化工单元操作 第2版

前言

“化工原理”是化工类和材料、制药、轻工、生物、环境等工科专业学生必修的一门基础课程。我国不少高校已编写出版了各具特色的优秀的《化工原理》教材，但大多数教材篇幅都较大，其深广度和教学侧重点与应用型本科的要求不尽相同。

本书是遵照上海市关于上海市高校“应用型本科专业建设”的要求，为适应应用型本科层次的学生学习化工原理而编写的教材。可作为高等院校化工及有关专业的教材，也可作为高职高专职业教育化工原理课程的教学参考用书。依据培养在生产线工作的应用型人才的目标需要而编写，总内容能够适应110～120的教学课时。在立足清晰阐明基本概念和基础理论的基础上，力求内容简明扼要，学以致用，重点介绍化工生产中普遍应用的多种化工单元操作，从生产现场实况出发，以提出问题—分析问题—解决问题的认知顺序，结合例题和案例，由感性到理性组织内容。同时强调工程观念，注重与实践相联系，加入了一些与实际操作相关的内容，并强调化工安全及环保的理念。对某些尚欠成熟的理论，暂不详论或仅指出其由来及趋向，以确保教材之侧重点，亦激发学生继续探索求知的兴趣。

本次修订，更正了版中遗留的疏漏和不足;对部分习题进行了更新;加配了部分过程原理、重点单元设备原理及结构的动画或者视频,可通过扫描二维码观看，同时配套了教学课件与课后习题解答，方便任课教师使用。

本书由陈桂娥、俞俊、顾静芳、叶静任主编。参与修订的教师包括陈桂娥(绪论、第3章、第8章、第9章、附录)，俞俊(第1章、第2章)，顾静芳(第6章、第7章)，叶静(第4章、第5章)。此次修订是在版基础上完成的，在此向为版作出贡献的苏友福老师、石勇老师表示衷心的感谢。另外在修订过程中也得到了薛招腾老师、孟涛老师、姜静娴老师的帮助，在此一并感谢。

由于编者学识水平所限，书中存在疏漏和不足之处在所难免，恳请专家和读者批评指正。

编者

2022年4月

版前言

“化工原理”是化工类和材料、制药、轻工、生物、环境等工科专业学生必修的一门基础课程。我国不少高校已编写出版了各具特色的优秀的《化工原理》教材，但大多数教材篇幅都较大，其深广度和教学侧重点与应用型本科的要求不尽相同。

《化工单元操作》是遵照上海市关于上海市高校“应用型本科专业建设”的要求，为适应应用型本科层次的学生学习化工原理而编写的教材。依据本层次是培养在生产线工作的应用型人才的目标需要，并为适应教学课时(110～120)，本书在立足清晰阐明基本概念和基础理论的基础上，力求内容简明扼要，学以致用，重点介绍化工生产中普遍应用的多种化工单元操作，从生产现场实况出发，以提出问题—分析问题—解决问题的认知顺序，结合实用实例和例题，由感性到理性组织教材，强调工程观念，注重实践问题分析，并强调化工安全及环保的理念，对某些尚欠成熟的理论，暂不详论或仅指出其由来及趋向，以确保教材之侧重点，亦激发学生继续探索求知的兴趣。

《化工单元操作》可作为高等院校化工及有关专业的教材，也可作为高职高专职业教育的化工原理课程的教学参考用书。

本书由陈桂娥、俞俊、石勇、顾静芳任主编。绪论、第3章、第8章、第9章、附录由陈桂娥编写，第1章、第2章由俞俊编写，第4章、第5章由石勇编写，第6章、第7章由顾静芳编写。在编写过程中，得到了苏友福老师的大力支持和帮助，毛海舫教授对本书的内容选取与编排处理提出了许多中肯的宝贵意见和建议，研究生孔亚芳对此书的编排提供很多帮助，在此一并表示感谢。由于编者学识水平所限，书中不妥之处在所难免，恳请读者批评指正。

编者

2018年5月

《化工单元操作》第二版是遵照上海市关于“应用型本科专业建设”教材的要求，为应用型本科层次《化工原理》课程编写的教材。以培养在生产线的应用型人才为目标，本教材介绍化工生产中基础的理论和普遍应用的化工单元操作——流体流动和流体输送、分离、传热、蒸发、吸收、蒸馏、萃取、干燥，力求内容简明扼要，学以致用。关键的操作单元和设备还配了视频资源，可通过扫描二维码查看。《化工单元操作》第二版可作为应用型本科和高职类院校化工、制药、材料、环境、轻工等专业《化工原理》课程的教材，也可供相关专业的科研和企业技术人员参考阅读。

《化工单元操作》第二版是遵照上海市关于“应用型本科专业建设”教材的要求，为应用型本科层次《化工原理》课程编写的教材。以培养在生产第一线的应用型人才为目标，本教材介绍化工生产中最基础的理论和普遍应用的化工单元操作——流体流动和流体输送、分离、传热、蒸发、吸收、蒸馏、萃取、干燥，力求内容简明扼要，学以致用。关键的操作单元和设备还配了视频资源，可通过扫描二维码查看。《化工单元操作》第二版可作为应用型本科和高职类院校化工、制药、材料、环境、轻工等专业《化工原理》课程的教材，也可供相关专业的科研和企业技术人员参考阅读。

陈桂娥，上海应用技术学院化学与环境学院，教授，教研室主任，主要教学经历：1993-现在上海应用技术学院从事“化工原理”、“化工原理实验”、“化工课程设计”、“生产实习”和“认识实习”等课程教学工作。论文：[1] Gui-E Chen, Li Sun, Zhen-Liang Xu, Hu Yang, Hui-Hong Huang, and Yan-Jun Liu. Surface modification of poly (vinylidene fluoride) membrane with hydrophilic and anti-fouling performance via a two-step polymerization. KoreanJ. Chem. Eng., DOI: 10.1007/s11814-015-0105-z[2] Gui-E Chen, Yan-Jun Liu, Zhen-Liang Xu, Deng Hu, Hui-Hong Huang, Li Sun. Preparation and characterization of the composite nanofiltration membrane from cyclen and Trimesoyl Chloride by interfacial polymerization. J ApplPolymSci, 20150411. DOI: 10.1002/APP.42345[3] Gui-E Chen, Yan-Jun Liu, Zhen-Liang Xu, Yong-Jian Tang, Hui-Hong Huang, Li Sun. Fabrication and characterization of a novel nanofiltration membrane by the interfacial polymerization of 1,4-Diaminocyclohexane (DCH) and trimesoyl chloride (TMC).RSC Advances, 2015, 5(51):40742-40752. DOI:10.1039/C%RA02560E专利：[1] 1,4,7,10-四氮杂环十二烷及其纳滤膜的制备方法. 专利，201410573813X[2] 一种羧基化氧化石墨烯/聚偏氟乙烯复合超滤膜及制备方法. 专利，2014102411959[3] 一种改性聚偏氟乙烯微孔膜的制备方法. 专利，2014105770722[4] 一种抗污染亲水性聚偏氟乙烯膜的改性方法. 专利，2014102534446[5] 大分子疏水性单体聚四氢呋喃二丙烯酸酯及其制备方法. 专利，2014101020731

绪论1

0.1课程内容和任务1

0.2单元操作的分类和特点1

0.2.1单元操作的分类1

0.2.2单元操作的特点2

0.3常用的研究方法2

0.4常用的基本概念3

0.5单位与单位换算4

0.5.1SI制(国际单位制)4

0.5.2工程单位制和英单位制5

0.5.3物理量单位换算5

0.6量纲和经验公式变换6

0.6.1量纲6

0.6.2经验公式变换6

思考题7

习题8

第1章流体流动9

本章符号说明9

1.1流体性质和管道设计10

1.1.1流体的物理性质10

1.1.2管径计算与选择12

1.1.3连续稳态流动流体的物料衡算13

1.1.4化工常用管子、管件和阀门14

1.2流体流动系统中的机械能衡算16

1.2.1流体机械能衡算式16

视频：伯努利方程的物理意义17

1.2.2流体静力学17

1.2.3管内流体机械能损失的测定21

1.2.4满足输送要求的位差或压差确定21

1.2.5输送机械提供能量的计算22

1.2.6流量测量24

1.3管内流体流动的机械能损失26

1.3.1流体流动类型和雷诺数26

1.3.2层流的摩擦阻力28

1.3.3量纲分析法分析机械能损失29

1.3.4局部摩擦阻力损失32

1.3.5管路系统中总机械能损失的计算33

1.3.6阻力对管内流体流动的影响35

1.4管路的安装与操作37

1.5管路计算及案例分析37

1.5.1简单管路计算38

1.5.2复杂管路计算39

思考题41

习题43

第2章流体输送机械47

本章符号说明47

2.1离心泵48

2.1.1离心泵的工作原理48

视频：离心泵48

视频：离心泵的气缚48

2.1.2离心泵的性能参数49

2.1.3离心泵的工作点与流量调节51

2.1.4离心泵类型和选用53

2.1.5离心泵的吸上高度54

视频：离心泵的汽蚀55

2.2化工中常用的其他类型泵57

2.2.1往复泵57

视频：齿轮泵58

2.2.2旋转泵58

2.2.3旋涡泵59

2.3化工中常用的气体输送机械60

2.3.1离心式通风机60

2.3.2离心式鼓风机和离心式压缩机64

2.3.3旋转式鼓风机和旋转式压缩机64

视频：罗茨鼓风机工作原理64

2.3.4往复式压缩机65

视频：往复式压缩机的工作原理65

2.3.5真空泵66

视频：水环真空泵67

2.4离心泵的操作67

2.4.1离心泵的使用67

2.4.2日常维护68

2.5案例分析69

思考题70

习题70

第3章过滤与沉降72

本章符号说明72

3.1化工中的过滤操作和常用设备73

3.1.1板框压滤机73

视频：板框过滤机的工作原理73

3.1.2叶滤机74

3.1.3转筒真空过滤机75

视频：转筒真空过滤机76

3.1.4离心过滤机76

3.2过滤过程的工艺计算77

3.2.1过滤的速度方程77

3.2.2过滤过程的物料衡算78

3.2.3恒压过滤时间与滤液的关系79

3.2.4过滤常数的测定80

3.2.5洗涤过程的计算82

3.2.6过滤机生产能力83

3.3重力沉降86

3.3.1重力沉降速度86

3.3.2影响沉降速度的其他因素89

3.3.3降尘室90

视频：降尘室的工作原理90

3.3.4沉降槽91

3.3.5分级器92

3.4离心沉降93

3.4.1惯性离心力作用下的沉降速度94

3.4.2旋风分离器95

视频：旋风分离器95

3.5板框压滤机的操作99

3.5.1开车前的准备99

3.5.2开停车步骤99

3.5.3事故分析99

3.6案例分析101

3.6.1案例1101

3.6.2案例2102

思考题103

习题104

第4章传热106

本章符号说明106

4.1化工中的传热操作及常用换热设备107

4.1.1夹套换热器107

4.1.2蛇管换热器108

4.1.3喷淋式换热器108

4.1.4套管换热器108

视频：套管换热器工作状态109

4.1.5列管式换热器109

视频：固定管板式换热器结构109

视频：浮头式换热器110

视频：U形管式换热器110

4.1.6平板式换热器110

视频：平板式换热器110

4.1.7螺旋板式换热器111

视频：螺旋板式换热器111

4.1.8翅片管换热器111

4.1.9板翅式换热器111

4.2载热体和间壁式换热器的热量衡算112

4.2.1化工中常用载热体112

4.2.2换热器热负荷计算114

4.2.3间壁换热器的传热速率与热流密度115

4.3热传导115

4.3.1导热基本方程式115

4.3.2热导率116

4.3.3平壁的定态导热116

4.3.4圆筒壁的定态导热118

4.4对流传热120

4.4.1对流传热方程式120

4.4.2影响对流传热(给热)系数的主要因素120

4.4.3传热过程中常用到的准数121

4.4.4流体管内强制对流的传热系数关联式121

4.4.5流体管外强制对流的传热系数关联式123

4.4.6蒸气冷凝时的对流传热系数125

4.4.7液体沸腾时的传热系数126

4.5间壁式换热器的传热计算128

4.5.1传热平均温度差Δtm的计算128

4.5.2总传热系数132

4.5.3传热面积的计算与操作核算135

4.5.4传热单元数法137

4.5.5非定态传热计算示例140

4.5.6列管式换热器的选用142

4.6辐射传热145

4.6.1物体对热辐射的性能表现145

4.6.2物体的辐射能力146

4.6.3物体间的辐射传热147

4.6.4辐射和对流的联合传热148

4.6.5保温层材料的选择149

4.7传热的操作150

4.7.1传热操作的开工准备150

4.7.2传热操作的开停车151

4.7.3传热操作的故障及处理152

4.7.4传热操作的日常维护和检修152

4.7.5传热操作的安全技术152

4.8案例分析153

4.8.1案例1153

4.8.2案例2156

思考题158

习题159

第5章蒸发161

本章符号说明161

5.1化工中的蒸发操作及常用蒸发设备162

5.1.1循环式蒸发器163

5.1.2单程型蒸发器164

5.2蒸发过程溶液沸点的确定166

5.2.1因溶质存在溶液蒸气压下降而引起的沸点升高166

5.2.2因液柱压头引起的溶液沸点升高168

5.2.3因流动阻力产生压降引起的沸点升高168

5.3单效蒸发的计算169

5.3.1物料衡算169

5.3.2热量衡算169

5.3.3蒸发器传热面积的计算170

5.3.4蒸发操作的调节172

5.4多效蒸发及提高加热蒸汽利用率的其他措施174

5.4.1多效蒸发的流程174

5.4.2多效蒸发与单效蒸发的比较174

5.4.3多效蒸发的效数限制175

5.4.4引出额外蒸汽为他用热源176

5.4.5热泵蒸发176

5.4.6冷凝水自蒸发的应用177

5.5蒸发的操作177

5.5.1蒸发操作的开工准备177

5.5.2蒸发操作的开停车178

5.5.3蒸发操作的故障及处理179

5.5.4蒸发操作的安全技术179

5.6案例分析179

5.6.1案例1180

5.6.2案例2181

思考题182

习题183

第6章吸收184

本章符号说明184

6.1化工中的吸收操作185

6.1.1吸收分离的依据185

6.1.2吸收操作的分类186

6.1.3吸收操作在化工中的应用186

6.1.4吸收操作的流程186

6.1.5吸收剂选择原则188

6.1.6吸收操作需要解决的基本问题188

6.2气液相平衡188

6.2.1气体在液体中的溶解度188

6.2.2亨利定律189

6.2.3气液相平衡在吸收中的应用191

6.3吸收过程速率192

6.3.1吸收机理192

6.3.2吸收速率方程192

6.3.3总吸收系数与膜系数关系194

6.4吸收塔计算195

6.4.1吸收塔物料衡算195

6.4.2吸收剂用量的确定196

6.4.3填料层高度的基本计算式198

6.4.4传质单元高度概念199

6.4.5传质单元数的解析计算199

6.4.6传质单元数的其他求解法202

6.4.7吸收的操作型计算示例204

6.4.8解吸塔的计算207

6.4.9理论塔板数的计算209

6.5填料塔209

6.5.1填料塔的结构与操作209

6.5.2填料特性209

视频：填料塔209

6.5.3常用填料210

6.5.4气、液两相逆流通过填料层的流动状况212

视频：填料塔工作原理212

6.5.5填料塔直径的计算213

6.5.6填料塔的主要附件215

6.6吸收塔的操作和调节217

6.7吸收塔的操作技术218

6.7.1装填料218

6.7.2设备的清洗机填料的处理219

6.7.3系统