單元過程:分類,常用概念,物料衡算,能量衡算,物系的平衡關係,傳遞速率,經濟核算,

各種產品的生產過程中，使用著各種各樣的物理化學加工過程。根據它們的操作原理，可以歸納為套用較廣的數個基本過程，如流體輸送、攪拌、沉降、過濾、熱交換、蒸發、結晶、吸收、蒸餾、萃取、吸附以及乾燥等。這些過程稱為單元過程。

任何一種化工產品的生產過程，都是由若干單元過程及化學反應過程組合而成的。每個單元過程，都是在一定的設備中進行的。

基本介紹

中文名：單元過程
外文名：unit process
過程種類：流體流動、傳熱、傳質

分類,常用概念,物料衡算,能量衡算,物系的平衡關係,傳遞速率,經濟核算,幾種常用的單元過程,流體流動,吸收,蒸餾,傳熱,

分類

單元過程按其理論基礎可分為下列三類：

（1）流體流動過程（fluid flow process）包括流體輸送、攪拌、沉降、過濾等。

（2）傳熱過程（heat transfer process）包括熱交換、蒸發等。

（3）傳質過程（madd transfer process）包括吸收、蒸餾、萃取、吸附、乾燥等。

常用概念

在研究化工單元過程時，經常用到下列五個基本概念，即物料衡算、能量衡算、物系的平衡關係、傳遞速率及經濟核算等。

物料衡算

依據質量守恆定律，進入與離開某一化工過程的物料質量之差，等於該過程中累積的物料質量，即：輸入量－輸出量=累積量。

對於連續操作的過程，若各物理量不隨時間改變，即牌穩定操作狀態時，過程中不應有物料的積累。則物料衡算（material balance）關係為：輸入量=輸出量。

能量衡算

能量衡算（energy balance）的依據是能量守恆定律。熱量衡算的步驟與物料衡算的基本相同。

物系的平衡關係

平衡狀態是自然界中廣泛存在的現象。平衡關係（equilibrium relation）可以用來判斷過程能否進行，以及進行的方向和能達到的限度。

傳遞速率

過程的傳遞速率（rate of transfer process）與推動力成正比，與阻力成反比。

經濟核算

為生產定量的某種產品所需要的設備，根據設備的型式和材料的不同，可以有若干設計方案。對同一台設備，所選用的操作參數不同，會影響到設備費與操作費。因此，要用經濟核算確定最經濟的設計方案。

幾種常用的單元過程

流體流動

流體流動時，其內部發生動量傳遞（momentum transfer），故流體流動過程也稱為動量傳遞過程。流體流動的基本原理，不僅是流體輸送、攪拌、沉降及過濾的理論基礎，也是傳熱與傳質過程中各單元過程的理論基礎，因為這些單元過程中的流體都處於流動狀態。傳熱的基本原理，不僅是熱交換和蒸發的理論基礎，也是傳質過程中某些單元過程（例如乾燥）的理論基礎。因為乾燥操作中，不僅有質量傳遞而且有熱量傳遞。因此，流體力學、傳熱及傳質的基本原理是各單元過程的理論基礎。

吸收

在化工生產中，通常會遇到均相物系混合物的分離問題，即將這些混合物分離為較淨或幾乎純態的物質。利用原物系中各組分間某種物性的差異，從而將均相物系形成一個兩相物質，達到分離的目的。物質在相間的轉移過程稱為物質傳遞過程（簡稱傳質過程）。化學工業中常見的傳質過程有蒸餾、吸收、乾燥、萃取和吸附等單元過程。

利用氣體中各組分在液相中溶解的差異而分離氣體混合的操作稱為吸收。所用液體稱為吸收劑（或溶劑）。氣體中被溶解的組分稱為吸收質或溶質。不被溶解的組分稱為惰性氣體或載體。

吸收操作是化學工業常用的分離方法，主要用於下列幾方面：

（1）分離和淨化原料氣。

（2）分離和吸收氣體中的有用組分。

（3）某些產品的製取。如制酸工業中用水分別吸收混合氣體中的HCl、SO₃和NO₂製取鹽酸、硫酸和硝酸。

（4）廢氣的治理。生產過程中排放的廢氣往往含有對人體和環境有害的物質，如SO₂、H₂S等這類環境保護問題已愈來愈受重視。

蒸餾

蒸餾是分離液體混合物的一種方法，是傳質過程中最重要的單元過程之一，蒸餾的理論依據是利用溶液中各組分蒸汽壓的差異，即各組分在相同的壓力、溫度下，其探發性能不同（或沸點不同）來實現分離目的。例如，加熱苯（沸點80.2℃）和甲苯（沸點110.4℃）的混合物時,由於苯的沸點較甲苯為低,即苯揮發度較甲苯高,故苯較甲苯易從液相中汽化出來。若將汽化的蒸汽全部冷凝，即可得到苯組成高於原料的產品，依此進行多次汽化及冷凝過程，即可將苯和甲苯分離。這多次進行部分汽化成部分冷凝以後，最終可以在汽相中得到較純的易揮發組分，而在液相中得到較純的難揮發組分，這叫精餾（rectification）。

在工業中，廣泛套用蒸餾方法分離液體混合物，從石油工業、酒精工業直至焦油分離，基本有機合成，空氣分離等等，常常採用蒸餾分離方法，特別是大規模的生產中蒸餾的套用更為廣泛。

蒸餾按操作可分為簡單蒸餾、平衡蒸餾、精餾、特殊精餾等多種方式。按原料中所含組分數目可分為雙組分蒸餾及多組分蒸餾。按操作壓力則可分為常壓蒸餾、加壓蒸餾、減壓（真空）蒸餾。此外，按操作是否連續蒸餾和間歇蒸餾。工業中的蒸餾多為多組分精餾。

傳熱

傳熱是一種複雜現象。從本質上來說，只要一個介質內或者兩個介質之間存在溫度差，就一定會發生傳熱。我們把不同類型的傳熱過程稱為傳熱模式。物體的傳熱過程分為三種基本傳熱模式，即：熱傳導、熱對流和熱輻射。

熱傳導，指在物質在無相對位移的情況下，物體內部具有不同溫度、或者不同溫度的物體直接接觸時所發生的熱能傳遞現象。固體中的熱傳導是源於晶格振動形式的原子活動。非導體中，能量傳輸只依靠晶格波（聲子）進行；在導體中，除了晶格波還有自由電子的平移運動。

對流傳熱，又稱熱對流，是指由於流體的巨觀運動而引起的流體各部分之間發生相對位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程。對流傳熱可分為強迫對流和自然對流。強迫對流，是由於外界作用推動下產生的流體循環流動。自然對流是由於溫度不同密度梯度變化，重力作用引起低溫高密度流體自上而下流動，高溫密度流體自下而上流動。

熱輻射，是一種物體用電磁輻射的形式把熱能向外散發的傳熱方式。它不依賴任何外界條件而進行，是在真空中最為有效的傳熱方式。不管物質處在何種狀態（固態、氣態、液態或者玻璃態），只要物質有溫度（所有物質都有溫度），就會以電磁波（也就是光子）的形式向外輻射能量。這種能量的發射是由於組成物質的原子或分子中電子排列位置的改變所造成的。

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