本書重點介紹化工單元操作的基本原理、計算方法及典型設備，包含緒論、流體流動與流體輸送、機械分離、傳熱、吸收、蒸餾、固體干燥、蒸發與結晶技術、現代分離技術。每章均編入適量的例題、習題及思考題，章末編有符號說明，以方便學習。書末編有附錄，供學習者查詢。
本書以“三傳”（動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞）為主線，以物料衡算、能量衡算為基礎，重視基本概念和基礎理論的闡述，注重理論聯系實際，力求由淺入深，重點突出，主次分明。
本書可作為高等學校近化工類專業少學時化工原理課程的教材，也可供相關部門及單位從事科研、設計及生產的技術人員參考。
《化工原理》以化工傳遞過程的基本理論為主線，突出工程學科特點，系統而簡明地闡述了典型化工單元操作的基本原理、過程計算方法及典型設備。本書除緒論和附錄外，包括流體流動與流體輸送、機械分離、傳熱、吸收、蒸餾、固體干燥、蒸發與結晶技術、現代分離技術等章節。全書由曾英統稿。
前言
第1章 緒論
1.1 化工生產過程與單元操作
1.2 化工原理課程的任務及特點
1.3 基本知識點回顧
1.3.1 物理量的單位
1.3.2 重要衡算關系式
習題
第2章 流體流動與流體輸送
2.1 流體靜力學
2.1.1 流體基本性質
2.1.2 流體靜力學基本方程式
2.1.3 流體靜力學基本方程式的應用
2.2 管內流體流動基本方程式
2.2.1 流量與流速
前言
第1章 緒論
1.1 化工生產過程與單元操作
1.2 化工原理課程的任務及特點
1.3 基本知識點回顧
1.3.1 物理量的單位
1.3.2 重要衡算關系式
習題
第2章 流體流動與流體輸送
2.1 流體靜力學
2.1.1 流體基本性質
2.1.2 流體靜力學基本方程式
2.1.3 流體靜力學基本方程式的應用
2.2 管內流體流動基本方程式
2.2.1 流量與流速
2.2.2 定態流動與非定態流動
2.2.3 連續性方程式
2.2.4 伯努利方程式
2.2.5 伯努利方程式的應用
2.3 管內流體流動阻力
2.3.1 牛頓黏性定律與流體黏度
2.3.2 流動類型與雷諾數
2.3.3 流體在直管中的流動阻力
2.3.4 管路上的局部阻力
2.3.5 管路系統中的總能量損失
2.4 流量測量
2.4.1 測速管
2.4.2 孔板流量計
2.4.3 轉子流量計
2.5 液體輸送設備
2.5.1 離心泵
2.5.2 往復泵
2.5.3 其他類型泵
2.6 氣體輸送設備
2.6.1 離心式通風機
2.6.2 真空泵
本章符號說明
習題
思考題
第3章 機械分離
3.1 顆粒及床層特性
3.1.1 顆粒特性
3.1.2 床層特性
3.2 沉降及設備
3.2.1 重力沉降及設備
3.2.2 離心沉降及設備
3.3 過濾及設備
3.3.1 過濾操作的基本概念
3.3.2 過濾速率基本方程式
3.3.3 恒壓過濾
3.3.4 過濾設備
本章符號說明
習題
思考題
第4章 傳熱
4.1 概述
4.1.1 傳熱的基本方式
4.1.2 換熱器
4.2 熱傳導
4.2.1 傅里葉定律
4.2.2 導熱系數
4.2.3 平壁的熱傳導
4.2.4 圓筒壁的熱傳導
4.3 對流傳熱
4.3.1 對流傳熱速率方程和對流傳熱系數
4.3.2 對流傳熱機理
4.3.3 對流傳熱系數的影響因素及其經驗關聯式
4.4 傳熱過程計算
4.4.1 熱量衡量
4.4.2 總傳熱速率方程式
4.4.3 總傳熱系數
4.4.4 平均溫度差法
4.4.5 壁溫計算
4.4.6 傳熱計算示例
4.4.7 傳熱過程的強化
4.5 列管式換熱器的設計與選用
本章主要符號
習題
思考題
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 吸收的分類與流程
5.1.4 吸收劑的選擇
5.2 氣液相平衡
5.2.1 氣體在液體中的溶解度
5.2.2 亨利定律與相平衡表示方式
5.2.3 相平衡的影響因素
5.2.4 相平衡與吸收過程的關系
5.3 傳質機理與吸收速率方程
5.3.1 分子擴散和菲克定律
5.3.2 渦流擴散與對流傳質
5.3.3 吸收過程機理及吸收速率方程
5.3.4 傳質系數
5.4 吸收塔的計算
5.4.1 物料衡算
5.4.2 吸收劑的用量
5.4.3 強化吸收途徑
5.4.4 塔徑的計算
5.4.5 填料層高度的計算
5.4.6 理論塔板數的計算
5.4.7 解吸塔的計算
5.5 填料塔
5.5.1 填料塔的結構
5.5.2 常用填料的種類和特性
5.5.3 氣液兩相逆流通過填料層的流動狀況
5.5.4 填料塔直徑的計算
本章主要符號
習題
思考題
第6章 蒸餾
6.1 二組分溶液的氣液平衡
6.1.1 氣液平衡關系式
6.1.2 二組分理想溶液的氣液平衡相圖
6.1.3 非理想溶液的氣液平衡
6.2 蒸餾與精餾
6.2.1 平衡蒸餾與簡單蒸餾
6.2.2 精餾
6.3 二組分連續精餾的計算
6.3.1 理論板及恒摩爾流假定
6.3.2 全塔物料衡算
6.3.3 精餾段物料衡算及其操作線方程
6.3.4 提餾段物料衡算及其操作線方程
6.3.5 進料熱狀態的影響
6.3.6 理論塔板數的計算
6.3.7 回流比的選擇
6.3.8 理論板數的簡捷算法
6.3.9 板效率與實際板數
6.3.10 塔高與塔徑
6.3.11 精餾裝置的熱量衡算
6.4 恒沸精餾和萃取精餾
6.4.1 恒沸精餾
6.4.2 萃取精餾
6.5 板式塔
6.5.1 塔板結構
6.5.2 塔板上氣液兩相流動現象與操作負荷性能圖
6.5.3 板式塔計算
本章主要符號
習題
思考題
第7章 固體干燥
7.1 固體去濕方法和干燥
7.1.1 固體物料的去濕方法
7.1.2 對流干燥的特點
7.2 濕空氣的性質及濕度圖
7.2.1 濕空氣的性質
7.2.2 濕空氣的焓-濕圖
7.2.3 焓-濕圖的應用
7.3 干燥過程的物料衡算及熱量衡算
7.3.1 干燥過程的物料衡算
7.3.2 干燥過程的熱量衡算
7.4 物料的平衡含水量與干燥速率
7.4.1 干燥實驗曲線
7.4.2 物料的平衡含水量曲線
7.4.3 恒定干燥條件下的干燥速率與干燥時間
7.5 干燥設備
7.5.1 干燥器的主要型式
7.5.2 干燥器的選用
本章符號說明
習題
思考題
第8章 蒸發與結晶技術
8.1 單效蒸發
8.1.1 溶液的沸點和溫度差損失
8.1.2 單效蒸發的計算
8.2 多效蒸發
8.2.1 多效蒸發的操作流程
8.2.2 多效蒸發的計算
8.3 蒸發設備
8.3.1 蒸發器的結構
8.3.2 蒸發器的選型
8.4 結晶分離技術
8.4.1 結晶過程的相平衡
8.4.2 結晶過程的動力學
8.4.3 溶液結晶過程與設備
8.4.4 其他結晶方法
本章符號說明
習題
思考題
第9章 現代分離技術
9.1 液液萃取
9.1.1 概述
9.1.2 液液相平衡
9.1.3 萃取操作流程和計算
9.2 超臨界流體萃取技術
9.2.1 超臨界流體萃取技術的發展與特點
9.2.2 超臨界流體萃取與液液萃取的比較
9.3 膜分離技術
9.3.1 膜分離技術的基本原理
9.3.2 分離用膜
9.3.3 膜分離設備
9.4 層析技術
9.4.1 概述
9.4.2 層析的基本理論
9.4.3 層析技術過程
9.5 分子蒸餾
9.5.1 分子蒸餾的基本理論
9.5.2 分子蒸餾過程
9.5.3 分子蒸餾特點
9.5.4 分子蒸餾流程及設備
9.5.5 分子蒸餾技術在生物分離工藝中的應用
本章符號說明
思考題
參考文獻
附錄
第1章 緒 論
1.1 化工生產過程與單元操作
化學工業是將自然界中的各種原料加工成有用產品的工業。從原料到產品往往需要幾個或幾十個加工過程，其中除了化學反應過程外，還有大量的物理加工過程，統稱為化工過程。
化學生產的原料不同，產品不同，經歷的加工過程就會不同，從而形成各種各樣的化工生產過程。任一化工產品的生產過程都是由化學反應和若干物理操作串聯而成的，所以不必將每一生產過程都作為一種特殊的或獨有的技術去研究，只需研究組成生產過程的每一個單獨操作即可。這些物理操作統稱為化工單元操作，簡稱單元操作。
單元操作可作用于不同的化工生產過程。根據單元操作所遵循的基本規律，可將其劃分為三大類：
（1）遵循流體動力基本規律的單元操作，包括流體輸送、過濾、沉降、固體流態化等。
（2）遵循熱量傳遞基本規律的單元操作，包括加熱、冷卻、蒸發等。
（3）遵循質量傳遞基本規律的單元操作，包括吸收、蒸餾、吸附、萃取、干燥、結晶、膜分離等。
隨著對單元操作研究的不斷深入，科研工作者發現遵循流體動力基本規律的單元操作大都涉及流體流動，并伴隨著動量的傳遞，都可以用動量傳遞理論去研究；其余兩大類單元操作則可分別用熱量傳遞理論和質量傳遞理論去研究。各種單元操作都可以建立在動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞這三種傳遞理論的基礎之上，三種傳遞現象中存在相似的規律和內在的聯系，“三傳”理論作為一根主線貫穿了上述所有的單元操作。
各單元操作都在相應的設備中進行。例如，蒸餾操作在蒸餾塔內進行，吸收操作在吸收塔內進行，干燥操作在干燥器內進行。單元操作設備為相應的單元操作過程提供必要的條件，使過程能有效地進行。單元操作不僅用在化工生產中，而且在石油、冶金、輕工、制藥、核工業及環境保護工程中也有廣泛應用。
1.2 化工原理課程的任務及特點
化工原理課程是化工及其相關專業的一門基礎技術課程，是自然科學的基礎課向工程學科的專業課過渡的入門課程，主要研究化工單元操作的基本原理和基本規律、所用典型設備的結構、設備工藝尺寸的計算或設備選型。本課程與傳統的自然科學基礎課有所區別，它兼有工程學科特點，與實踐活動聯系更加緊密，涉及各種工程實際問題。
本課程在不斷完善的過程中逐漸形成了兩套研究方法，即實驗研究法（經驗法）和數學模型法（半經驗半理論法）。實驗研究法能夠跳過方程的建立，直接觀察變量間的關系。但如果實驗中的設備規格、物料種類和狀態等不斷變化，相應的工作量就會大大增加，研究效率及準確度會大打折扣。數學模型法則是建立在對過程機理的探索之上，通過對實際問題的合理簡化得出數學模型，該法較實驗研究法更能反映實際過程的真實情況，因此在化工領域中發展較為迅速。
本課程的實踐性很強，學生在學習的過程中應試著用“工程”的觀點看待問題和分析問題，有意識地培養自己運用基本原理分析、解決問題的能力。通過這門課程的學習，應初步掌握以下技能：針對具體的生產環境、條件，經濟、合理地選擇單元操作及其相應設備；可進行典型工藝的理論計算和設備設計；正確操作和調節生產過程；能夠分析生產中的故障成因。
1.3 基本知識點回顧
研究單元操作離不開物料衡算、能量衡算等基本知識點，下面對這些知識點進行一個扼要的回顧。
1.3.1 物理量的單位
1. 單位制與單位換算
任何物理量都要用數值和單位共同表示。由于歷史、地區及學科的不同要求，對基本量及單位的選擇有所不同，因而產生了多種不同的單位制度。目前，國際上逐漸統一采用國際單位制（SI），它由基本單位和包括輔助單位在內的導出單位構成。我國采用中華人民共和國法定計量單位（簡稱法定單位），它以國際單位制為基礎，根據我國情況，適當增加了一些其他單位構成。內容詳見本書附錄1。
在查閱文獻及參考書時，可能遇到多種單位制度并存的情況，使用時要換算成目前采用的單位制度。
同一物理量，單位不同，數值也不同。例如，重力加速度g，在法定單位制中的單位為m/s2，數值約為9.81；在物理單位制中的單位為cm/s2，數值約為981。二者包括單位在內的比值稱為換算因子，即重力加速度g在物理單位制和法定單位制間的換算因子為任何單位換算因子都是兩個相等量之比，所以包括單位在內的任何換算因子本質上都是1，任何物理量乘以或除以單位換算因子，都不會改變原量的大小。很多化學化工手冊上均列出了常用單位的換算因子，可以直接使用；復雜單位的換算因子無表可查時，可將其分解成較簡單的單位逐個換算。
【例1-1】從相關化學手冊中查得0℃下水的黏度為1.7921cP[1cP=0.01P=0.01g/（cm?s）]，試將其單位換算成帕?秒。
解 先查出原單位與新單位間的換算關系
2. 單位一致性
化工計算中的公式可分為物理方程和經驗公式。物理方程是根據物理規律建立的，公式中的符號（比例系數k除外）各代表一個物理量，將某一單位制的數據代入物理方程中，解得的結果也屬于同一單位制，所以，物理方程又稱為單位（或因次）一致性方程，使用時必須保持各項單位的一致性。經驗公式是根據實驗數據整理總結出來的，式中每一個符號只代表物理量數字部分，它們的單位必須采用指定單位，因此經驗公式也稱為數字公式。若計算過程中物理量的單位與公式中規定的單位不相符，則應先將已知的數據換算成經驗公式中指定的單位后才能進行運算。
1.3.2 重要衡算關系式
物料衡算和能量衡算在化工單元操作設備的設計、選型及操作優化中都有重要作用。通過衡算，可以了解設備的生產能力、產品質量、能量消耗以及設備的性能和效率。
進行物料和能量衡算時，首先需選定衡算范圍，既可以是一個生產過程或一個單元設備，也可以是設備的某一局部。同時，也需選定衡算基準。對連續操作常以單位時間為基準，對間歇操作，常以一個操作循環為基準。
1. 物料衡算
物料衡算是以生產過程或生產單元設備為研究區域，對其進、出口處物料進行定量計算。
通過物料衡算可計算原料與產品間的定量轉變關系，以及各原料的消耗量，各種中間產品、副產品的產量、消耗量及組成。物料衡算遵循質量守恒定律，即輸入的物料質量等于輸出的物料質量與累積的物料質量之和輸入量=輸出量+累積量若衡算對象為穩態過程，即過程中無物料積存，可將衡算關系簡化為輸入量=輸出量物料衡算可按下列步驟進行：
（1）根據研究過程的實際情況繪制出簡明流程示意圖，并標明設備、各股物料的數量和單位以及具體流向。
（2）明確衡算范圍。可以是單個設備或若干個設備串聯而成的生產過程，也可以是設備的某一部分，視實際情況而定。
（3）規定衡算基準。一般地，連續操作中常以單位時間為基準；間歇操作中則以一批參與過程的物料為基準。
（4）列出衡算式，求解未知量。
2. 能量衡算
化工生產中的主要能量形式為熱能和機械能。若操作中涉及幾種不同形式的能量，則需進行總能量衡算；若只涉及熱能，則衡算關系可簡化為熱量衡算。因為化工過程中熱交換廣泛存在，所以本課程主要探討能量衡算中的熱量衡算。能量衡算遵循能量守恒定律，以熱量的形式體現
輸入量=輸出量+耗散量
熱量衡算與物料衡算的方法大致相同，但熱量衡算需指明基準溫度，因為焓的大小與從哪一個溫度算起有關。物料的焓通常從0℃算起，所以習慣上選擇0℃為基準溫度，無特殊說明均按此計算。
習 題
1-1已知摩爾氣體常量R=82.06atm?cm3/（mol?K），試通過單位換算，將其用SI制單位J/（mol?K）表示。
1-2在化工手冊中查得黃銅在20℃時的導熱系數為110W/（m?K），若用工程單位kcal/（m?s?℃）表示，換算后的數值應為多少?
1-3化工生產中經常會對含水溶液進行前期的濃縮處理，10%（質量分數，下同）的某水溶液經第一階段的蒸發操作可濃縮至25%，接著將濃縮后的溶液進行第二階段的蒸發，最后可得45%的濃縮液。若該工段的處理能力為4200kg/h，試求各階段蒸發的水量。
1-4質量流量為10000kg/h的某油品需要進行冷卻處理，使其溫度從140℃下降至80℃。如果采用冷卻水冷卻，其進、出口溫度分別為20℃、40℃，則每小時冷卻水的用量為多少?已知定性溫度下的油品定壓比熱容為2.2kJ/（kg?℃），冷卻水的定壓比熱容為4.18kJ/（kg?℃）。
第2章 流體流動與流體輸送
化工生產中所涉及的物料（原料、半成品以及產品等）大多為流體或具有流體的性質。所謂流體是指氣體和液體的總稱，其特征是具有流動性。化工生產中的流體輸送、熱量傳遞、質量傳遞以及化學反應等大多是在流體流動的情況下完成的。例如，通過各種設備之間的連接管路實現流體輸送；強化被加熱（冷卻）流體的對流來提高傳熱速率，以縮短加熱時間或提高傳熱設備的使用效率；加強流體的湍動程度來強化對流傳質過程等。因此流體流動是化工生產的基礎。
流體流動的本質是在分子微觀運動基礎上的宏觀運動，在化工生產中研究流體流動時通常將流體視為無數流體質點（微團）組成的連續介質，質點間沒有間隙，能夠用連續函數進行描述。實際流體都是可壓縮的，由于液體的體積受壓力、溫度的變化影響很小，因此通常把液體視為不可壓縮流體，而氣體的體積受壓力和溫度變化影響較大，因此將氣體視為可壓縮流體。
本章將重點介紹流體流動過程的基本原理以及流體在管內流動的規律；為完成一定的流體輸送任務所進行的管路計算，包括流體輸送管路管徑的選擇、估算流體流動所需的能量以確定流體輸送機械的類型和功率；流速、流量、壓力（真空度）等流體流動相關物理量的測定。
2.1 流體靜力學
流體靜力學是研究流體在外力作用下保持靜止或者相對靜止的規律。
2.1.1 流體基本性質
1. 密度
單位體積流體所具有的質量即為該流體的密度，密度的表達式為式中，ρ 為密度，kg/m3；m 為質量，kg；V 為體積，m3。
密度是物質的物理性質之一，流體的密度是溫度和壓力的函數，通常用ρ=f（p，T）表示。
由于液體分子之間的距離遠小于氣體，因此除在極高的壓力條件下外，壓力對液體密度的影響可忽略不計，但密度受溫度的變化影響較大，因此在表示流體密度時一定要指明其所處的溫度條件。
當化工生產中液體混合物由若干組分構成時，通常將此混合液作為理想溶液進行處理。
混合液的總體積為各組分體積之和，混合液的密度可用平均密度ρm 表示。
式中，ρm 為混合液的平均密度，kg/m3；w1，w2，…，wn 為混合液各組分的質量分數，kg/kg；ρ1，ρ2，…，ρn為混合液各組分的密度，kg/m3。
氣體的密度受壓力和溫度的影響較大，但在壓力不太高、溫度不太低的情況下，實際氣體可視為理想氣體，因此可按照理想氣體狀態方程計算氣體密度。
式中，p 為氣體的絕對壓力，kPa；n 為氣體的物質的量，kmol；R 為摩爾氣體常量，8.314kJ/（kmol?K）；T為氣體的熱力學溫度，K；M 為氣體的摩爾質量，kg/kmol。
當氣體混合物接近理想氣體時，仍然可用式（2-3）進行計算，只是氣體的摩爾質量需要以相應混合氣體的平均摩爾質量Mm代替。
Mm=M1y1+M2y2+…+Mnyn （2-4）式中，M1，M2，…，Mn為混合氣體中各組分的摩爾質量，kg/kmol；y1，y2，…，yn 為混合氣體中各相應組分的摩爾分數，kmol/kmol。
氣體混合物的平均密度可用式（2-5）進行計算。
2. 壓力
流體在單位面積上所受到的垂直作用力稱為流體的壓強，在工程上仍然習慣稱為壓力。
p=PA （2-6）式中，p 為流體的壓力，N/m2或Pa；P 為垂直作用于流體面積A 上的總壓力，N；A為作用于流體的表面積，m2。
壓力的單位包括：Pa（帕斯卡）、atm（大氣壓）、at（工程大氣壓）、mH2O（水柱高度）、mmHg（汞柱高度）、kgf/cm2（千克力）、bar（巴）等。
1atm（標準大氣壓）=101325Pa=760.0mmHg=10.33mH2O=1.033kgf/cm2=1.0133bar1at（工程大氣壓）=98070Pa=735.6mmHg=10.0mH2O=1.0kgf/cm2=0.9807bar流體的壓力是相對值，當以絕對真空作為基準時稱為絕對壓力。以流體所在的當地大氣壓為基準時，若壓力大于大氣壓，兩者之差稱為表壓。通常壓力設備上壓力表的讀數為容器內的表壓。
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