化工专业英语

化学工程与工艺专业英语化工系陈中胜

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Unit 10 What Is Chemical Engineering ?

第十单元什么是化学工程？

广义上，工程可以定义为某一特殊工业所用的技术和设备的科学描述。例如机械工程指的

是，机械制造所用的技术和设备（的描述）。机械工程主要是以机械力为基础，机械力用于改

变工作物质的外表或物理性质，而其化学性质不变。化学工程以高度复杂的化学或物化现象为

基础，包括原料的化学处理过程。

因此，化学工程是工程的一个分支学科，主要研究工业化学过程中工厂和机械的设计、制

造和操作。

首先，化学工程是以化学为基础的，例如，物理化学、化工热力学以及化工动力学。然而，

尽管如此，它不只是简单地复制这些学科的研究结果，而是将这些研究结果应用于大众化学品

的处理。化学的任务的目标是，去寻找操作最经济的用途，去设计最合适该操作的商业设备和

辅助设备。因此，化学工程，如果没有与经济学、物理学、数学、控制论、应用机械学和其他

技术科学的紧密联系，就难以想象。

在早期（或者在化学工程发展初期），化学工程主要是一门描述性的学科。许多有关化学

工程较早的书籍和手册都是当时商业生产过程的百科全书。科学和工业方面的进步使得化学品

生产的数量剧增。例如，如今石油可以生产大约八万种化学品。一方面（是由于）化学过程的

扩展，另一方面（是由于）化学和技术学科的进步，使得化学工业为化学处理打下了理论基础

成为可能。

随着化学过程工业的进步，新的资料（data）、新的关系以及新的法则增加到化学工程的

内容，许多分支学科有它们自己的理由从化学工程学科的主流中分离出来，如过程和工厂设计、

自动化、化学过程模拟和建模等等。

1．（化学工程的）总的历史轮廓（outline）

综观历史，化学工程是同化学过程工业是分不开的。在其发展初期，随着早期化学贸易到

来时所形成的化学工程，纯粹是应用化学描述性的分支。

在欧洲，基本化学产品制造似乎开始于15 世纪，那时成立了小型的特殊的商业部以生产

酸、碱、盐和一些有机化合物。

因为在英国十九世纪的所有的学术化学家强调优先研究纯粹化学而不是应用化学，所以他

们的那些成为化学家的学生只不过是一些定性和定量的分析人员。在19 世纪80 年代以前，德

国的化学公司也是如此，这些化学公司还是满足于留住那些在大学里从事研究的学术顾问以及

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那些偶尔为生产制造革新提供资料的学术顾问。然而，到了19 世纪80 年代，产业革命家开始

注

意到，学术顾问的实验室制备和合成的规模放大和实验室研究的活动大不相同。可能是因为

那些在极其复杂的工业中从事于蒸汽机和泵维修工作的机械工程师，似乎最能理解所涉及到

的过程，因此他们开始将放大的问题及其解决方法视为化学方程。头和手的学术两方法逐渐消

失。？

单元操作在英国，于1881 年有人试图将新的化学工业协会命名为“化学工程协会”，但

该提议遭到了拒绝。另一方面，来自工业部门的不断增长的压力所引起的结果是，技术研究机

构（technical institution）的(curricula)课程开始反映了对化学工程师的需要而不是对有能力的

（analysts）分析人员的需要。现有工业过程的简单描述再也不能满足要求。相反，（人们）期

望着，(generic：类的，属的)类似于各种具体的工业过程能得到分析，这样为热力学前景的引

入（introduction），以及关于动力学、溶液和相的新物理化学的开设留有了很大的余力。

在这一转换过程中的一个关键人物是George Davis， 他是化学顾问，是化学工业协会的

首任秘书。在1887 年，Davis 当时是曼彻斯特技术学校的讲师，他对化学工程做了一系列的

讲座，把化学工程定义为“机械和工厂应用于大规模化学活动”的研究。（化学工程）这门课程

主要以大规模的工业操作（如干燥、粉碎、蒸馏、发酵、蒸发和结晶）为中心，作为课程的一

种模式逐渐得到了认可，不但在英国，而且在国外也是如此。尽管在美国早在1888 年麻省理

工学院的Lewis Norton (pioneer)开设了（开创地设置）了一门戴维斯类型的课程，但是在英国

化学工程的第一门成熟的课程直到1909 年才引入。

1915 年，Althur D. Little，在一个关于麻省理工学院规划的报告中，将化学工程当作是“单

元操作”的研究，这种观点囊括了20 世纪化学工程学科的显著特征。Davis 提法成功的原因

显而易见：该说法避免了揭露由专利或技术所有者的沉默（reticence）所保护的具体化工过程

的机密，在过去这些因素严重地阻止了制造商去资助（training）培训的学术项目。Davis 利用

将化学工业转变为可以独立研究的（separate）分离现象而克服了这一困难，同时他也在大学

的中试工厂或技术大学车间的进行研究工作。

实际上Davis 运用了工业顾问的职业道德/规矩，借以把实践经验传播于各车间和各个过

程间，这种方式不会泄密那些对一指定工厂的利润作出贡献的秘密或具体知识。这种方传播式

的秘密或具体的知识单元操作二概念认为，任何化工制造过程都能分解为相同的操作，如粉碎、

干燥、煅烧和电解，等等。这样，例如松节油制造的某个具体方

面的学术上理论研究，可以用

蒸馏的普通研究可以来替代，蒸馏是许多其它工业中常见的一种过程。单元操作概念的定量形

式大概于出现于1920 年，那时正值该国（指美国）第一次汽油危机。化学工程师定性表征单

元操作（如蒸馏）的能力考虑到了第一个现代石油精炼厂的理性设计。在石油工业中化学工程

师这一职业第一次兴旺开始了。（或者开始第一次成为紧俏的职业。）

在单元操作（intensive 密集）快速发展的这一个时期中，化学工程分析的其他传统工具开

始被采用或得到了广泛的开发，这些工具包括过程的物料和能量平衡的研究以及多组分体糸基

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础热力学的研究。

化学工程师在帮助美国及其盟军赢得二战发挥了关键作用。他们开发了天然橡胶资源的人

造橡胶的合成路线，天然橡胶资源在战争早期已经落于日本的手中。他们提供了建立原子弹所

必要的“U-235”，通过一步法将u-235 生产过程从实验室生产放大到曾经所建立的最大的工业

化工厂。他们对优化青霉素的生产方面的帮助很大，青霉素生产挽救了成千上万的受伤士兵的

生命。

工程学科的运动（movement） 化学工程师不满足于过程设备名性能的经验描述，他们

开始从更加基础的观点重新研究单元操作。发生于单元操作中的现象可以由分子运动来解释。

这些运动的定量机械模型得到了开发，并用于分析现有的设备。过程和反应器的数学模型得到

了开发并应用于资本密集型的美国工业，例如商品石油化学品。

在工程科学运动发展的同时，伴随着以目前形式存在的核心化学工程课程的进化。核心课

程的发展快于其它的工程学科发展，化学工程师在解决复杂问题时有信心将其它学科知识结合

起来，核心课程正是造成他们有信心的原因。

核心课程在一些基础科学包括数学、物理和化学中提供知识背景。在从事以化学工程为中

心课题的严格研究时，这些背景知识是有必要的，这些背景包括：

. 多组分体系热力学和动力学

. 传递现象

. 单元操作

. 反应工程

. 过程设计和控制以及

. 工厂设计和系统工程

这方面知识的锻炼使化学工程在许多交叉学科的领域里成为主要的贡献者（作出了主要的

贡献），这些交叉学科包括：催化胶体科学和技术、燃烧、电化学工程以及聚合物科学和技术。

2．化学工程的基本趋势

要将来的几年内，智力的进步，技术（technologic）的挑战以及经济的驱动力这三方面的

交汇（共同作用），将会形成化学工程学科是什么以及化学工程从事什么方面的工作的一种新

的模式。

化学工程所关注的

（焦点），一直是改变物料的物理状态和化学组成的工业过程。化学工

程师从事（engage in）过程的合成、设计、放大测试、操作、控制及其优化。他们所研究的问

题的规模和复杂程度的传统水平用专用名词“中等尺度”来表示，中等规模的实例包括单个过程

（单元操作）的反应器和设备以及生产工厂中各单元操作的组合。未来的中等尺度研究，由微

观尺度和极端复杂体系的宏观尺度将不断得到补充。

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末来的化学工程师，与其他任何的工程分支学科相比，将综合更广泛的研究规模。例如，

一些工程师在从事工作时，要将环境的宏观尺度与燃烧体系的中等尺度、分子反应和传递的微

观尺度联系起来。其它的工程师工作要将合成的（composite）飞机的宏观性能与形成机翼的

化学反应器的中等尺度联系起来，该反应器的设计可能受复杂（complex）液体的微观动力学

研究的影响。

因此，未来的化学工程师将能设计并严格地解决小到微观尺度大到宏观尺度范围问题。他

们将从其它学科（分子生物学、化学、固态物理学、材料学和电气（electrical）工程中为研究

和实践带来的新的研究工具和洞察力（insight）。同时，在解决问题时，在产品和过程设计以

及生产过程中，他们越来越多地使用计算机、人工智能和专家系统。

化学工程学科的蓝图包括两个重要的发展（development）。

. 化学工程师将越来越更加积极参与作为过程设计补充的产品设计。随着产品的性能特

征与其生产方式联系日益紧密，产品和过程设计的传统区别将变得模糊不清。在那些生产专有

的（proprietary）、特异（differentiated）产品（专门用于严格的性能规格（specification））的

已建好和即将兴起（emerging）的工业中，将存在着一种特殊的设计挑战。因为这些产品在市

场上很快被较新的产品所代替，所以它们具有快速革新的特点。

. 化学工程师将会经常参加多学科（multidisplinary/nterdisplinary）的研究活动。化学工

程与化学学科，尤其是与工业间跨学科的研究硕果累累，历史悠久（意译）。因为如化学、分

子生物、生物医学以及固态物理学之类的学科为将来的技术提供了希望，所以化学工程作为一

门工程学科与分子科学的最紧密联系的地位是一种宝贵的财产。化学工程作为一门“界面学科”

发展前途光明，它会架起多学科环境中的科学和技术的桥梁，在多学科环境中新技术将会产生。

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Unit 11 Chemical and Process Thermodynamics

第十一单元化工热力学

在投入大量的时间和精力去研究一个学科

时，有理由去问一下以下两个问题：该学科是什

么？（研究）它有何用途？关于热力学，虽然第二个问题更容易回答，但回答第一个问题有必

要对该学科较深入的理解。（尽管）许多专家或学者赞同热力学的简单而准确的定义的观点（看

法）值得怀疑，但是还是有必要确定它的定义。然而，在讨论热力学的应用之后，就可以很容

易完成其定义

1．热力学的应用

热力学有两个主要的应用，两者对化学工程师都很重要。

（1）与过程相联系的热效应和功效应的计算，以及从过程得到的最大功或驱动过程所需

的最小功的计算。

（2）描述处于平衡的系统的各变量之间的关系的确定。

第一种应用由热力学这个名词可联想到，热力学表示运动中的热。直接利用第一和第二定

律可完成许多（热效应和功效应的）计算。例如：计算压缩气体的功，对一个完整过程或某一

过程单元的进行能量衡算，确定分离乙醇和水混合物所需的最小功，或者（evaluate）评估一

个氨合成工厂的效率。

热力学在特殊体系中的应用，引出了一些有用的函数的定义以及这些函数和其它变量（如

压强、温度、体积和摩尔分数）关系网络的确定。实际上，在运用第一、第二定律时，除非用

于评价必要的热力学函数变化已经存在，否则热力学的第一种应用不可能实现。通过已经建立

的关系网络，从实验确定的数据可以计算函数变化。除此之外，

某一体系中变量的关系网络，可让那些未知的或者那些难以从变量（这些变量容易得到或

较易测量）中实验确定的变量得以计算。例如，一种液体的汽化热，可以通过测量几个温度的

蒸汽压和几个温度下液相和汽相的密度得以计算；某一化学反应中任一温度下的可得的最大转

化率，可以通过参与该反应的各物质的热量法测量加以计算。

2. 热力学的本质

热力学定律有这经验的基础或实验基础，但是在描述其应用时，依赖实验测量显得很明显

（stand out 突出）。因此，热力学广义上可以定义为：拓展我们实验所得的体系知识的一种手

段（方法），或定义为：观察和关联一个体系的行为的基本框架。为了理解热力学，拥有实验

的观点有必要，因为，如果我们不能对研究的体系或现象做出物理上正确的评价，那么热力学

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的方法就无意义。我们应该要经常问问如下问题：怎样测量这一特殊的变量？怎样计算以及从

哪一类的数据计算一个特殊的函数。

由于热力学的实验基础，热力学处理的是宏观函数或大量的物质的函数，这与微观的函

数恰恰相反，微观函数涉及到的是组成

物质的原子或分子。宏观函数要么可以直接测量，要么

可以从直接测量的函数计算得到，而不需要借助于某一具体的理论。相反，尽管（while）微

观函数最终是从实验测量得以确定，但是它们的真实性取决于用于它们计算时的特殊理论的有

效性。因此，热力学的权威性在于：它的结果与物质的理论无关，倍受尊敬，为大家大胆地接

受。

除了与热力学结论一致的必然性以外，热力学有着广泛的应用性。因此，热力学形成了许

多学科中的工程师和科学家的教育中不可分割的部分。尽管如此，因为每门科学都只局限于

（focus on）关于热力学方面的较少应用，所以其全貌常被低估。实际上，在明显的（可观察

到）可再现的平衡态中存在的任何体系，都服从与热力学方法。除了流体、化学反应系统和处

于相平衡（化学工程师对这些十分感兴趣）之外，热力学也成功适用于有表面效应的系统、受

压力的固体以及处于重力场、离心力场、磁场和电场的物质。

通过热力学，可以被确定用于定义和确定平衡的位能，并将之定量化。位能也可以确定一

个体系移动的方向以及体系达到的终态，但是不能提供有关到达终态所需要的时间的信息。因

此，时间不是热力学的变量，速度的研究已超出了热力学的范畴，或者除了体系接近平衡的极

限以外，速率的研究属于热力学的范畴。在这儿，速率的表达式应该在热力学上是连续的。

热力学定律建立于实验和观测基础之上的，这些实验和观测既不是最重要的，又不复杂。

同时，这些定律的本身是用相当普通语言加以描述的。然而，从这一明显的平淡的开始，发展

成为一个很大的结构，这种结构对人类思想归纳力做出了贡献。这在想象力丰富、严肃认真的

学生中成功地激发了敬畏（inspire awe），这使得Lewis 和Randall 将热力学视为科学的权威。

因为除了技术上的成功和结构的严密性，这个比喻选择很恰当，我们可观察到美妙之处（和宏

观体）。因此，毫无疑问，热力学的研究在学术上有价值的，智力上可以得到激发，同时，对

一些人来说，是一种很好的经历。

3. 热力学定律

第一定律. 热力学第一定律是能量守恒的简单的一种描述。如图3-1 所示，稳态时离开

一个过程的所有能量的总和必须与所进入该过程的能量总和相等。工程师在设计和操作各种过

程时绝对遵循质量和能量守恒定律。所不幸的是，就其本身而言，当试图评估过程的效率时，

第一定律引起混淆不清。人们将能量守恒视为一种重要的努力成果，但是事实上，使能量守恒

不需要花任何努力— — 能量本身就是守恒的。

因为

第一定律没有区分各种各样能量的形式，所以从第一定律所得到的结论是有限的。由

往复泵引入的轴功会以热量流向冷凝器的形式离开蒸馏塔，与在再沸器引入的热一样容易。在

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试图确定过程的效率时，一些工程师总掉入将各种形式的能量一起处理的陷阱。这种做法明显

是不合理，因为各种能量形式有着不同的费用。

第二定律第二定律应用于热转变为功的循环，有多种不同的描述。至于这一点，一种

更加普通的描述是需要的：从一种形式的能量到另一种形式的能量的转换，总是导致质量上总

量的损失。另一种描述为：所有系统都有接近平衡（无序）的趋势。这些表达方式指出了在表

达第二定律时的困难之处。如果不定义另一个专门描述质量或无序的词语，第二定律的表达就

不能令人满意。

这个专用名词为熵。这个状态函数对流体、物质或系统中的无序程度进行了定量化。绝对

零熵值定义绝对零度时纯净的、晶体固体的状态。每一个分子都由其他的以相当有序结构的相

同的分子所包围。运动、随意、污染、不确定性，这一切都增加了混乱度，因此对熵做出了贡

献。相反，不论是透明宝石，还是纯净化学产品，还是清洁的生活空间，还是新鲜的空气和水，

（都是属于有序状态），有序是有价值的。有序需要付出很高的代价，只有通过做功才得以实

现。我们很多工作都花费在家里、车间和环境中创造或恢复有序状态。环境中较高的熵值是较

高的生产费用的具体化表现。

每一种生产过程的目的都是，利用将混合物分离为纯净物、减小我们知识的不确定性、或

是从原料创造（works of art）艺术品以减小熵值。总之，从将原料转变为产品的过程中，熵值

不断减小。然而，（inasmuch as）因为随着系统接近平衡，熵的增加是自发的趋势，所以减少

熵值是艰难的工作（struggle）。

生产过程所需熵减的驱动力同时伴随着宇宙其余部分熵的剧增。一般说来，这种熵的增加

在同一工厂内不断持续下去，因此这种造成了产品熵的减小。反过来（whereas 而，却，其实，

反过来），熵减存在于原料向产品的转化过程。燃料、电、空气以及水向燃烧产品、废水和无

用的热量的形式的转化可表示熵值的大大增加。

正象图3-1 中中间部分描述为第一定律一样，图中的底线部分描述了第二定律。离开一个

过程的所有的物流的熵值的总和，总是超过进入该过程的物流的熵值的总和。如果熵达到平衡，

象质量和能量达到平衡一样，那么该过程是可逆的，即该过程也会反向移动。可逆过程只是在

理论上

是可能的，需要动力学平衡维持连续存在，因此可逆过程是不可产生的。而且，如果不

平衡（过程）倒过来，即如果有净熵的减少，那么所有的箭头也要反向，该过程被迫反向进行。

实质上，是熵增驱使该过程：是同一种驱动力使水向下流，热流从热物质流向冷物质，使玻璃

打碎，金属腐蚀。简而言之，所有事物都同它们周围的环境接近平衡。

第一定律，需要能量守恒，所有形式能量变化有着相同的重要性。尽管所有过程都受第一

定律权威性的影响，但是该定律不能区分能量的质量，也不能解释为什么观察不到自发发生的

过程自发地使自身可逆。功可以全部转化为热而反向转换从来不会定量发生，这种反复验证过

的观测达成了这样的共识— — 热是一种低质量的能量。第二定律，深深扎根于热发动机效率的

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研究，能分辨能量的质量。通过这一定律，揭示了以前未认可的函数— — 熵的存在，可以看出，

该函数确定了自发变化的方向。第二定律并没有（in no way）减小第一定律的权威性；相反，

第二定律拓展和加强了热力学的权限。

第三定律热力学第三定律规定了熵的绝对零值，描述如下：对于那些处在绝对零度的

完美晶体的变化来说，总的熵的变化为零。该定律使用绝对值来描述熵。

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Unit 12 What DoWe Mean by Transport Phenomena ?

第十二单元传递现象意味着什么？

传递现象是工程学科中三类传统领域的系统研究和整体的研究的总称：（1）能量或热量传

递，（2）质量传递或（质量）扩散，和（3）动量传递或流体动力学。当然，热量和质量传递

经常在流体内发生，由于该原因，一些工程教育工作者偏向于（prefer to）把热量和质量传递

过程放在在流体机械学中处理。然而，既然传递现象也包括固体中的热传递和热扩散，所以该

学科实际上较流体机械学的研究范畴更广。传递现象在这个方面于流体机械学也有区别：传递

现象研究利用了用于描述热量、质量和动量传递过程的等式（方程式）间的相似性。这些相似

性，又通常称为类似性，经常与那些借以发生传递现象的物理机理联系起来。因此，一种传递

过程的理解有助于理解其他过程。而且，如果微分方程式和边界条件相同，那么只要得到其中

一个过程的解决方法即可，因为通过改变专业术语，该方法可用于得到其他任何传递过程的解

决方法。

然而，必须强调的是，尽管传递过程中存在相似性，但是它们也存在重要的差别，尤其在

动量（动量）传递和热量或质量（标量）的传递之间

。然而，传递现象间的相似性的系统研究，

会使得确定和理解它们之间的差别更加容易。

1.（我们）怎样研究传递现象这一学科？

为了证明传递过程能的相似性，我们要同时研究三种传递现象— — 而不是先研究动量传

递，然后研究能量的传递，最后来研究质量传递。除了有助于理解之外，不采用其他课本中采

用的连续研究方法，有另外一种教学方面的原因：在这三种传递过程中，研究动量传递时所涉

及到的概念和方程式对于初学者来说最难理解，最难使用。因为如果事先完全没有动量传递的

知识，要研究热量和质量传递是不可能的，所以，我们应用连续的研究方法强迫自己去从事（研

究、学习）最难的动量传递。另一方面，如果同时研究这些问题，那么可参照与热量传递的相

似性，动量传递就变得容易理解。而且，同时处理（研究）使得这种做法（先研究较简单的概

念，然后去进行较难更深奥的观点）成为可能。一开始，我们可以强调正在发生的物理过程，

而不是数学过程和数学描述。例如，我们首先研究一维传递现象，因为一维传递在处理时不需

要矢量符号，而且我们通常可使用常微分方程而不是使用难以解答偏微分方程。这种解决方案

也可由该事实得到证实：传递现象的许多的实际问题能够用一维模型加以解决。

2. 工程师们为什么要研究传递现象？

既然传递现象这一学科涉及到（deal with）自然界的某些定律，因此，有人将它划分为工

程学的一分支。因为这种原因，那些关心工厂和设备的经济性设计和操作的工程师，应该要好

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好的问一问：在实践中传递现象怎样才能有价值。回答该问题有两种普遍的答案。其一，需要

我们意识到热量、质量和动量传递发生于多种工程设备中，如热交换器、压缩机、核反应堆、

化学反应器、增湿器、空气冷凝器、干燥器、分馏器以及吸收器。这些传递过程也发生于人体

和一些复杂的过程中，借此污染物发生反应，扩散于大气中。如果工程们要去理解工厂设计中

发生什么以及关于其经济性操作作出英明的决策，那么理解支配这些传递过程的物理定律是至

关重要的。

第二个答案是，工程师们必须要能够运用他们对自然界定律的理解去设计这些过程发生的

过程设备。要实现这一目标，他们必须能够预测热量、质量和动量传递速率。例如，要设计一

个简单的热交换器，即用于加热流体的管道，必须要考虑到维持管壁的温度高于在其中流动的

流体的温度。从管壁传给流体的热量的速率取决于一个叫做传热系数（heat-transfer coeff

icient）

的参数，而传热系数取决于管道尺寸、流速、流体性质，等等。传统上（一般地），传热系数

在费钱和耗时的实验室或中试工厂的测量之后得到，同时通过无数次经验式（dimensionless

empirical equations）加以关联。经验式能在较大范围内吻合数据，它们不是以理论为基础的，

因此超出所得数据的范围时经验式不能准确使用。

用于传递现象中的费用低而且通常更可靠的方法，是从以自然界定律为基础的等式去预测

传热系数。预测的结果可以由研究工程师解方程（通常计算上）得到。设计工程师能利用（运

用）研究工程师所得到的传热系数的等式。

要牢记的是，不管传热系数是怎么样得到的，热交换器的设计工作基本上相同的。因为这

一原因，传递现象中的一些课程所强调的只是传热系数的确定，而将实际设计步骤留到单元操

作的课程中。当然，能够得到参数（如设计中所用的传递系数），是应用性（practical）的问

题（matter），由于那种原因，传递现象课程可视为一门工程课程，也可视为理科中的一门课

程。

事实上，在有些情况中，设计工程师在设计设备时，可能直接利用传递现象的方法和等式。

管式反应器就是这样一个例子，在反应器里面的流体中发生均相反应，管式反应器可以由管道

解释（阐述），如前所述的热交换器。含有一定溶度的反应物的流体流进管道，离开管道时，

反应物的浓度减少，而产物的浓度增加。

如果该反应是放热的，那么为了移走由化学反应产生的热量，反应器壁通常维持低温。因

此，温度随着径向位置（即管中心线的距离）会降低。因为反应速率随着温度而增加，因此，

温度较高的管中心处的反应速率，大于温度低的反应器壁的反应速率。相应地，反应产物会在

中心线处有累积的趋势，而反应物会靠近反应器壁处积累。因此，浓度和温度都会随径向位置

和长度的改变。要设计一个反应器，我们有必要知道在反应器任何给定的长度处的产物的平均

浓度。因为这种平均浓度可以通过横截面上的浓度值加以平均得到，因此，我们必须要得到反

应器中的各个位置的浓度，即每一个径向位置和轴向方向的浓度值。但是要计算各个位置

的浓度，我们有必要知道每一位置的反应速率，要计算每一位置的反应速率，我们有必要知道

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每一位置的浓度和温度。而且，欲计算温度，我们又必须知道每一位置的反应速率和流体流速。

虽然我们不讨论（go into）所涉及到方程式，但是，很显然，我们建立一个复杂的偏微分方程

组，该偏微分方程组必须通

过复杂的程序，通常在电脑上得以解答。很明显，我们不能够利用

在操作课程中热交换器所用的经验设计步骤来解决此类问题。相反，除非我们舍得花费以及舍

得花时间去建立规模增大的中式工厂，测量各种规模的转化率，那么传递现象的理论和数学步

骤是必须的。即使如此，这种最终的放大是危险的、靠不住的。

当然，如今不是所有的问题都能用传递现象的方法加以解决。然而，随着计算机的发展，

越来越多的问题可以用这些方法加以解决。如果（学）工程的学生受过并没有过时（obsolete）

的教育， 那么通过对传递现象方法的理解， 他们一定准备利用在将来要进行的计算

（computation）。因为传递现象的课程除了目前的有用之外，还有很大的应用潜力（as well as），

所以传递现象的课程最终可以证明是本科生的一生中最实际、最有用的课程。

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Unit 13 Unit Operations in Chemical Engineering

第十三单元化学工程中的单元操作

化学工程由不同顺序的步骤组成，这些步骤的原理与被操作的物料以及该特殊体系的其他

特征无关。在设计一个过程中，如果（研究）步骤得到认可，那么所用每一步骤可以分别进行

研究。有些步骤为化学反应，而其他步骤为物理变化。化学工程的可变通性（versatility）源于

将一复杂过程的分解为单个的物理步骤（叫做单元操作）和化学反应的实践。化学工程中单元

操作的概念基于这种哲学观点：各种不同顺序的步骤可以减少为简单的操作或反应。不管所处

理的物料如何，这些简单的操作或反应基本原理（fundamentals）是相同的。这一原理，在美

国化学工业发展期间先驱者来说是明显的，首先由A.D.Lttle 于1915 年明确提出：

任何化学过程，不管所进行的规模如何，均可分解为（be resolved into）一系列的相同的

单元操作，如：粉碎、混合、加热、烘烤、吸收、压缩、沉淀、结晶、过滤、溶解、电解等等。

这些基本单元操作（的数目）为数不多，任何特殊的过程中包含其中的几种。化学工程的复杂

性来自于条件（温度、压力等等）的多样性，在这些条件下，单元操作以不同的过程进行，同

时其复杂性来自于限制条件，如由反应物质的物化特征所规定的结构材料和设备的设计。

最初列出的单元操作，引用的是上述的十二种操作，不是所有的操作都可视为单元操作。

从那时起，确定了其他单元操作，过去确定的速度适中，但是近来速度加快。流体流动、传热、

蒸馏、润湿、气体吸收、沉降、分粒、搅拌以及离心得到了认可。近年来，对新技术的不断理

解以及古

老但很少使用的分离技术的采用，引起了分离、处理操作或生产过程步骤上的数量不

断增加，在多种操作中，这些操作步骤在使用时不要大的改变。这就是“单元操作”这个术语的

基础，此基础为我们提供了一系列的技术。

1.单元操作的分类

（1）流体流动流体流动所涉及到的是确定任何流体的从一位置到另一位置的流动或输

送的原理。

（2）传热该单元操作涉及到（deal with）原理为：支配热量和能量从一位置到另一位

置的积累和传递。

（3）蒸发这是传热中的一种特例，涉及到的是在溶液中挥发性溶剂从不挥发性的溶质

（如盐或其他任何物质）的挥发。

（4）干燥在该操作中，挥发性的液体（通常是水）从固体物质中除去。

（5）蒸馏蒸馏是这样一个操作：因为液体混合物的蒸汽压强的差别，利用沸腾可将其

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中的各组分加以分离。

（6）吸收在该操作中，一种气流经过一种液体处理后，其中一种组分得以除去。

（7） 膜分离该操作涉及到液体或气体中的一种溶质通过半透膜向另一种流中的扩

散。

（8）液-液萃取在该操作中，（液体）溶液中的一种溶质通过与该溶液相对不互溶的

另一种液体溶剂相接触而加以分离。

（9）液-固浸取在该操作所涉及的是，用一种液体处理一种细小可分固体，该液体能

溶解这种固体，从而除去该固体中所含的溶质。

（10） 结晶结晶涉及到的是，通过沉降方法将溶液中的溶质（如一种盐）从该溶液中

加以分离。

（11）机械物理分离这些分离方法包括，利用物理方法分离固体、液体、或气体。这些

物理方法，如过滤、沉降、粒分，通常归为分离单元操作。

许多单元操作有着相同的基本原理、基本原则或机理。例如，扩散机理或质量传递发生于

干燥、吸收、蒸馏和结晶中，传热存在于干燥、蒸馏、蒸发等等。

2. 基本概念

因为单元操作是工程学的一个分支，所以它们同时建立在科学研究和实验的基础之上。在

设计那些能够制造、能组合、能操作、能维修的设备时，必须要将理论和实践结合起来。下面

四个概念是基本的（basic），形成了所有操作的计算的基础。

物料衡算

如果物质既没有被创造又没有被消灭，除了在操作中物质停留和积累以外，那么进入某一

操作的所有物料的总质量与离开该操作的所有物料的总质量相等。应用该原理，可以计算出化

学反应的收率或工程操作的得率。

在连续操作中，操作中通常没有物料的积累，物料平衡简单地由所有的进入的物料和所有

的离开的物料组成，这种方式与会计所用方法相同。结果必须要

达到平衡。

只要（as long as）该反应是化学反应，而且不消灭或创造原子，那么将原子作为物料平

衡的基础是正确的，而且常常非常方便。可以整个工厂或某一单元的任何一部分进行物料衡算，

这取决于所研究的问题。

能量恒算

相似地，要确定操作一操作所需的能量或维持所需的操作条件时，可以对任何工厂或单元

操作进行能量衡算。该原理与物料衡算同样重要，使用方式相同。重要的是记住，尽管能量可

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能会转换为另一种等量形式，但是要把各种形式的所有的能量包括在内。

理想接触（平衡级模型）

无论（whenever）所处理的物料在具体条件（如温度、压强、化学组成或电势条件）下接

触时间长短如何，这些物料都有接近一定的平衡条件的趋势，该平衡由具体的条件确定。在多

数情况下，达到平衡条件的速率如此之快或所需时间足够长，以致每一次接触都达到了平衡条

件。这样的接触可视为一种平衡或一种平衡接触。理想接触数目的计算是理解这些单元操作时

所需的重要的步骤，这些单元操作涉及到物料从一相到另一相的传递，如浸取、萃取、吸收和

溶解。

操作速率（传递速率模型）

在大多数操作中，要么是因为时间不够，要么是因为不需要平衡，因此达不到平衡，只要

一达到平衡，就不会发生进一步变化，该过程就会停止，但是工程师们必须要使该过程继续进

行。由于这种原因，速率操作，例如能量传递速率、质量传递速率以及化学反应速率，是极其

重要而有趣的。在所有的情况中，速率和方向决定于位能的差异或驱动力。速率通常可表示为，

与除以阻力的压降成正比。这种原理在电能中应用，与用于稳定或直流电流的欧姆定律相似。

用这种简单的概念解决传热或传质中的速率问题时，主要的困难是对阻力的估计，阻力一

般是通过不同条件下许多传递速率的确定式（determination）的经验关联式加以计算。

速率直接地决定于压降，间接地决定于阻力的这种基本概念，可以运用到任一速率操作，

尽管对于特殊情况的速率可以不同的方式用特殊的系数来表达。

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Unit 14 Distillation

第十四单元蒸馏

利用生成两个或更多的共存区域（它们在温度、压强，组成和/或相态有差别），分离操作

实现了它们的分离目标。混合物中欲分离的各种分子以独特的方式在由这些共存区域提供的环

境中反应。结果，随着体系向平衡移动，每个区域各种分子有着不同的浓度，这样便可将物种

进行分离。

叫做蒸馏的分离操作，利用的是共存

区中温度和压强基本相同的气相和液相。各种装置（如

乱堆填料或归整填料和塔板）用来引起两相亲密接触。塔板一个接一个堆积，被包围在一个圆

柱型的壳中形成塔，通常，圆柱壳中的压板和支板间有填料。

1. 连续蒸馏

进料（原料），即要被分离为多种成分的物料，在沿着塔壳上的一个位置或多位置引入

（introduce）。由于气相与液相间重力的差异，液体从蒸馏塔往下流动，像瀑布一样从一塔板

流向另一塔板，而气体向上流动，结果在每一塔板上与液体相接触。

到达塔底的液体，在已经加热过的再沸器中部分汽化以提供蒸汽，这些蒸汽被送回蒸馏塔

中。塔底液体的剩余部分以塔底产物加以回收。到达塔顶的气体在塔顶冷凝器中，经冷却、压

缩成为液体。部分液体以回流的形式重新返回蒸馏塔中，以提供液体溢流。塔顶气流剩余部分

以蒸馏物或塔顶产物的形式加以回收。

蒸馏塔中这种整体的流动方式，使得蒸流和液体流在蒸馏塔中所有塔板上对流接触。在给

定的塔板上，气相和液相达到一定程度的热、压强以及组成平衡，其平衡的程度取决于接触塔

板的效率。

较轻组分（沸点低的组分）倾向于在气相中浓缩，而较重组分（沸点高的组分）倾向于在

液相中浓缩。这样造成的结果是，随着气相从蒸馏塔自下向上流动时，形成了轻组分更加富集

的气相，同时随着液相（从蒸馏塔自上）向下流动时，形成重组分更加富集的液相。在蒸馏出

物和塔底产物间所实现的总分离主要决定于组分间的相对挥发度、接触塔板的数目以及液相流

速与气相流速间的比率。

如果进料（原料）在蒸馏塔的壳上的一个位置引入，那么该蒸馏塔分成上下两部分：上半

部分常称为蒸馏段（rectifying section），而下半部分常称为提馏段（stripping section）。这种说

法在多口进料的蒸馏塔和某些塔中相当不确切，这些塔中除了两种最终产物以外，一种产物即

侧线馏分（sidestream） 沿着蒸馏塔的长度方向上某些位置加以回收。

平衡级概念在实际的蒸馏塔中，能量与质量传递过程太复杂而不能以任何直接的形式

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容易地建立模型中。这种困难可以用平衡级模型（equilibrium-stage model）加以回避，在平衡

级模型中，离开平衡级的气相和液相彼此间达到完全平衡，在一定压力下热力学关系式也可用

于确定平衡气流（stream）的温度和关联其浓度。由平衡级（而不是实际的塔板）组成的假设

的蒸馏塔用于完成实际蒸馏塔的分离。利用塔板效率（tray efficiency）可将理论平衡级的数目

可以转化为大量的实际塔板，塔板

效率描述的是：实际接触塔板的性能重复平衡级性能的程度。

利用平衡级概念可将蒸馏塔的设计分成三个主要的步骤：（1）整理预计平衡相组成所需的

热力学数据和方法。（2）计算要实现某一具体分离所需要平衡级数目，或者在给定平衡级数目

下，计算欲实现的分离。（3）平衡级的数目转化为等数目的实际接触塔板或填料高度，以及确

定蒸馏塔的直径。

所有的分离操作都需要以热或功的形式进行能量输入。在常见的蒸馏操作中，分离物质所

需的能量，在塔底的再沸器中以热量的形式输入，在蒸馏塔的底部处的温度最高。同样，热量

从塔顶处的冷凝器中移走，此处的温度最低。这通常（引起）需要大量的能量输入，（引起）

总热力学效率低。随着近来能量费用的剧增，正在开发出一些复杂的蒸馏操作，这些复杂的蒸

馏操作能提供较高的热力学效率和能量输入要求（requirement）较低。

相关的分离操作刚刚所介绍的简单的和复杂的整流操作有两个共同点：（1）两者都提

供精馏段和提留段，以致能实现挥发度较接近的两组分的分离；（2）分离操作仅受能量的输入

和输出的影响，而不受任何质量分离剂（如在液-液萃取剂中）分离到的加入的影响。有时，

在图3-2 的所示的分离操作的类型中，选择一个的单级或多级气-液分离操作，对某一具体的

分离任务来说可能较蒸馏更合适。

2. 间歇蒸馏

间歇蒸馏，是将一具体量的液体分离成产物的过程，广泛应用于实验室中和适用于多种混

合物分离的小的生产单元。当进料中有N 种组成时，一个间歇蒸馏塔可以满足要求，而（若

用连续蒸馏，则）需要N-1 种简单的连续蒸馏塔（才能满足要求）。

图3-2 与蒸馏相关的分离操作

间歇蒸馏器的特征是许多装置较大。要分离的物料中固体含量可能很高，或者物料含有能

塞住或污染连续装置的焦油或树脂。利用间歇单元可保持（keep）分离的固体，使之在过程结

束时得以方便分离。

简单的间歇蒸馏间歇蒸馏器最简单的形式包括一个热的容器（锅或沸腾器），一个冷凝

器和一个或多个接受槽。不需要塔板或填料。原料加入到容器内，使之沸腾。蒸汽经冷凝，在

接收器收集。不需要回流。有时，控制蒸发的速度以防进料暴沸，以及避免使冷凝器的负荷太

重，但其他控制可以忽略不计。该过程常常称为Rayleigh 蒸馏。

该简单间歇蒸馏只提供一块分离理论塔板。其应用常常局限于产品需要另外分离的初步工

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作中，此时易挥发组分在进一步处理之前，绝大部分易挥发组分必须通过间歇蒸馏加以除去，

或者是用于（similar）不重要的分离中。

含有精馏的间歇蒸馏为了得到较窄组成范围的产品，常利用含有精馏的间歇蒸馏器，

该间歇蒸馏器由一个釜（或再沸器）、一个精馏塔和一个冷凝器（用部分冷凝气体（馏出物）

作为回流液）以及一个或多个接收器组成。为了使回流液在或接近蒸馏塔温度返回，以使之为

回流液量真正显示和改善蒸馏塔的操作，要控制馏出液的温度。该蒸馏塔也可以在高压或真空

下操作，此时，必须要用适当的装置以得到所需的压力。除了蒸馏釜的设计之外，间歇蒸馏各

部分设备的设计方法，遵循的原则都与设计连续装置的原则相同，但是如果要处理多种混合物，

那么应该检查该设备以适合每一种混合物。因为蒸馏塔中的组成随着蒸馏的进行而改变，因此，

要在一种混合物的多种位置检验该设计。蒸馏釜的设计是以间歇操作的规模和所需的蒸发速率

为基础的。

在操作时，一批量的液体加入蒸馏釜中，该体系达到总回流下的稳定状态。根据已确定的

回流方法（policy），一部分塔顶冷凝液不断得到回收。当操作条件改变时，通过改变接收器可

得到多种馏分。整个蒸馏塔是富含组分部分。随着时间的进行，蒸馏的物料的组成中较易挥发

的组分浓度越来越小，当所收集的馏出液达到所需的平均组成时，馏分（cut）的蒸馏会停止。

间歇蒸馏的过程可以用几种方式加以控制：

（1）（保持）回流比不变，改变塔顶组成。将回流（比）确定在一定值，在运转时回流（比）

保持在该值不变。因为蒸馏釜中液体的组成不断改变，馏出液的瞬时组成也改变。蒸馏一直进

行到蒸馏液的平均组成达到所需的值为止。在二元组分情况下，塔顶产物转移到另一个接收器

中，同时直到剩余的釜液满足所需的要求时，回收中间馏分。中间馏分常常加入到下一批物料

中。对于多组分混合物来说，在产物馏分间要取出两种或更多的中间馏分。

（2）（保持）塔顶组成不变，而改变回流比。在双组合体系中，如果要保持塔顶组成不变，

那么返回蒸馏塔的回流量，再运转过程中必须是不断增加。随着时间进行，蒸馏釜中较轻组分

不断减少。最后，达到这种情况：回流比达到非常高的值。然后，改变接收器，减小回流比，

像以前一样取出中间馏分。该技术也能扩展到用于多组分的混合物。

（3）其它的控制方法。一种循环方法可用来设置蒸馏塔的操作方式。该装置在达到平衡

以前都以全回流进行操作。在短时间里，馏出物以放水的形式（total draw-off）取出，之后，

蒸馏塔又重新回到全回流操作。在蒸馏过程中不断重复这

种循环。另一种可能是：为了在最短

时间内实现所需的分离而优化回流比。复杂的操作可能包括侧线馏分的回收、提供中间冷凝器、

加料至塔板，以周期性加料至蒸馏釜中。

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Unit 15 Solvent Extrction,Leaching and Adsorption

第十五单元溶剂萃取、浸取和吸附

1.溶剂萃取（液-液萃取）

用一种溶剂处理液体混合物，在该溶剂之中，一种或多种所需的组分能优先溶解，这种液

体混合物组分间的分离叫做液-液萃取。其他的叫法有（或者称作）液体萃取或溶剂萃取。

液-液萃取设备的普遍的分类及其它们的主要特征和工业应用如表3-1 所示：

表3-1 液-液萃取器的特点及其工业应用

萃取器的类型一般的特点应用领域

非搅拌塔投资费用低

操作和维护费低

构造简单

可处理腐竹性物质品

石油化工

化学

混合澄清器高塔板效率

可处理溶剂比例宽

容量（生产量）大

灵活性好

放大可靠

可处理高粘度液体

石油化工

化学

肥料

冶金

脉冲塔等板高度低

内无移动部分

可实现多极操作

核工业

冶金

回旋搅拌塔容量（生产量）适当

等板高度适度

可实现多极操作

建设费用不高

操作和维护费用低

石油化工

冶金

制药

肥料

往复板式萃取器产量高

等板高度低

应用广以及灵活性大

构造简单

能处理含悬浮固体的液体

能处理有乳化趋势的混合物

制药

石油化工

冶金

化学

离心萃取器对不稳定的物料接触时间短

所需的空间小

能处理易乳化的物料

能处理液体密度差别较小的系统

制药

核工业

石油化工

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在该操作中，如果液体混合物原料与溶剂不完全互溶，那么必须满足它们至少是部分互溶。

本质上，涉及到三步：

（1） 将原料混合物与溶质充分接触，

（2） 两相间的分离，以及

（3） 从每一相中除去溶剂和回收溶剂。

该技术的一些重要应用包括：从含煤油的燃料油中分离芳香族化合物以提高燃烧质量；从

烯烃和环烷烃中分离芳香族化合物以改善润滑油的温度－粘度特征。例如：萃取分离可用在石

油化工业中，从催化生成的重整产品得到相对较纯的化合物，如：苯、甲苯和二苯；可用于无

水醋酸的生产；可用于从煤焦碳液体萃取苯酚；可用于青毒素的纯化。萃取的重要特征是溶质

的选择性本质，因为萃取中组分的分离是基于溶解度的差异，而不是基于蒸馏中的挥发性的差

异。

在单级间歇操作中，溶剂和溶液经混合，然后分成余两相：萃取相（extract）（在加入的

溶剂中含有所需的溶质）和萃余相（raffinate）（与溶剂的溶解度差的溶液）。借

此，简单的混

合和分离发生于同一容器中。这种平衡可以方便地三角形上（等边或是直角三角形）表示。各

组分间的平衡可以用活度系数的关系式（如准化学活度系数或非随机两液体模型）表示。在理

论上，这些关系式只包括那些从二元混合物测量所得到的参数，但实际上，这样所得的准确性

较差，因此，一些多组分平衡测量也用于获得参数。获得这些等式的参数很复杂，需要使用电

脑。

我们应该要知道，成功的萃取过程不应该只用萃取单元的性能加以评价，而是应该用整个

工厂所实现的回收效果的评估加以评价。当估计的投资费用以及冶金处理所用的有机溶剂费用

较高时，必须要同时考虑工厂中用于分离的混合和分离两部分。

用于萃取和浸取的设备，必须要能使两相充分接触以使两相间的溶质充分传递，同时能够

使两相完全分离。用连续的对流级可以实现以最小量的溶剂达到最高的分离程度。在这种操作

中，进料进入第一级，而最终的萃取相在第一级离开，新鲜溶剂进入最后一级，而最终萃取相

在最后一级离开。

2.浸取

浸取是利用一种溶剂从另一种固体中提取可溶性的成分。该操作或是用于产生有用物质的

浓溶液，或是为了从已被污染了的可溶性的物质中除去一种不溶性的固体，如颜料。提取中所

用的方法，是由所含的可溶性组分的比例及其在固体中的分布、固体的本质和微粒的尺度所决

定。

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如果溶质在固体中均匀分布，那么近表面的物质先溶解，形成了固体残渣的多孔性结构。

在溶剂到达离表面更远的溶质之前，它必须要渗透过外层表面，因此该过程逐渐变得困难，提

取速度会下降。如果溶质在固体中所占的分量很高，那么多孔性结构会立即破坏，以形成不溶

性残渣的细小沉淀物，溶剂到达溶质不会受到阻碍。一般地，该过程可分三步进行讨论：第一

步，当溶质溶解在溶剂中时溶质相的变化；第二步，溶质通过固体孔中的溶剂扩散到（固体）

颗粒的外边；第三步，溶质从与颗粒接触的溶剂中转移到溶液的体相（bulk phase）中。尽管

第一步过程发生如此快以致可忽略其对速率的影响，但是这三步均会影响限制提取速率。

有时，可溶性物质分布在一种物质中独立的小洞穴中，溶剂不渗透到洞穴中，如金分散于

岩石中。此时，要粉碎该物质，使可溶性的物质能够接触到溶剂。如果该固体为多孔性结构，

那么提取速率相对较慢，因为细胞壁会产生附加阻力。从甜菜中提取糖时，细胞壁在阻碍那些

我们不要的、分子量较大的的组分的提取起着重要作用，

因此，应该把甜菜制成长条带状，以

使相对少的细胞受到损坏。在从种子中提取油时，溶质本身为液体，因此可以向溶剂扩散。

3.吸附

尽管吸附用于一种物化过程已有相当长的时间，但是发展成为现在的一种重要的分离过程

只是近三十年的事。在吸附过程中，分子在两相重新分布，在这两相中，一相为固体而另一相

为一种流体（流体或气体）。

不象吸收，溶质分子从气体的体相中扩散至液相的主体，而在吸附中，分子从流体的体相

扩散至固体吸附剂的表面，形成一种不同的吸附相。

一般地，气体吸附剂可以用于除去气体混合物中的痕量组分。常见的例子有：干燥气体以

防腐蚀、凝结，或防止一些不需要的副反应。因为项目多样性，如电子设备、陶瓷素烧胚和小

袋吸附剂会包在包装袋中以保持其相对湿度较低。在使用挥发性的溶剂过程中，有必要防止随

通风空气带走溶剂而造成的偶然（incidental）损失。经过过吸附剂填料床的空气会影响吸附剂

的回收。

从液相中除去痕量的组分吸附同样有效，可以回收这种痕量的组分或是简单除去有毒物质

的工业废水。

吸附的任何一种潜在的应用，必须要考虑到其它的分离操作，尤其是蒸馏、吸收和液体的

萃取。每一种分离操作（过程）都是利用了欲分离组分的性质的某种差异。蒸馏中这种差异是

挥发度；在吸收中为溶解度；在萃取中为分配系数。吸附分离则取决于一种组分较另一种组分

更容易被吸附。合适操作的选择也取决于回收分离过的组分的难易程度。

利用蒸馏分离正烷烃和异烷烃，因组分间相对挥发度较低，所以需要级数很多。然而，使

用一种选择性的吸附剂可能是经济的，该吸附剂是基于平均分子直径的微小的差异的来分离组

分的。正戊烷和异戊烷的平均分子直径分别为0.489 nm 和0.558nm。当孔径为0.5nm 的吸附

剂与该气体混合物接触（be exposed to）时，较小的分子扩散至吸附剂的表面而滞留（在其表

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面），而较大的分子排除在外。在该过程的另一步骤中，减小总压或升温可使滞留的分子得以

吸附。

所有的吸附过程都有一（大）特点：对要处理的被吸附物质而言，吸附剂的（吸附）能力

是有限的。经常，吸附剂必须能从该过程中加以回收和再生，即（吸附剂）恢复到原来的条件。

由于该原因，在早期的工业应用过程中，吸附装置与蒸馏塔相比较，更难与连续操作结合的一

起。而且，很难批量生产具有同一吸附性质的吸附剂。商业吸附器的设计及其操作必须要有足

够的弹性以解决这些变量。

这些因素和在吸附的

早期应用中相当慢的热产（thermal regeneration），导致了吸附器不能

成为工厂设计师中的普遍选择。既然可以利用范围更大的吸附剂，对一具体的应用都有特制的

吸附剂，这一局面已经得到改变，尤其是随着更快的热量再生的其它方法成为可能。

当流体相中扩散的分子受来自邻近表面的力作用而滞留一段时间，吸附就发生了。该表面

表示在固体结构中显著的不连续性，固体表面的原子有（多余）残余的分子力，这种分子力不

象在结构体相的分子力一样能被其周围的原子消除掉。这些残余的作用力或范德华力对于所有

表面都是常见的，一些固体可以用作吸附剂的唯一原因是：它们能够以多孔形式进行生产，形

成大的内表面。相比之下，即使当固体加以细分，外表面对整个吸附做出的贡献不大。商业吸

附剂总表面的平均值为400.000m2/kg。

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Unit 16 Evaporation, Crystallization and Drying

第十六单元蒸发、结晶和干燥

1．蒸发

蒸发器是利用加热来浓缩溶液，或是利用热把溶解的固体从饱和溶液沉淀析出以对之回

收。蒸发器是有着特殊规定的再沸器，以用于分离气液两相，或当固体物质沉淀或结晶析出时，

用于除去该固体物质。在一些应用中，尤其当提供足够的干舷时，简单的釜式再沸器就足够了。

管式的蒸发器或是水平的或是垂直的，或长或短；液体可位于管内或管外，循环可以是自然循

环或是以泵或推进器驱动的强制性循环。

自然循环型的蒸发器是最常见的。强制循环型循环器非常适合于处理粘性或腐蚀性的物

料，但是购置和维修的费用高。在长管式垂直设计中，由于蒸发，液体处于在环流或膜流中，

相应地，该蒸发器称之为升膜式蒸发器。在降膜式蒸发器，液体分布于蒸发器的顶部，然后以

流体的形式向下流。静压头可忽略，压降只不过（little more than）是汽流的摩擦力，传热效

果较好。由于接触时间短以及两相分离完全，降膜式蒸发适合于热敏性物料。

长管式蒸发器（或是自然循环或是强制循环）用得最广泛。管的直径范围从19～63 mm，

长度12～30 ft。排管式蒸发器管长3～5 ft，它的中央降压管的面积与该管的横截面积相等。

有时，排管式蒸发器中的循环以推进器来驱动。在某些类型的蒸发器中，固体直到它们达到所

需的尺度时才开始循环。

在蒸发器的设计和操作时，热经济是一个主要考虑因素。因为离开的蒸汽的潜热没有被利

用而是丢弃（discard），所以单效蒸发器浪费能量。然而，利用多效蒸发器可以回收和再次利

用大部分潜热。

已经开发了各种各式的蒸发器以用于

特殊工业中的特殊应用。蒸发器的设计可分成如下基

本类型：

直接加热蒸发器该类型的蒸发器包括盐池和浸泡燃烧装置。浸泡燃烧蒸发器可应用

于那些由燃烧产物引起的溶液污染可接受的场所。

长管蒸发器在该类型蒸发器中，液体以薄膜的形式在长的垂直的热的蒸发管中流动，

既可用降膜式蒸发器又可用升膜式蒸发器，处理能力大，适合于低粘度的溶液。

强制循环蒸发器在强制循环蒸发器中，液体由泵输送到蒸发管中，适用于那些会污

染传热表面的物料，以及适用于蒸发器发生结晶的场所。

搅拌式薄膜蒸发器在这种蒸发器的设计中，利用机械方法（手段）将一薄层溶液撒

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到加热表面上。刮薄式蒸发器用于高粘度的物料和固体产物。

短管式蒸发器也称排管式蒸发器，用于制糖工业中。

蒸发器的选择

对于某一特殊应用，最适合的蒸发器类型的选择取决于下列因素：（1）所需的处理量

（2）进料的粘度以及蒸发过程中粘度的增加

（3）所需的产物的本质：固体、淤泥或浓溶液

（4）产物的热敏性

（5）物料是否会产生污染

（6）溶液是否会起泡

（7）是否可用直接加热

辅助设备对于真空条件下操作的蒸发器，需要冷凝器和真空泵；对于水溶液，则需利

用蒸汽喷射器和喷射式冷凝器。喷射式冷凝器是直接冷凝器，在该冷凝器中，蒸汽是利用冷却

水喷射直接而冷却。

2．结晶

结晶用于固体的产生、纯化及其回收。结晶的产物有着好看的外表，流动性能好，易处理，

易包装。该操作的应用范围广：从特种化学品（如药物）的小规模生产，到产品以吨数生产（如

糖、常见盐类和肥料）生产（都可以使用该操作）。

结晶的设备可用于所得到液体过程和现象的方法加以分类，也可用用于悬浮增长晶体的方

法加以分类。可以通过冷却或蒸发得到过饱和现象（supersaturation）。有四类基本的结晶器：

槽式结晶器、刮膜式结晶器、晶浆循环结晶器、以及母液循环式结晶器。

表3-2 总结了这些主要类型的结晶器的典型应用（译成为主动句较好）

结晶器的类型应用典型的用途

槽式结晶器间歇操作、规模生产小脂肪酸、植物油、糖

刮膜式结晶器有机化合物、用于有污染问题

的场所，粘性的物料

氯苯、有机酸、烷烃、石蜡油、环烷烃、

尿素

岩浆循环结晶器大颗粒晶体的生产、生产量大铵和其它无机盐、氯化钠和氯化钾

液体循环结晶器生产均匀的晶体（其尺寸小于

岩浆）、生产量大

石膏、无机盐、硝酸钠和硝酸钾、硝酸银

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3．干燥

干燥是

用蒸发方法除去水和其它的挥发性液体。大部分在其生产时需要干燥。选择干燥设

备的最主要的考虑因素是进料的本质及其浓度。干燥是能源密集型的过程，利用热干燥来除去

液体的费用较利用机械技术的费用要高得多。

除了几种特殊的应用之外，热的空气在工业干燥器中用作加热和传质介质。空气可直接用

所用燃料（石油、天然气和煤）的燃烧产物加热，或者间接加热，通常通过蒸汽加热的翅片管

管道加热。

用于化学过程工业中的干燥器基本类型有：

板式干燥器间歇板式干燥器用于干燥少量的固体，所适用的物料范围广。欲干燥的

物料位于固体底板上，在固体底板上吹入热空气，欲干燥的物料位于穿了孔的底板上，热空气

流经该底板。间歇干燥器劳动力要求高，但在干燥条件和产物存货可以得到很好的控制。板式

干燥器适合于干燥有价值的产物（品）。

带式干燥器（连续循环带式干燥器） 该类型的干燥器，固体产物在一个很长的穿孔

的传送带上，热空气强制地流过该传送带。传送带被罩在一长的矩形箱内，该箱分成几个区域，

以致能控制干燥气体的流型和温度。固体干燥器和干燥空气的相对运动可以是并流的，或者更

多的是对流。

该类型的干燥器只适合于那些形成带式结晶的床层的物料，可实现较高的干燥速率，质量

控制容易，热效率高，以蒸汽加热，干燥每1 kg 蒸发水需要用蒸汽低于1.5 kg。该类型的干燥

器的缺点为，由于机械传送带、维护费用高，所以首次（最初的）费用高。

旋转式干燥器在旋转式干燥器中，固体物质沿着一旋转的倾斜的圆柱的内部进行输

送，通过直接与流经圆柱的热空气而加热、干燥。有时，圆柱间接加热。

旋转干燥器适合于干燥自由流动的粒状的物质，适合用于产量高的连续操作；热效率高，

投资费用和劳力费用相对较低。该类型干燥器的一些缺点为：停留时间不统一，产生灰尘，噪

声程度较大。

流化床干燥器在该类型的干燥器中，干燥气以足够的速率通过固体床层，以使床层

保持在流化状态，该流化状态可提高很大传热和干燥速率。流化床干燥器适合于粒状大小范围

为1～3ｍｍ的粒状和晶体状物质。该干燥器可设计为连续操作和间歇操作。流化床干燥器的

主要优点：热传递快且均匀、干燥时间短、干燥条件能很好控制、占地面积的要求低。与其它

类型的干燥器相比，需要的动力高。

气流干燥器也称flash 干燥器它们的操作原理与喷雾式干燥器相似。欲干燥的产品由

一个合适的进料器分散于向上流动的加热气的蒸汽中。该设备起着气流传送设备和干燥器的作

用

。接触时间短，（该因素）限制了要干燥的物料颗粒的大小。气流干燥器适合于那些颗粒太

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小而不能在流化床干燥器中干燥的物料。该类型的干燥剂的热效率一般较低。

喷雾式干燥器喷雾式干燥器一般适合用于液体和稀的淤泥进料，但是可通过设计以

处理任何能用泵输送的物料。放置于垂直的圆柱形容器的要干燥的物料，在一喷嘴中或在一圆

盘状的原子化器中原子化。热的空气在容器中向上流（在有些设计中向下流）、输送以及干燥

液滴。液体从液滴的表面上快速汽化，同时形成有空隙的多孔的颗粒。干燥过的颗粒在旋风

（cyclone）分离器中或在袋状过滤器中加以除去。

喷雾式干燥器的主要优点是：接触时间短，这使它适合于干燥热敏性物质；能很好地控制

产物颗粒尺度、体相密度。因为进料中固体浓度低，所以加热的要求高。

旋转鼓式干燥器鼓式干燥器适合用于液体和稀淤泥进料。当欲干燥的物料会的加热

表面形成一薄膜，不是热敏性物料时，鼓式干燥器可以替代喷雾式干燥器（另一种选择）。

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Unit 17 Chemical Reaction Engineering

第十七单元化学反应工程

每一种工业化的化工过程的目的都是通过一系列的处理步骤从各种原料经济性地生成所

需的产品。图3－5 表示一种典型的过程。为了使原料处于能发生化学反应的形式，原料要经

过（undergo）许多物理处理步骤，然后，通过反应器。为了得到最终的所需的产品，反应的

产物必须经过进一步的物理处理，如分离、纯化等。

用于物理处理步骤的设备的设计在单元操作中研究，这里我们关心的是过程的化学处理步

骤。经济上，化学处理步骤是不重要的装置，如一简单的混合槽。然而，化学处理步骤通常是

整个过程的核心，在经济方面可使过程发生或停止的因素。

反应器的设计不是例行公事（routine），对于某一过程可以提出许多其它的设计。为了寻

求最佳的设计，必须减少的费用不仅仅是反应器费用。一种设计可以是反应器费用低，但离开

该装置的物料可以是该情况：物料的处理费用比其它设计费用高得多。所以全过程的经济性必

须要考虑。

反应器的设计要运用各种领域（热力学、化学动力学、流体力学、传质、传热以及经济学）

的信息、知识和经验。化学反应工程是这些所有的因素的综合（synthesis），其目的是精确地

设计化学反应器。

化学反应器的设计可能是化学工程师的独特（unique）的一种活动，这可能较其它方面更

能证明化学工程作为工程学科的独特的分支的存在

。

在化学反应器设计时，必须要回答两个问题：

（1） 我们期望发生什么变化？

（2） 变化发生有多快？。

第一个问题关于热力学，而第二个问题是关于各种速率过程— — 化学动力学、传热，等等。

把这些过程综合起来以及要确定这些过程是如何关联的，是相当难的问题（事情）。因此我们

必须从简单的情况开始，利用考虑其它的因素来增长（帮助）我们的分析，直到我们能处理更

困难的问题。

1、热力学

热力学给出了设计所需的两条重要的信息：反应释放（或吸收）的热量以及反应的最大的

可能程度。

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化学反应总是伴随着热量的释放或吸收，对于一合适的设计，热量的大小必须要知道，如

反应：

正，吸热反应

aA→ rR＋sS △Hr

负，放热反应

在反应前后，对体系在同一温度、压力下进行测量，当a 摩尔的A 消失生成r 摩尔的R

和s 摩尔的S 时，在T 温度下的反应热为环境传给该反应体系的热量。若知道反应热或是通

热化学数据对反应热进行估计，那么可以计算反应过程的热效应。

热力学中，也可以从反应物料的标准自由能来计算平衡常数K。如果知道了平衡常数，那

么可以估计反应物的最大的可得的收率。

2、化学动力学

在合适的条件下，进料可以转变为新的不同的物质，这些物质可构成不同的化学种类。如

果该过程只是通过组成的原子的重排和重新分配的发生来形成新的分子，那么我们说发生了化

学反应。化学是与这些反应的研究有关，研究反应的形式和机理，研究所涉及到的物理和能量

变化以及产品的生成速率。

最后提起的感兴趣的领域是化学动力学，化学动力学是我们首先所关注的。化学动力学研

究的是影响反应速率的因素，测定反应速率以及对得到的数值的提出解释。对于化学工程师来

说，如果他要满意地设计影响工业规模的反应的设备，那么他必须知道一个反应的动力学。当

然，如果该反应如此快以致该体系基本上处于平衡，那么可大大简化设备的设计。不需要动力

学信息，热力学信息就足够了。

3、均相反应和多相反应

均相反应是这样的反应：在该反应中，反应物、产物和所用的催化剂形成一个连续相：气

相或液相。均相的气相反应器总是连续操作，而均匀的液相反应器可以间歇操作或连续操作。

管式反应器通常用于均相的气相反应，例如，在石油组分热裂解以生成乙烯过程中，以及二氯

甲烷热分解生成氯乙烯中。管式和搅拌釜式反应器均可用于均相的液相反应。

在多相反应中，存在两相或多相，反应器的设计的主要问题是提高相间的

质量传递。可能

的相的组合有：

（1）液－液两相不互溶的液相；反应有用混合酸对甲苯或苯的硝化反应、乳状液的

聚合反应。

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（2）液－固两相一种或多种液相对一种固体相接触，该固体或是反应物或是催化剂。

（3）液－固－气三相此时，固体通常为催化剂，如在氨的氢解反应中，用固在活性

炭上的浆状铂（Pt）作为催化剂。

(4) 气－固两相在这种情况下，固体可以参与反应或用作催化剂，例如：吹气炉中铁

矿的还原反应以及固体燃料的燃烧，在这些例子中固体为反应物。

（5）气－液相在这种情况下，液体参与反应或用作催化剂。

4、反应器的几何构型（类型）

用于那些已经成熟的过程的反应器的设计通常较为复杂，这些设计经过长时间的开发（或

发展）以满足该过程的要求，而且该反应器的设计独特。然而，可方便地将反应器的设计分成

以下几类。

搅拌釜式反应器搅拌釜式反应器由带有机械搅拌器和冷却外套或线圈的釜组成，可

以是间歇反应器或连续反应器。几个反应器可以串联使用。

可以认为搅拌釜式反应器是基本的化学反应器，其模型建立常见的大规模实验室烧瓶的基

础之上。反应釜的尺寸从几升到几千升不等。它们用于均相和多相的液－液和液－气反应；以

及用于那些涉及到有细小的悬浮固体的反应，悬浮固体由搅拌得以保持。因为搅拌的程度由设

计师（者）的控制，所以搅拌釜式反应特别适合于那些需要良好的传质或传热的反应。

当反应器以连续操作时，反应器中的组成不变，与产品流中的组成相同。因此，除了快速

反应外，这将限制一步反应所能得到的转化率。

搅拌的动力要求取决于所需的搅拌程度，其范围为：从适中混合的0.2 KW/ms 到剧烈混

合时的2 KW /ms。

管式反应器管式反应器通常用于气相反应，但也适用于一些液相反应。

如果需要传热速率高，那么可用直径小的管子以增加表面积与体积的比率。几根管子可并

联排列，以相似排列连接于多种或固定每于一外壳和管式加热器上以形成管板。对于高温反应，

这些管子可排列在一炉子之中。

填料床反应器有两种类型的填料床反应器：一类以固体是反应物，另一类以固体是

催化剂。在萃取湿法冶金工业中，可找到第一类反应器许多例子。

化学过程工业的设计者，通常关注的是第二类反应器：催化反应器。工业上的填料床催化

反应器尺寸范围：小到直径为厘米长小试管，大到直径很大的填料床。填料床反应器用于气体

和气－液两相反应。在直径很大的填料床上传热速率慢，需要很大的传

热速率的场所，应该考

虑流化床反应器。

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流化床反应器流化床的基本特征为，固体物质通过反应流体的向上流动而维护悬浮

状态，这有助于提高传质和传热速率、混合均匀。该固体物质可以是催化剂；流化燃烧过程中

的一种反应物或是为了提高传热而加入的惰性粉末。与固定床相比，尽管流化床的主要优点

（势）在于传热速率较高，但是在那些必须要输送大量的固体时，流化床作为反应过程一部分

很有用，如用于催化剂从一个容器转移到另一个容器而再生的场所。

流化床只用于尺度相对较小（30um）的颗粒和气体。

近年来，在流化床反应器方面作了大量的研究和开发工作，但是直径很大的反应器的设计

和放大仍然是不稳定的过程，设计的方法主要是经验（方法）。

间歇或连续操作（处理）

在间歇操作中，所有的试剂在开始时同时加入；反应进行时，组成随着时间的改变，当达

到所需的转化率时，停止反应，取出产物。间歇过程适合于小量（规模）的生产，以及适合于

在同一设备生产不同的产品或不同种级别产品的过程，如，生产颜料、染料和聚合物。

在连续的过程中，反应物连续不断地加入到反应器中以及产物连续不断地取出。反应器在

稳态条件下进行操作，通常连续生产较间歇生产的生产费用要低，但是缺少间歇生产的弹性。

大规模的生产常常选择连续反应器。那些不适合间歇操作和连续操作的定义的操作常叫做半连

续或半间歇操作。在半间歇反应器中，随着反应的进行，可以加入某些反应物或取出某些反应

产物。半连续的过程是那些为了某一目的而定期中断的过程，如为了催化剂的再生。