-3 毫 m 101 十 da 10-4 微 µ 我国已开始实行法定计量单位。法定计量单位是以国际单位制的单位为基础， 根据我国的情况，适当增加了一些其他单位构成的。国家选定的非国际单位制 单位，列于表 5 中。本书采用法定计量单位，但因目前常用的物理、化学数据 和工程用数、表、列线图仍有许多是用物理制（CGS 制）单位和工程单位，尚未 换算过来，故本书兼用这些单位制中的个别单位（如例题、习题中），望注意 这些单位，并要掌握单位的换算方法。CGS 与工程单位制中的基本单位如表 6 所 示。工程单位制中以“力”为基本量，用符号 kgf 表示。 表 5 国家选定的非国际单位制单位（只列出本书常用的单位） 量的名称 单位名称 单位符号 换算关系和说明 分 min 1min=60s 时间 小时 h 1h=60min=3600s 天（日） d 1d=24h=86400s 8
表 4 用于构成十进倍数和分数单位的词头（只列出本书常用的词头） 所表示的因数 词头名称 词头符号 所表示的因数 词头名称 词头符号 106 兆 M 10-1 分 d 103 千 k 10-2 厘 c 102 百 h 10-3 毫 m 101 十 da 10-4 微 µ 我国已开始实行法定计量单位。法定计量单位是以国际单位制的单位为基础， 根据我国的情况，适当增加了一些其他单位构成的。国家选定的非国际单位制 单位，列于表 5 中。本书采用法定计量单位，但因目前常用的物理、化学数据 和工程用数、表、列线图仍有许多是用物理制（CGS 制）单位和工程单位，尚未 换算过来，故本书兼用这些单位制中的个别单位（如例题、习题中），望注意 这些单位，并要掌握单位的换算方法。CGS 与工程单位制中的基本单位如表 6 所 示。工程单位制中以“力”为基本量，用符号 kgf 表示。 表 5 国家选定的非国际单位制单位（只列出本书常用的单位） 量的名称 单位名称 单位符号 换算关系和说明 分 min 1min=60s 时间 小时 h 1h=60min=3600s 天（日） d 1d=24h=86400s 8
秒 (") 1"=(π/648000)rad 平面角 分 (') 1'=60"(π/108000)rad 度 (°) 1°=60'(π/180)rad 旋转角度 转每分 r/min 1r/min=(1/60)s-1 吨 t 1t=103 kg 质量 原子质量单位 u 1u≈1.6605655×10-27kg 体积 升 L,(l) 1L=1dm3 =10-3m 3 表 6 CGS 制与工程制的基本单位 CGS 制 工程制 量的名称 长度 质量 时间 温度 长度 力 时间 温度 单位符号 cm g s ℃ m kgf s ℃ 2.因次 法定计量单位中，基本量的长度、质量、时间、温度可分别用符号 L、M、T、 θ 表示，则导出量可由这些基本量的符号组合而成。例如，速度可用［LT－1 ］、 加速度用［LT－2 ］、力用［MLT－2 ］表示。若某物理量以［Ma Lb Tc ］表示，则称它 为该物理量的因次或量纲（dimension）（严格地说，指数 a、b、c 称为因次， ［Ma Lb Tc ］称为该物理量的因次式或量纲式）。它表示该物理量的单位与基本量 9
秒 (") 1"=(π/648000)rad 平面角 分 (') 1'=60"(π/108000)rad 度 (°) 1°=60'(π/180)rad 旋转角度 转每分 r/min 1r/min=(1/60)s-1 吨 t 1t=103 kg 质量 原子质量单位 u 1u≈1.6605655×10-27kg 体积 升 L,(l) 1L=1dm3 =10-3m 3 表 6 CGS 制与工程制的基本单位 CGS 制 工程制 量的名称 长度 质量 时间 温度 长度 力 时间 温度 单位符号 cm g s ℃ m kgf s ℃ 2.因次 法定计量单位中，基本量的长度、质量、时间、温度可分别用符号 L、M、T、 θ 表示，则导出量可由这些基本量的符号组合而成。例如，速度可用［LT－1 ］、 加速度用［LT－2 ］、力用［MLT－2 ］表示。若某物理量以［Ma Lb Tc ］表示，则称它 为该物理量的因次或量纲（dimension）（严格地说，指数 a、b、c 称为因次， ［Ma Lb Tc ］称为该物理量的因次式或量纲式）。它表示该物理量的单位与基本量 9
的单位之间的关系。当 a＝b＝c＝0 时，时［M0 L0 T0 ］＝［1］，称为无因次 （dimensionless）。例如，液体的相对密度为该液体的密度与 4℃时纯水的密 度之比值，其因次为［ML－3 /ML－3 ］＝［M0 L0 ］＝［1］，为无因次。 3.单位换算 同一物理量若用不同单位度量时，其数值需相应地改变。这种换算称为单 位换算。法定计量单位刚实行不久，由过去的 CGS 和工程单位制过渡到全部使 用法定单位，还需要一段时间。因此，必须掌握这些单位间的换算关系。单位 换算时，需要换算因数。化工中常用单位的换算因数，可从本教材附录中查得。 要特别注意工程单位制中的“力”的单位 kgf 与国际单位制中“力”的单位 N 之间的换算关系，在这里对这两个单位的换算关系作简要说明。 若物体受地心引力作用产生 a＝9.80665m/s2 的重力加速度（国际标准重力 加速度，即在北纬 45 海面上的重力加速度），则作用于质量为 m＝1kg 的物体 上的重力为 F＝ma＝1×9.80665＝9.80665N 物体在重力场中所受的重力，就是该物体的重量。因此，工程单位制中是 把 SI 中的 9.80665N 重量，作为其 1kgf 重量，故有 1kgf＝9.80665N 由于质量 为 1kg 物体的重量为 1kgf，所以工程单位制中的重量与 SI 中的质量数值相等。 例 1 通用气体常数 R＝0.08206L·atm/mol·°K，试用法定单位 J/mol·K 表示。 10
的单位之间的关系。当 a＝b＝c＝0 时，时［M0 L0 T0 ］＝［1］，称为无因次 （dimensionless）。例如，液体的相对密度为该液体的密度与 4℃时纯水的密 度之比值，其因次为［ML－3 /ML－3 ］＝［M0 L0 ］＝［1］，为无因次。 3.单位换算 同一物理量若用不同单位度量时，其数值需相应地改变。这种换算称为单 位换算。法定计量单位刚实行不久，由过去的 CGS 和工程单位制过渡到全部使 用法定单位，还需要一段时间。因此，必须掌握这些单位间的换算关系。单位 换算时，需要换算因数。化工中常用单位的换算因数，可从本教材附录中查得。 要特别注意工程单位制中的“力”的单位 kgf 与国际单位制中“力”的单位 N 之间的换算关系，在这里对这两个单位的换算关系作简要说明。 若物体受地心引力作用产生 a＝9.80665m/s2 的重力加速度（国际标准重力 加速度，即在北纬 45 海面上的重力加速度），则作用于质量为 m＝1kg 的物体 上的重力为 F＝ma＝1×9.80665＝9.80665N 物体在重力场中所受的重力，就是该物体的重量。因此，工程单位制中是 把 SI 中的 9.80665N 重量，作为其 1kgf 重量，故有 1kgf＝9.80665N 由于质量 为 1kg 物体的重量为 1kgf，所以工程单位制中的重量与 SI 中的质量数值相等。 例 1 通用气体常数 R＝0.08206L·atm/mol·°K，试用法定单位 J/mol·K 表示。 10
解 从单位换算表查得 1L＝10-3m3 ， 1atm＝1.013×105 Pa 因此，得 R＝0.08206×10-3 × 1.013×105 ＝8.313m3 ·Pa/mol·K 从单位换算表查得 1Pa＝1N/m2 ＝1N·m/m3 ＝1J/m3 因此，得 R＝8.313J/mol·K 四、单元操作中常用的基本概念 在研究化工单元操作时，经常用到下列五个基本概念，即物料衡算，能量 衡算，物系的平衡关系，传递速率及经济核算等。这五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 输入量－输出量＝累积量 对于连续操作的过程，若各物理量不随时间改变，即牌稳定操作状态时， 过程中不应有物料的积累。则物料衡算（material balance）关系为输入量＝ 输出量 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 11
解 从单位换算表查得 1L＝10-3m3 ， 1atm＝1.013×105 Pa 因此，得 R＝0.08206×10-3 × 1.013×105 ＝8.313m3 ·Pa/mol·K 从单位换算表查得 1Pa＝1N/m2 ＝1N·m/m3 ＝1J/m3 因此，得 R＝8.313J/mol·K 四、单元操作中常用的基本概念 在研究化工单元操作时，经常用到下列五个基本概念，即物料衡算，能量 衡算，物系的平衡关系，传递速率及经济核算等。这五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 输入量－输出量＝累积量 对于连续操作的过程，若各物理量不随时间改变，即牌稳定操作状态时， 过程中不应有物料的积累。则物料衡算（material balance）关系为输入量＝ 输出量 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 11
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。 12
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。 12
例 1 用连续操作的蒸发器把含盐浓度为（质量分率）的衡盐水溶液蒸发到 浓度为（质量分率）的浓盐水溶液，每小时衡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：各股物系的流程图如附图所示，计算基准取 1，由于是连续稳定操作， 总物料衡算式为 F＝V＋W 溶质衡算式为 FxF=Wxw 由此两式解得 W=（xF/xw）F，V=（1-xF/xw）F 13
例 1 用连续操作的蒸发器把含盐浓度为（质量分率）的衡盐水溶液蒸发到 浓度为（质量分率）的浓盐水溶液，每小时衡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：各股物系的流程图如附图所示，计算基准取 1，由于是连续稳定操作， 总物料衡算式为 F＝V＋W 溶质衡算式为 FxF=Wxw 由此两式解得 W=（xF/xw）F，V=（1-xF/xw）F 13