化學工程基礎(第三版)（簡體書）

《化學工程基礎》(第三版)根據高等學校理科化學、應用化學專業“化學工程基礎”教學基本要求編寫。為適應工科少學時環境工程、生物工程、製藥工程等專業的需要做了相應修訂。主要論述化學工程中典型單元操作及化學反應工程——典型反應器基本原理及其應用。內容包括化學工業與化學工程、流體流動過程、沉降與過濾、傳熱、蒸發、吸收、精餾、萃取、新型分離技術、乾燥和化學反應工程學——反應器基本原理。《化學工程基礎》(第三版)可作為高等學校理科化學、應用化學以及工科少學時環境、生物、製藥工程等專業的基礎課程教材，亦可供從事化學應用研究人員和上述專業從事設計、開發、運行的工程技術人員參考。

李德華，華中師範大學化學學院，教授，主要教學經歷：1969年畢業於華中師範大學，留校後任教。先後從事過無機化學、物理化學等課程的教學及研究工作。1980～1981年在華東化工學院化學工程系學習化學工程、化學反應工程、電腦程式設計等課程，並擔任化學工程系無工70班化學工程實驗教學及教輔工作。自1982年起一直在華中師範大學化學系從事化學工程基礎、化工基礎實驗、電腦在化學中的應用、化工過程開發、化工原理模擬實驗和綠色化學等課程的本科生、研究生的教學及科研工作。曾任華中師範大學化學學院化學工程教研室主任、學院教學委員會委員；湖北省化學化工學會化學工程專業委員會副主任；中國電腦學會會員。現擔任華中師範大學化學學院教學督導，並在華中師範大學漢口分校及武漢生物工程學院任教。主要教學、科學研究、實踐經歷多年從事化學化工的教學科研工作，開展了“ HZ-8605高溫重載潤滑脂中試研究”開發和中試技術轉讓工作，曾獲國家科委科技成果完成者證書和湖北省化學化工學會獎；進行了“連續氯化法制氯化鋇”橫向聯合、小試技術開發轉讓，獲得湖北省化學化工學會獎；研製“電腦輔助定性分析與元素週期律教學軟體”，通過了教育部高教司組織的鑒定，並在全國高校推廣使用。參加 “九五”國家重點科技攻關96-750項目02子專題研製工作，為該專案“傳質工程”負責人；參加教育部“面向21世紀教改計畫”立項專案研究工作JS040A和JS178B兩項；曾獲湖北省教學成果二等獎和華中師範大學優 秀教學成果一等獎各1項；主持研製的“化學工程基礎多媒體CAI課件”，獲湖北省教育廳“全省普通高等學校優 秀多媒體教學課件”三等獎1項；獲華中師範大學教師全員教學競賽一等獎1項；獲華中師範大學校級優 秀教學和優 秀教學成果獎多項。著作:①編著普通高等教育“十一五”國 家級規劃教材《化學工程基礎》（第二版），北京：化學工業出版社，2007年8月出版；②主編《化學工程基礎實驗》，北京：化學工業出版社，2008年9月出版；③編寫《化學工程基礎》，北京：化學工業出版社，2000年1月出版；④編著《綠色化學化工導論》，北京：科學出版社，2005年11月出版；⑤主編“教育部師範教育司（專升本）教材”《化工基礎與實驗》，北京：高等教育出版社，2002年7月出版；⑥參編教育部“九五”重點教材《化工過程開發概要》（第二版），北京：高等教育出版社，2002年4月出版；⑦參編“高等化學試題庫” 《化工基礎》（光碟版），北京：高等教育出版社，2002年5月出版；⑧參編“面向21世紀課程教材”《化工基礎》，北京：高等教育出版社，2002年6月出版；⑨參編《化工基礎實驗》，北京：高等教育出版社，2005年6月出版。

前言
《化學工程基礎》為教育部普通高等教育“十一五”國家級規劃教材。自《化學工程基礎》(第二版)2007年問世以來，使用了近十年，教材幾乎年年重印，這次修訂是作者在聽取了廣大同行和學生意見和建議的基礎上進行的。
本次修訂的指導思想是：教材必須以提高學生的科學素養為宗旨，以培養學生創新精神和實踐能力為重點，為促使學生變被動式接收學習為主動探究式學習為突破口，不斷加強基礎，拓寬學生知識面，培養其創新能力，堅持“以生為本”，注重闡述重要概念和規律的形成背景、問題提出和解決的過程，重思路的編寫思想和安排，力求使新版教材更有利於培養理工科院校學生的思維方法和創新能力。既保持原有特色，又與時俱進，力求使其成為一本真正有用的、受廣大讀者喜愛的好教材。
《化學工程基礎》(第三版)根據應用型本科辦學的定位，以更好地適應化學、應用化學、環境工程、生物工程及製藥工程等專業的專業基礎課程教學需要。
第三版教材刪減少學時教學過程較少使用的內容，修改個別繁複內容。通過修訂，力求做到概念準確、表述正確、數字精確。增補沉降和過濾等單元操作內容。這樣既便於理工科院校師生選擇教材，又能達到科學性、先進性和適用性的統一。在系統介紹單元操作知識的基礎上，加強單元操作共性與特殊性的綜合分析，介紹過程或典型設備的強化、優化途徑，以利於拓寬理工科院校學生分析和解決工程實際問題的思路，增強工程觀念和創新意識。
《化學工程基礎》(第三版)各章除開篇教學基本要求予以保留外，在每章結束處增加圖示小結，並在相關章節安排適量工程背景的實例和習題。此外，與本書配套的《化學工程基礎全程導學與習題詳解》、《化學工程基礎實驗》等教材均早已出版。
在第三版教材修訂編寫過程中，華中師範大學化學學院領導和同行給予了大力支持和關注，在此深表感謝。再次對本書引用的文獻資料的作者和單位表示衷心感謝。
誠望廣大讀者不吝賜教，並提出寶貴的意見和建議。
李德華
2017年4月

第二版前言
本書於2000年由化學工業出版社出版以後，在國內一些高等院校經過近八年的使用，得到了廣大讀者及同行的充分肯定，並獲得許多有益的建議和支持。值此本書被列為教育部“普通高等教育‘十一五’國家級規劃教材”之際，作者仍將按照教育部化學類專業教學指導委員會制定的普通高等學校本科化學和應用化學專業化學工程基礎教學基本要求，修訂和進一步完善教材內容。
在高等院校理科化學和應用化學專業教學大綱、教學計劃的指導下，為突出教材內容的規範性、適用性和創新性，從教與學兩個方面考慮，在教材編寫體例上著手：各章前安排教學基本要求；正文通過內容創新，以體現教材的應用性；例題盡可能解析詳實、針對性強，以利於學生逐步突破難點；各章習題給出參考答案，從而做到既可滿足“教”本，又能滿足“學”與“練”之本。
為滿足化學和應用化學專業的教學需要，方便教師選擇教學內容，作者首先在《化學工程基礎》教材“三傳一反”的內容上增加了蒸發和乾燥兩個單元操作，從而進一步充實“三傳”過程，形成以流體流動過程為基礎的動量傳遞過程，以傳熱和蒸發操作為基礎的熱量傳遞過程，以吸收、精餾、萃取和新型分離技術為基礎的質量傳遞過程，以及以乾燥操作為基礎的熱、質同時傳遞過程，以豐富和強化“一反”——化學反應工程學的概念和方法。並在化學反應工程學一章，盡量反映其利用理論推演、結合工程實踐、研究化學反應在工業上實現時所必須克服的傳遞和流動等因素對化學反應結果的影響，建立數學模型應用於反應器的設計放大和操作控制。以期為培養學生的工程方法論、工程能力、技術經濟觀念及將實驗室科研成果開發放大和技術創新打下良好基礎。與本書配套使用的實驗課程教材也即將出版。
本書此次修訂仍貫徹以下初衷：文字敘述力求嚴謹、清晰、突出重點，以利於教學和不同層次讀者自學。對第一版中的不妥之處予以修正；部分章節和習題作了適當增刪；對於以算術平均值代替對數平均值的問題，結合數學推導和形勢的發展，提出了不必再做替代的看法，使教材內容盡可能做到與時俱進。然而，作者雖盡力修訂本書，但難免掛一漏萬，書中疏漏之處，敬祈讀者不吝賜教。
本書得到華中師範大學教務處和化學學院領導的支持，在此表達誠摯的謝意。對書中引用文獻資料的作者和單位，謹表衷心感謝。
歡迎使用本書的同行及廣大讀者批評指正。
李德華
2007年4月

第一章化學工業與化學工程1
第一節化學工業概述1
一、化學工業的重要性及其發展1
二、化學工業的分類及其特點1
三、化工產品的市場及其前景3
第二節化學工程的發展趨勢3
一、化學工程的興起與發展4
二、化學工程的前沿研究領域5
第三節化工過程與單元操作7
一、化工過程簡介7
二、化工單元操作7
三、常用基本概念8
第四節化工過程開發簡介10
一、化工過程開發的基本要求10
二、化學實驗與化工生產過程的聯繫與區別10
三、化工過程開發步驟11
四、化工過程開發最優化概念13
第五節化工數據14
一、化工數據的分類14
二、單位與單位制15
三、單位換算15
第二章流體流動過程16
第一節概述16
第二節流體靜力學基本方程式16
一、流體的熱力學屬性16
二、流體靜力學基本方程式18
三、流體靜力學基本方程式的討論19
四、流體靜力學基本方程式的應用19
第三節流體流動的基本方程式21
一、流體的流動屬性21
二、流體的運動狀態22
三、連續性方程式22
四、伯努利方程式23
第四節管內流體流動現象27
一、牛頓黏性定律與流體的黏度27
二、流體流動的內部結構28
第五節管內流體流動的阻力31
一、流體在直管中的流動阻力31
二、流體在非圓形管內的流動阻力33
三、局部阻力34
第六節管路計算35
一、簡單管路35
二、複雜管路37
第七節流量的測量40
一、變壓頭流量計41
二、變截面流量計43
第八節流體輸送機械44
一、離心泵44
二、其他類型的化工用泵52
三、泵的選擇54
四、氣體輸送機械55
小結61
習題61
第三章沉降與過濾65
第一節概述65
第二節沉降65
一、重力沉降66
二、重力沉降設備68
三、離心沉降及設備71
第三節過濾73
一、過濾的基本概念74
二、過濾基本方程式76
三、恆壓過濾與恆速過濾78
四、過濾常數的測定80
五、過濾設備82
小結85
習題85
第四章傳熱86
第一節概述86
一、熱量傳遞的三種基本方式86
二、傳熱過程在化工生產中的應用87
三、傳熱學與熱力學的關係87
第二節熱傳導87
一、熱傳導方程88
二、傳導傳熱計算89
第三節對流傳熱94
一、對流傳熱分析94
二、壁面和流體間的對流傳熱速率94
三、管內湍流流動的傳熱膜係數96
四、管外湍流流動的傳熱膜係數99
五、大空間內自然對流的傳熱膜係數99
第四節輻射傳熱100
一、基本概念100
二、斯忒藩-玻耳茲曼定律101
三、克希霍夫定律102
四、兩固體間的相互輻射102
五、設備熱損失的計算104
第五節傳熱計算104
一、換熱器的熱負荷計算105
二、傳熱平均溫度差的計算106
三、總傳熱係數113
第六節熱交換器118
一、間壁式換熱器的類型118
二、板式換熱器119
三、換熱器發展概況121
第七節傳熱過程的強化123
一、換熱器熱交換過程的強化123
二、強化技術及能耗研究124
第八節管殼式換熱器的設計與選用125
一、確定設計方案的基本原則125
二、設計內容125
三、管殼式換熱器的選用125
小結126
習題126
第五章蒸發129
第一節概述129
一、蒸發操作及特點129
二、蒸發操作的經濟性及多效蒸發流程130
第二節蒸發過程計算132
一、蒸發過程的傳熱係數132
二、濃縮熱和溶液的焓濃圖132
三、溶液的沸點和傳熱溫度差損失132
第三節單效蒸發計算134
一、水分蒸發量135
二、加熱蒸汽消耗量135
三、蒸發器的傳熱面積136
第四節多效蒸發計算137
第五節蒸發器的類型與選擇141
一、蒸發器的類型141
二、蒸發器的性能比較與選型146
三、蒸發器的改進與研究147
小結147
習題147
第六章吸收149
第一節概述149
一、吸收在化工生產中的應用149
二、吸收劑的選擇149
三、吸收設備與吸收操作150
第二節吸收過程的相平衡關係150
一、氣體在液體中的溶解度150
二、亨利定律151
三、相平衡關係在吸收過程中的應用153
第三節吸收過程機理154
一、物質在單相中的擴散155
二、雙膜理論156
第四節傳質速率方程157
一、氣相傳質速率方程158
二、液相傳質速率方程158
三、總傳質速率方程158
四、總傳質係數與膜傳質係數的關係159
第五節填料吸收塔計算163
一、物料衡算與操作線方程163
二、吸收劑用量的確定164
三、填料塔塔徑的計算166
四、填料層高度的計算166
第六節填料塔170
一、填料塔的構造和填料170
二、填料塔的流體力學特性171
三、填料塔的附件174
小結177
習題177
第七章精餾180
第一節概述180
第二節雙組分溶液的氣液相平衡180
一、雙組分溶液的氣液相平衡181
二、相對揮發度183
第三節簡單蒸餾和平衡蒸餾185
一、簡單蒸餾185
二、平衡蒸餾185
第四節精餾基本原理186
第五節雙組分連續精餾塔的計算187
一、全塔物料衡算188
二、精餾段物料衡算和精餾段操作線方程189
三、提餾段物料衡算和提餾段操作線方程189
四、加料板的物料衡算與熱量衡算190
五、理論塔板數的計算194
六、塔板效率與實際塔板數202
七、塔高、塔徑及板壓降的計算203
第六節間歇精餾205
一、餾出液濃度維持恆定的操作205
二、回流比維持恆定的操作206
第七節特殊精餾206
一、恆沸精餾207
二、萃取精餾208
第八節精餾塔及其選擇208
一、有溢流裝置的板式塔208
二、無溢流裝置的板式塔211
三、新型塔板212
四、精餾裝置的選擇214
小結214
習題214
第八章萃取217
第一節概述217
一、液-液萃取簡介217
二、萃取過程的適用性與經濟性218
三、萃取技術在工業上的應用218
四、萃取劑的選擇與發展219
五、萃取基本流程219
第二節三元體系的液-液平衡關係220
一、三角形坐標220
二、槓桿規則221
三、三角形相圖222
第三節萃取過程的計算225
一、單級萃取的計算225
二、多級錯流萃取的計算226
三、多級逆流萃取的計算228
第四節液-液萃取設備及其選擇232
一、混合-澄清萃取器232
二、離心式萃取設備233
三、塔式萃取設備233
四、液-液萃取設備的選擇236
小結237
習題237
第九章新型分離技術239
第一節膜分離技術239
一、膜分離技術的發展239
二、膜及膜分離技術的定義和分類240
三、膜過濾的基本概念241
四、膜過濾的基本理論242
五、膜組件的結構及其特點243
六、超濾和反滲透的應用245
第二節超臨界流體萃取245
一、超臨界流體的性質246
二、超臨界流體萃取過程247
三、國產超臨界二氧化碳萃取裝置生產工藝248
四、超臨界流體萃取的應用249
第十章乾燥251
第一節概述251
一、乾燥過程的目的和應用251
二、乾燥過程的分類251
三、對流乾燥的特點及流程252
第二節濕空氣的性質和濕度圖253
一、濕空氣的性質253
二、空氣的濕度圖258
三、濕度圖的用法259
第三節乾燥過程的物料衡算和熱量衡算260
一、物料衡算260
二、熱量衡算262
三、乾燥器出口空氣狀態的確定263
四、乾燥器的熱效率和乾燥效率264
第四節乾燥速率和乾燥時間265
一、物料與水分的結合狀態265
二、乾燥速率及其影響因素266
三、恆定乾燥條件下的干燥時間計算268
第五節乾燥器及其選擇270
一、對乾燥器的要求270
二、乾燥器的分類271
三、工業常用的對流乾燥器271
四、乾燥器的選型274
小結275
習題275
第十一章化學反應工程學——反應器基本原理277
第一節概述277
一、化學反應工程學的基本任務和研究方法277
二、化學反應過程和化學反應器的分類278
三、理想均相反應器284
第二節物料在反應器內的流動模型286
一、理想流動模型286
二、非理想流動模型288
第三節理想均相反應器計算288
一、基本原理288
二、間歇反應器289
三、活塞流反應器291
四、全混流反應器296
五、多級全混流反應器298
第四節反應器型式和操作方法的評比與選擇301
一、反應器生產能力的比較301
二、反應產物收率的比較303
第五節非理想流動305
一、實際反應器對理想類型的偏離305
二、停留時間分佈的表示方法306
三、停留時間分佈的實驗測定306
四、停留時間分佈的數字特徵308
五、理想反應器中的停留時間分佈309
六、非理想反應器中的停留時間分佈311
七、停留時間分佈曲線的應用314
第六節氣-固相催化反應器317
一、氣-固催化反應過程318
二、氣-固催化反應動力學318
三、固定床催化反應器簡介320
四、流化床反應器簡介322
小結324
習題324
附錄327
一、物理量的單位、量綱與換算327
二、水的重要物理性質328
三、水在不同溫度下的黏度（0～100℃）329
四、飽和水蒸氣性質（以溫度為準）330
五、飽和水蒸氣的性質（以壓強為準）331
六、管子規格332
七、泵規格333
八、物質的熱導率335
九、列管式換熱器總傳熱係數K的範圍336
十、某些氣體溶於水時的亨利係數337
十一、物質的擴散係數338
十二、某些二元物系氣液平衡組成338
十三、幹空氣的物理性質(p=101.325kPa)339
參考文獻340

二、傳熱過程在化工生產中的應用
化工生產中的很多過程和操作都需要進行加熱或冷卻，例如，幾乎所有的化學反應過程都需要控制在一定的溫度下進行。為此，可以用某種熱流體在換熱設備內進行加熱；在另一些情況下，為將反應後的高溫流體加以冷卻，可以用某種冷流體與之換熱以移走熱量。此外，化工設備的保溫、生產中熱能的合理利用以及廢熱的回收等均會涉及傳熱問題。由此可見，幾乎所有的化工生產過程都伴隨著傳熱操作。
化工廠中的許多設備實質上都是兩種流體進行熱量交換的裝置。工業上把這類將一種流體的熱量傳遞給另一種流體的設備統稱為換熱器或熱交換器。據統計，換熱器佔化工廠設備總重量的40%左右。在石化行業中，換熱器約佔建廠投資費用的20%，佔工藝設備總重量的40%。
化工生產中對傳熱過程的要求通常有以下兩種情況：一種是強化傳熱過程，提高各種換熱設備的傳熱速率；另一種是削弱傳熱過程，對設備或管道保溫（隔熱），降低傳熱速率，減少熱量損失。
傳熱過程也和流體流動過程一樣，分為定態和非定態兩種。通常，把換熱器中傳熱面各點的溫度僅隨位置而變，並不隨時間而改變的傳熱過程稱為定態傳熱。其特點是單位時間通過單位傳熱面積傳出的熱量是個常數。假若換熱器中傳熱面各點的溫度既隨位置而變又隨時間而變，則稱為非定態傳熱，間歇操作多屬這種情況。
……