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1單元操作中常用的基本概念

1.1物料衡算物料衡算由質(zhì)量守恒定律可知，在化工或制藥生產(chǎn)過程中，盡管物質(zhì)的狀態(tài)隨著過程的進(jìn)行不斷變化，但對(duì)某個(gè)指定系統(tǒng)或設(shè)備而言，如果是間歇的生產(chǎn)過程，輸入系統(tǒng)的物料總和等于輸出系統(tǒng)的物料總和以及積累在過程中的物料總和。對(duì)于連續(xù)式的生產(chǎn)過程，輸入系統(tǒng)的物料量等于輸出系統(tǒng)的物料量。

1.2能量衡算物質(zhì)世界存在各種形式的能量，如熱能、機(jī)械能、化學(xué)能、電能、光能等。這些能量之間是可以發(fā)生轉(zhuǎn)換的，即可以從一種形式的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式的能量，但能量的總和保持不變，這就是能量守恒定律。能量衡算的依據(jù)就是能量守恒定律。在化工生產(chǎn)和制藥過程中，常見的是熱能形式的交換，所以能量衡算就只是熱量衡算。在進(jìn)行熱量衡算時(shí)，以0℃為基準(zhǔn)，除了考慮隨物料進(jìn)出系統(tǒng)的熱量外，還應(yīng)考慮系統(tǒng)與周圍環(huán)境交換的熱量，如：系統(tǒng)向環(huán)境損失的熱量或外界向系統(tǒng)輸入的熱量。故在進(jìn)行熱量衡算時(shí)必須把這兩部分熱量計(jì)算在內(nèi)。

1.3過程的平衡與速率化工和制藥生產(chǎn)過程中的任何過程，都是由不平衡到平衡的變化過程(或者相反)。而平衡過程是過程進(jìn)行的方向以及所能達(dá)到的極限。一個(gè)過程能否進(jìn)行以及能進(jìn)行到什么程度，其條件與規(guī)律只有通過對(duì)平衡關(guān)系研究來確定。例如，利用一定溫度的熱流體與冷流體通過間壁式換熱器進(jìn)行熱交換，熱流體溫度不斷降低而冷流體溫度逐漸升高直至兩者溫度不再改變。從整體上看，傳熱過程已經(jīng)停止。但如果我們分別從吸熱和放熱的角度看，過程并沒有停止，只是因?yàn)閮闪黧w放出熱量的速率與吸收熱量的速率相等，即處于動(dòng)態(tài)的平衡過程。傳質(zhì)過程也有類似的的情況。通常把某種過程進(jìn)行時(shí)單位時(shí)間內(nèi)的變化量稱為過程速率。

用以表示過程進(jìn)行的快慢程度。過程的速率大小跟過程推動(dòng)力呈正比，而與過程阻力成反比，提高過程速率的途徑在于加大過程的推動(dòng)力和減小過程的阻力。例如，過濾過程中，增加壓力差增大推動(dòng)力，從而提高過程速率。又如，流體的溫度差，濃度差，化學(xué)式差等凡是自發(fā)過程中有利于趨向平衡因素的都可以稱為過程推動(dòng)力。在實(shí)際生產(chǎn)中，過程速率越大，設(shè)備生產(chǎn)能力就越大，或者在同樣生產(chǎn)能力下，設(shè)備尺寸的尺寸就越小。

2三種傳遞過程

物系內(nèi)物理量自發(fā)的從高強(qiáng)度區(qū)向低強(qiáng)度區(qū)轉(zhuǎn)移的過程是自然界和生產(chǎn)中普遍存在的現(xiàn)象。對(duì)于物系的每一個(gè)具有強(qiáng)度性質(zhì)的物理量如，速度、溫度、濃度等都存在著相對(duì)平衡的過程。當(dāng)物系偏離平衡狀態(tài)時(shí)，就會(huì)發(fā)生某種物理量的轉(zhuǎn)移過程，使物系趨向于平衡狀態(tài)。如物系內(nèi)濃度不均勻，物質(zhì)就會(huì)從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)傳遞。在化工和制藥生產(chǎn)過程，主要涉及的物料是流體和固體，所傳遞的物理量是動(dòng)量、質(zhì)量和能量。因此，涉及到的有：動(dòng)量傳遞如流體的輸送與壓縮、沉降、過濾、液體攪拌等；熱量傳遞如傳熱、蒸發(fā)、結(jié)晶等；質(zhì)量傳遞如吸收、蒸餾、萃取、干燥等三種傳遞過程。對(duì)這三種傳遞過程的原理及計(jì)算方法的研究是單元操作研究的基礎(chǔ)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，可能三種傳遞過程同時(shí)存在，也可能只存在其中一種或兩種。在研究傳遞過程時(shí)，通常按三種不同的尺度進(jìn)行，即分子尺度、微團(tuán)尺度和設(shè)備尺度。

2.1分子尺度上的研究考察分子運(yùn)動(dòng)所引起的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞。以分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)，借助統(tǒng)計(jì)方法，確立傳遞規(guī)律，如粘性流體流動(dòng)的牛頓粘性定律、熱傳導(dǎo)中的傅里葉定律和分子擴(kuò)散中的菲克定律。與分子運(yùn)動(dòng)有關(guān)的物質(zhì)的宏觀傳遞特性表示為粘度、熱導(dǎo)率和分子擴(kuò)散系數(shù)等。2.2微團(tuán)尺度上的研究考察流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)所造成的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞。常忽略流體分子內(nèi)部的間隙。而將流體視為連續(xù)介質(zhì)，從而使用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)工具，從守恒原理出發(fā)，以微分方程的形式建立描述傳遞規(guī)律的連續(xù)性方程、能量方程和對(duì)流擴(kuò)散方程。當(dāng)流體作湍流運(yùn)動(dòng)時(shí)，與流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)有關(guān)的傳遞特性表示為渦流粘度、渦流熱擴(kuò)散系數(shù)和渦流擴(kuò)散系數(shù)，但這些傳遞特性與流動(dòng)狀況、設(shè)備結(jié)構(gòu)等有關(guān)，不是流體的物性。

2.3設(shè)備尺度上的研究考察流體在設(shè)備中的整體流動(dòng)所導(dǎo)致的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞，以能量守恒和質(zhì)量守恒原理為基礎(chǔ)，就一定范圍進(jìn)行總體衡算，建立有關(guān)的代數(shù)方程。如液體攪拌過程中，攪拌槳所造成的大尺度環(huán)流。設(shè)備尺度上的傳遞特性表示為傳熱分系數(shù)和傳質(zhì)分系數(shù)，以及有效(或當(dāng)量)熱導(dǎo)率和有效擴(kuò)散系數(shù)等。這些傳遞特性與流動(dòng)條件直接有關(guān)，同樣也不是物系的物性。

3間歇操作與連續(xù)操作

化工及制藥生產(chǎn)過程，可以分為間歇式和連續(xù)式。所謂間歇式生產(chǎn)過程，是指在每次操作初始，投下一批物料，經(jīng)過各種操作處理后，最后取出全部的產(chǎn)品，再重新投入下一批物料。小規(guī)模的生產(chǎn)多為間歇式生產(chǎn)過程。間歇式操作的的設(shè)備在不同時(shí)間，同一位置進(jìn)行不同的操作步驟，因?yàn)樵O(shè)備的同一位置上的物料其壓強(qiáng)、溫度、流速隨時(shí)間而變。

連續(xù)式生產(chǎn)過程是連續(xù)進(jìn)行的操作。原料源源不斷的從一端投入，另一端不斷地獲得產(chǎn)品。連續(xù)操作的設(shè)備在穩(wěn)定連續(xù)過程中，其不同位置上的物料組成、溫度、壓強(qiáng)等參數(shù)不隨時(shí)間而變花。此外，化工原理的理論分析是建立在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的，因此，在其數(shù)學(xué)解析分析中，經(jīng)常要借助實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行。在化工原理課程的學(xué)習(xí)中，應(yīng)掌握其基本知識(shí)和基本理論。培養(yǎng)學(xué)生從工程觀點(diǎn)出發(fā)提出、分析并解決各類相關(guān)問題的能力。

作者：劉恒坤黃莉潘雪單位：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)磁懸浮研究中心湖南中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院