化工生产中的物料和能量衡算原理及应用

【学习提示】

1.了解单元操作的基本类型。

2.理解单元操作的基本概念。

3.了解化学工程的发展阶段。

一、化工过程

化学工业是将自然界的各种物质经过化学反应和物理方法处理，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，统称为化工过程。

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，所以蒸馏为一个基本操作过程。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。此外，流体输送和热交换也为基本操作过程，应用更为广泛。这些基本操作过程称为单元操作。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。化学反应在反应器内进行；各个单元操作，也都在相应的设备中进行。例如，蒸馏操作是在蒸馏塔内进行的，吸收操作在吸收塔内进行，干燥操作在干燥器内进行，如图1-1所示。不同的单元操作设备其结构有很大不同，为相应的单元操作过程提供必要的条件，使过程能有效地进行。在过程进行中，需要进行操作控制，根据规定的操作指标调节物料的进、出口流量以及内部的温度、压力、浓度及流动状态等，使过程能以适当的速率进行，得到所规定流量的合格产品或中间产品。单元操作不仅在化工生产中应用，而且在石油、冶金、轻工、制药及原子能等工业及生物工程、环境保护工程中也广泛应用。

图1-1 反应器与单元操作设备举例

单元操作按其理论基础可分为下列3类。

（1）流体流动过程。包括流体输送、搅拌、沉降、过滤等。

（2）传热过程（热量传递过程）。包括热交换、蒸发等。

（3）传质过程（质量传递过程）。包括吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥、结晶、膜分离等。

流体流动时，流体内部由于流体质点（或分子）的速度不同，它们的动量也就不同，在流体质点随机运动和相互碰撞过程中，动量从速度大处向速度小处传递，这称为动量传递。所以流体流动过程也称为动量传递过程。

动量传递与热量传递和质量传递类似，热量传递是流体内部因温度不同，热量从高温处向低温处传递；质量传递是因物质在流体内存在浓度差，物质将从浓度高处向浓度低处传递。在流体中的这3种传递现象，都是由于流体质点（或分子）的随机运动所产生的。若流体内部有温度差存在，当有动量传递的同时必有热量传递；同理，若流体内部有浓度差存在时，也会同时有质量传递。若没有动量传递，则热量传递和质量传递主要是因分子的随机运动产生的现象，其传递速率较缓慢。要想增大传递速率，需要对流体施加外功，使它流动起来。

由上述可知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。

人们会注意到上述的单元操作，有许多是用来分离混合物的。沉降与过滤用于非均相物系的分离，包括含尘或含雾的气体、含固体颗粒的悬浮液、由两种不互溶液体组成的乳浊液等。蒸发用于分离由挥发性溶剂和不挥发的溶质组成的溶液；吸收是利用各组分在液体溶剂中的溶解度不同分离气体混合物；蒸馏是利用各组分的挥发度不同来分离均相液体混合物；萃取是利用各组分在液体萃取剂中的溶解度不同来分离液体混合物或固体混合物；吸附是利用气体或液体中各组分对固体吸附剂表面分子结合力的不同，使其中一种或几种组分进行吸附分离；干燥是对湿固体物料加热，使其所含水分汽化而得到干固体产品的操作；结晶是利用冷却或溶剂汽化的方法，使溶液达到过饱和而析出晶体的操作。膜分离是利用固体薄膜（有机高分子膜或无机膜）或液体薄膜，对液体或气体混合物的选择性透过分离。

上述分离单元操作中，通常把沉降与过滤归属为机械分离操作，而其余归属为传质分离操作。

二、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。这五个基本概念贯穿于本课程的始终，在这里仅做简要说明，详细内容见各章。

物料衡算与能量衡算，在单元操作设备的设计、操作、研究中，都有重要作用。通过衡算，可以了解设备的生产能力、产品质量、能量消耗以及设备的性能和效率。在单元设备的理论研究中，也要通过衡算建立理论方程。

物料衡算和能量衡算时，要选定衡算系统，既可以是一个单元设备或几个单元设备的组合，也可以是设备的某一部分或设备的微元段。

（一）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，即处于稳定操作状态时，过程中不应有物料的累积。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，并标上已知数据与待求量；(www.xing528.com)

（2）在写衡算式之前，要选定计算基准，一般选用单位进料量或排料量（质量、物质的量或体积等）、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。

（二）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（Energy Balance）的依据是能量守恒定律。机械能衡算将在第二章流体流动中说明；热量衡算也将在传热、蒸馏和干燥等章节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。

（三）物系的平衡关系

平衡状态是自然界中广泛存在的现象。例如，在一定温度下，不饱和的食盐溶液与固体食盐接触时，食盐向溶液中溶解，直到溶液为食盐所饱和，食盐就停止溶解，此时固体食盐表面已与溶液形成动平衡状态；反之，若溶液中食盐浓度大于饱和浓度，则溶液中的食盐会析出，使溶液中的固体食盐结晶长大，最终达到平衡状态。一定温度下食盐的饱和浓度，就是这个物系的平衡浓度。当溶液中食盐的浓度低于饱和浓度，则固体食盐将向溶液中溶解。当溶液中食盐的浓度大于饱和浓度，则溶液中溶解的食盐会析出，最终都会达到平衡状态。从这个例子可以看出，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。

（四）传递速率

仍以食盐溶解为例说明。食盐溶液中食盐浓度低时，溶解速率（单位时间内溶解的食盐质量）大；食盐浓度高时，溶解速率小。当溶液达到饱和浓度（即平衡状态）时，不再溶解，即溶解速率为零。由此可知，溶液浓度越是远离平衡浓度，其溶解速率就越大；溶液浓度越是接近平衡浓度，其溶解速率就越小。溶液浓度与平衡浓度之差值，可以看作是溶解过程的推动力（Driving Force）。另外，由实验得知，把一个大食盐块破碎成许多小块，溶液由不搅拌改为搅拌，都能使溶解速率加快。这是因为由大块改为许多小块，能使固体食盐与溶液的接触面积增大；由不搅拌改为搅拌，能使溶液质点对流。其结果能减小溶解过程的阻力（Resistance）。因此，过程的传递速率（Rate of Transfer Process）与推动力成正比，与阻力成反比，即

这个关系类似于电学中的欧姆定律。过程的传递速率是决定化工设备的重要因素，传递速率大时，设备尺寸可以小。

（五）经济核算

为生产定量的某种产品所需要的设备，根据设备的型号和材料的不同，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。

三、化学工程发展阶段

化工原理课程，不是教学生如何合成得到新物质、如何提取新物质、如何表征新物质，这是化学家的工作。化学工程研究的是，如何把化学家们的小试研究成果，开发放大为中试，再开发为生产规模，是在科学实验与化工生产之间架桥的工作。目前，学术界比较公认的讲法是，化学工程的发展经历了四个阶段，即化学工艺学阶段、化工单元操作阶段、传递过程阶段和“三传一反”阶段。“三传一反”即是指动量传递、热量传递、质量传递和化学反应工程。化工发展由最初提出的“优质、高产、低耗”到今天的“安全、环保、节能”，体现“绿色化工”的理念在逐步渗透。

（一）化学工艺学阶段

在20世纪以前的几百年时间里，出现了不少化学工业，如制糖工业、制碱工业、造纸工业等。介绍每种工业从原料到成品的生产过程，作为一种特殊的知识讲解，这是最早的化学工艺。

（二）化工单元操作阶段

到20世纪初，人们逐渐发现，许多化学工业中，存在共性的操作原理。例如，无论在制糖业还是制碱业，从溶液蒸发得到固体糖或固体碱所遵循的原理是相同的，于是，蒸发成为最早提出的单元操作之一。经不断总结，被称为单元操作的有流体流动与输送、沉降与过滤、固体流态化、传热、蒸发、蒸馏、吸收、吸附、萃取、干燥、结晶、膜分离等。

（三）传递过程阶段

到20世纪50年代，人们又发现，各单元操作之间还存在着共性。例如，传热、蒸发都有热量传递的共性，蒸馏、吸附、吸收、萃取都存在质量传递的共性。于是将单元操作归纳为动量传递、热量传递、质量传递。此即化工传递过程阶段。

（四）“三传一反”阶段

20世纪50年代中期，化学工程中出现了“化学反应工程学”这一新的分支。对化学反应器的研究，不仅要运用化学动力学与热力学原理，而且要运用动量传递、热量传递、质量传递原理。于是“传递过程”与“化学反应”成为当今化学工程学的两大支柱。简称“三传一反”阶段。

现代化工科学与技术阶段

现代化工科学与技术阶段于20世纪90年代产生。该阶段具有四大特征：

特征1。多层次（多尺度）传递、反应与结构转化：（1）微观层次（分子水平层次），（2）亚微观层次（纳米、界面层次），（3）介微观层次（泡、滴、粒、团层次），（4）宏观层次（设备、产品层次），（5）大宏观层次（大环境、全球可持续发展层次）。

特征2。传统化工与高新科技的交叉，产生新的学科研究方向和新的化工分支：（1）计算传递（流体力学、传热、传质）学，（2）可控化学反应工程，（3）分子设计催化剂，（4）新型分离科学与技术（超重力反应与分离技术），（5）高效多相反应器与流体混合新技术，（6）计算化学工程，（7）纳米材料先进制备技术，（8）现代化工检测技术。

特征3。化工学科与其他学科特别是新兴学科的交叉，产生新兴的交叉学科及新兴产业：（1）环境化学工程，（2）能源化学工程，（3）材料化学工程，（4）医药化学工程，（5）生物化学工程，（6）分子化学工程，（7）农业化学工程，（8）安全化学工程，（9）食品化学工程。

特征4。化工学科与化学学科相结合（理工融合），强化基础性研究：（1）能源、环境、化工新材料的基础研究，（2）材料化学与物理，（3）分子模拟与材料设计。