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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量守恒定律可知，在化工或制藥生產過程中，盡管物質的狀態隨著過程的進行不斷變化，但對某個指定系統或設備而言，如果是間歇的生產過程，輸入系統的物料總和等于輸出系統的物料總和以及積累在過程中的物料總和。對于連續式的生產過程，輸入系統的物料量等于輸出系統的物料量。

1.2能量衡算物質世界存在各種形式的能量，如熱能、機械能、化學能、電能、光能等。這些能量之間是可以發生轉換的，即可以從一種形式的能量轉變為另一種形式的能量，但能量的總和保持不變，這就是能量守恒定律。能量衡算的依據就是能量守恒定律。在化工生產和制藥過程中，常見的是熱能形式的交換，所以能量衡算就只是熱量衡算。在進行熱量衡算時，以0℃為基準，除了考慮隨物料進出系統的熱量外，還應考慮系統與周圍環境交換的熱量，如：系統向環境損失的熱量或外界向系統輸入的熱量。故在進行熱量衡算時必須把這兩部分熱量計算在內。

1.3過程的平衡與速率化工和制藥生產過程中的任何過程，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行的方向以及所能達到的極限。一個過程能否進行以及能進行到什么程度，其條件與規律只有通過對平衡關系研究來確定。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，只是因為兩流體放出熱量的速率與吸收熱量的速率相等，即處于動態的平衡過程。傳質過程也有類似的的情況。通常把某種過程進行時單位時間內的變化量稱為過程速率。

用以表示過程進行的快慢程度。過程的速率大小跟過程推動力呈正比，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力，從而提高過程速率。又如，流體的溫度差，濃度差，化學式差等凡是自發過程中有利于趨向平衡因素的都可以稱為過程推動力。在實際生產中，過程速率越大，設備生產能力就越大，或者在同樣生產能力下，設備尺寸的尺寸就越小。

2三種傳遞過程

物系內物理量自發的從高強度區向低強度區轉移的過程是自然界和生產中普遍存在的現象。對于物系的每一個具有強度性質的物理量如，速度、溫度、濃度等都存在著相對平衡的過程。當物系偏離平衡狀態時，就會發生某種物理量的轉移過程，使物系趨向于平衡狀態。如物系內濃度不均勻，物質就會從高濃度區向低濃度區傳遞。在化工和制藥生產過程，主要涉及的物料是流體和固體，所傳遞的物理量是動量、質量和能量。因此，涉及到的有：動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、結晶等；質量傳遞如吸收、蒸餾、萃取、干燥等三種傳遞過程。對這三種傳遞過程的原理及計算方法的研究是單元操作研究的基礎。在實際生產過程中，可能三種傳遞過程同時存在，也可能只存在其中一種或兩種。在研究傳遞過程時，通常按三種不同的尺度進行，即分子尺度、微團尺度和設備尺度。

2.1分子尺度上的研究考察分子運動所引起的動量、熱量和質量傳遞。以分子運動論的觀點，借助統計方法，確立傳遞規律，如粘性流體流動的牛頓粘性定律、熱傳導中的傅里葉定律和分子擴散中的菲克定律。與分子運動有關的物質的宏觀傳遞特性表示為粘度、熱導率和分子擴散系數等。2.2微團尺度上的研究考察流體微團運動所造成的動量、熱量和質量傳遞。常忽略流體分子內部的間隙。而將流體視為連續介質，從而使用連續函數的數學工具，從守恒原理出發，以微分方程的形式建立描述傳遞規律的連續性方程、能量方程和對流擴散方程。當流體作湍流運動時，與流體微團運動有關的傳遞特性表示為渦流粘度、渦流熱擴散系數和渦流擴散系數，但這些傳遞特性與流動狀況、設備結構等有關，不是流體的物性。

2.3設備尺度上的研究考察流體在設備中的整體流動所導致的動量、熱量和質量傳遞，以能量守恒和質量守恒原理為基礎，就一定范圍進行總體衡算，建立有關的代數方程。如液體攪拌過程中，攪拌槳所造成的大尺度環流。設備尺度上的傳遞特性表示為傳熱分系數和傳質分系數，以及有效(或當量)熱導率和有效擴散系數等。這些傳遞特性與流動條件直接有關，同樣也不是物系的物性。

3間歇操作與連續操作

化工及制藥生產過程，可以分為間歇式和連續式。所謂間歇式生產過程，是指在每次操作初始，投下一批物料，經過各種操作處理后，最后取出全部的產品，再重新投入下一批物料。小規模的生產多為間歇式生產過程。間歇式操作的的設備在不同時間，同一位置進行不同的操作步驟，因為設備的同一位置上的物料其壓強、溫度、流速隨時間而變。

連續式生產過程是連續進行的操作。原料源源不斷的從一端投入，另一端不斷地獲得產品。連續操作的設備在穩定連續過程中，其不同位置上的物料組成、溫度、壓強等參數不隨時間而變花。此外，化工原理的理論分析是建立在大量實驗基礎上的，因此，在其數學解析分析中，經常要借助實驗來進行。在化工原理課程的學習中，應掌握其基本知識和基本理論。培養學生從工程觀點出發提出、分析并解決各類相關問題的能力。

作者：劉恒坤黃莉潘雪單位：國防科學技術大學磁懸浮研究中心湖南中醫藥大學藥學院