化学工程单元操作

引用

McCabe, W. L., Smith, J. C., & Harriott, P. (2005). Unit Operations of Chemical Engineering (7th ed.). McGraw-Hill.

章节概要

第七版分为五个部分共29章，另有19个附录，包括换算系数、无量纲数、设备数据和物性表。序言称本书是面向本科三、四年级学生的入门教材，每个主要单元操作各占一章。它假定读者已学过通常的数学、化学和物理课程以及化学工程导论，并具备物料衡算和能量衡算的初步知识。

第1部分，第1章：Definitions and Principles（定义与原理）

唯一的导引章，讲定义与原理。序言补充说，几乎所有公式都用SI单位书写，但并未完全去掉旧的cgs和fps单位。

第2部分，第2—4章：Fluid Statics and Its Applications（流体静力学及其应用）；Fluid Flow Phenomena（流体流动现象）；Basic Equations of Fluid Flow（流体流动的基本方程）

流体力学部分从流体静力学开始，然后是流动现象和流动的基本方程。据出版社列出的修订内容，第3章的粘度一节新增了气体和液体的简单理论，后面各章对热导率和扩散系数也讨论类似的理论，以便比较三者。

第2部分，第5—9章：Incompressible Flow in Pipes and Channels（管道与渠道中的不可压缩流动）；Flow of Compressible Fluids（可压缩流体的流动）；Flow past Immersed Objects（绕物体的流动）；Transportation and Metering of Fluids（流体的输送与计量）；Agitation and Mixing of Liquids（液体的搅拌与混合）

这些章把基本方程用于管道和渠道、可压缩流体以及绕物体的流动，随后讲泵送与流量测量，以及液体的搅拌与混合。

第3部分，第10—13章：Heat Transfer by Conduction（导热）；Principles of Heat Flow in Fluids（流体中热流的原理）；Heat Transfer to Fluids without Phase Change（无相变的流体传热）；Heat Transfer to Fluids with Phase Change（有相变的流体传热）

传热部分从导热开始，然后是流体中的热流，再到无相变和有相变的流体传热。

第3部分，第14—16章：Radiation Heat Transfer（辐射传热）；Heat-Exchange Equipment（换热设备）；Evaporation（蒸发）

辐射、进行热交换的设备以及蒸发。本版在设备一章中增加了热管和板式换热器。

第4部分，第17—20章：Principles of Diffusion and Mass Transfer between Phases（扩散与相间传质原理）；Gas Absorption（气体吸收）；Humidification Operations（增湿操作）；Equilibrium-Stage Operations（平衡级操作）

传质部分从扩散和相间传递开始，随后应用到气体吸收和增湿，并引入平衡级操作。非稳态扩散一节得到扩充，加入了缓释给药的例子。

第4部分，第21—23章：Distillation（蒸馏）；Introduction to Multicomponent Distillation（多组分蒸馏导论）；Leaching and Extraction（浸取与萃取）

包括一章蒸馏、多组分蒸馏导论，以及一章浸取与萃取。蒸馏各章修订了闪蒸、液泛极限和塔板效率几节。

第4部分，第24—27章：Drying of Solids（固体干燥）；Fixed-Bed Separations（固定床分离）；Membrane Separation Processes（膜分离过程）；Crystallization（结晶）

本版为干燥增加了干燥速率关联式和干燥器热效率的讨论。固定床一章新增了在罐中用粉末活性炭处理水相废液，以及用于发酵液纯化的膨胀床吸附的内容。膜过程和结晶结束传质部分。

第5部分，第28—29章：Properties and Handling of Particulate Solids（颗粒固体的性质与处理）；Mechanical Separations（机械分离）

最后一部分讲颗粒固体及其机械分离。出版社列出第29章新增了渗滤（diafiltration）一节，对超滤和微滤的论述有所扩充，滤饼洗涤的讨论也经过修订。

核心概念

第1—2部分：原理与流体力学

• 单元操作：本书把过程中每种主要的物理操作各用一章来讲。
• 传递类比：本版更强调动量传递、扩散和导热之间的类比，并通过平行的简单理论来讨论粘度、热导率和扩散系数。
• 泵送、计量与混合：第8章和第9章把流动方程用于设备。

第3部分：传热

• 导热、对流和辐射：导热（第10章）、有相变和无相变的流体热流（第11—13章）和辐射（第14章）。
• 换热设备与蒸发：第15章和第16章。

第4部分：传质

• 相间传质：第17章，扩散与相间传递。
• 平衡级：第20章，位于蒸馏和萃取各章之前。
• 分离过程：吸收、增湿、蒸馏、浸取与萃取、干燥、固定床吸附、膜和结晶。

第5部分：颗粒固体

• 固体的处理与分离：第28章和第29章，包括滤饼洗涤和渗滤等过滤话题。

评析

优点

• 按操作划分，结构清晰。 每个主要单元操作各有一章，各部分依次是流体、热、质和固体。序言指出，一学期的课程可以基于其中任何一部分或其组合来设计。
• 理论与实践并重。 出版社强调理论与工程实践的平衡和大量示例；序言说书中包含传热、传质和设备设计的最新关联式，因此对在职工程师也有用。
• 历史悠久，修订内容有据可查。 本书可追溯到1956年。出版社列出了本版的具体改动（扩充的粘度理论、吸附、渗滤和干燥的新内容、修订的蒸馏各节），并称30%的章末习题为新增或修订。几乎所有习题用袖珍计算器即可求解，少数更适合用计算机。
• 有一些生物相关的例子。 序言提到食品加工、生物分离和生物体系中的扩散等例子，出版社则把渗滤、吸附和膜操作列为特色。

局限

• 以先修知识为前提。 序言期望读者事先学过化学工程导论和物料、能量衡算的初步知识。目录中没有讲授衡算的章，导引章只有第1章。
• 范围较窄。 目录中没有反应工程、热力学、过程控制或工厂设计的章。生物工程不是独立主题，只是穿插的例子。
• 单位。 公式大多用SI单位，但cgs和fps单位仍有保留，学生必须能在它们之间转换。
• 篇幅。 全书29章，超出一门课程所需，教师需要选取章节。

在课程中的定位

在化工过程工程书单中，McCabe、Smith 和 Harriott 是单元操作教材。与它重叠最多的是 Geankoplis 的 Transport Processes and Separation Process Principles，本站介绍该书时说，它把动量、热量和质量传递作为一个整体来讲，再用于分离设备。McCabe 则按目录各部分那样逐个操作展开，两本书可以针对同一主题对照阅读。

在它之前应先学一门衡算课：Felder、Rousseau 和 Bullard 的 Elementary Principles of Chemical Processes 讲授 McCabe 所假定的物料与能量衡算，Denn 的 Chemical Engineering: An Introduction 则是一本简短的入门教材。Fogler 的 Elements of Chemical Reaction Engineering 讲反应器，这是本书没有的内容；Towler 和 Sinnott 的 Chemical Engineering Design 是面向高年级、把核心课程汇集到过程与工厂设计中的书。

如何使用本书

本书适合已学过导论课程和衡算的化学工程三、四年级学生，也适合需要查找关联式的在职工程师。一个切实可行的读法如下：

• 核心： 第1章，然后依次读流体力学、传热和传质各部分，因为后面的部分依赖前面的内容。序言也支持每学期选一个部分或其组合来学。
• 选读： 可压缩流动、绕物体流动和混合的第6、7、9章，以及多组分蒸馏、干燥和结晶的第22、24、27章，可按课程需要选择。
• 颗粒固体： 第28章和第29章可以独立于传递各章阅读。

请做章末习题，因为其中30%是新增或修订的，解题时要用附录中的粘度、热导率和无量纲数等表格。还要核对每个公式所用单位属于SI、cgs还是fps。