[科普中国]-单元过程

分类

单元过程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。1

常用概念在研究化工单元过程时，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。

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。1

能量衡算能量衡算（energy balance）的依据是能量守恒定律。热量衡算的步骤与物料衡算的基本相同。

物系的平衡关系平衡状态是自然界中广泛存在的现象。平衡关系（equilibrium relation）可以用来判断过程能否进行，以及进行的方向和能达到的限度。1

传递速率过程的传递速率（rate of transfer process）与推动力成正比，与阻力成反比。

经济核算为生产定量的某种产品所需要的设备，根据设备的型式和材料的不同，可以有若干设计方案。对同一台设备，所选用的操作参数不同，会影响到设备费与操作费。因此，要用经济核算确定最经济的设计方案。

几种常用的单元过程流体流动流体流动时，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过程的理论基础，因为这些单元过程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过程（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过程的理论基础。2

吸收在化工生产中，通常会遇到均相物系混合物的分离问题，即将这些混合物分离为较净或几乎纯态的物质。利用原物系中各组分间某种物性的差异，从而将均相物系形成一个两相物质，达到分离的目的。物质在相间的转移过程称为物质传递过程（简称传质过程）。化学工业中常见的传质过程有蒸馏、吸收、干燥、萃取和吸附等单元过程。

利用气体中各组分在液相中溶解的差异而分离气体混合的操作称为吸收。所用液体称为吸收剂（或溶剂）。气体中被溶解的组分称为吸收质或溶质。不被溶解的组分称为惰性气体或载体。

吸收操作是化学工业常用的分离方法，主要用于下列几方面：

（1）分离和净化原料气。

（2）分离和吸收气体中的有用组分。

（3）某些产品的制取。如制酸工业中用水分别吸收混合气体中的HCl、SO3和NO2制取盐酸、硫酸和硝酸。

（4）废气的治理。生产过程中排放的废气往往含有对人体和环境有害的物质，如SO2、H2S等这类环境保护问题已愈来愈受重视。3

蒸馏蒸馏是分离液体混合物的一种方法，是传质过程中最重要的单元过程之一，蒸馏的理论依据是利用溶液中各组分蒸汽压的差异，即各组分在相同的压力、温度下，其探发性能不同（或沸点不同）来实现分离目的。例如，加热苯（沸点80.2℃）和甲苯（沸点110.4℃）的混合物时,由于苯的沸点较甲苯为低,即苯挥发度较甲苯高,故苯较甲苯易从液相中汽化出来。若将汽化的蒸汽全部冷凝，即可得到苯组成高于原料的产品，依此进行多次汽化及冷凝过程，即可将苯和甲苯分离。这多次进行部分汽化成部分冷凝以后，最终可以在汽相中得到较纯的易挥发组分，而在液相中得到较纯的难挥发组分，这叫精馏（rectification）。

在工业中，广泛应用蒸馏方法分离液体混合物，从石油工业、酒精工业直至焦油分离，基本有机合成，空气分离等等，常常采用蒸馏分离方法，特别是大规模的生产中蒸馏的应用更为广泛。

蒸馏按操作可分为简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏等多种方式。按原料中所含组分数目可分为双组分蒸馏及多组分蒸馏。按操作压力则可分为常压蒸馏、加压蒸馏、减压（真空）蒸馏。此外，按操作是否连续蒸馏和间歇蒸馏。工业中的蒸馏多为多组分精馏。4

传热传热是一种复杂现象。从本质上来说，只要一个介质内或者两个介质之间存在温度差，就一定会发生传热。我们把不同类型的传热过程称为传热模式。物体的传热过程分为三种基本传热模式，即：热传导、热对流和热辐射。

热传导，指在物质在无相对位移的情况下，物体内部具有不同温度、或者不同温度的物体直接接触时所发生的热能传递现象。固体中的热传导是源于晶格振动形式的原子活动。非导体中，能量传输只依靠晶格波（声子）进行；在导体中，除了晶格波还有自由电子的平移运动。

对流传热，又称热对流，是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。对流传热可分为强迫对流和自然对流。强迫对流，是由于外界作用推动下产生的流体循环流动。自然对流是由于温度不同密度梯度变化，重力作用引起低温高密度流体自上而下流动，高温密度流体自下而上流动。

热辐射，是一种物体用电磁辐射的形式把热能向外散发的传热方式。它不依赖任何外界条件而进行，是在真空中最为有效的传热方式。不管物质处在何种状态（固态、气态、液态或者玻璃态），只要物质有温度（所有物质都有温度），就会以电磁波（也就是光子）的形式向外辐射能量。这种能量的发射是由于组成物质的原子或分子中电子排列位置的改变所造成的。5