化學工程單元操作

引用

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

章節概要

第七版分為五個部分共29章，另有19個附錄，包括換算係數、無因次數、設備資料和物性表。前言稱本書是針對大學部三、四年級學生的入門教材，每個主要單元操作各佔一章。它假定讀者已學過通常的數學、化學和物理課程以及化學工程導論，並具備質量均衡與能量均衡的初步知識。

第1部分，第1章：Definitions and Principles（定義與原理）

唯一的導引章，講定義與原理。前言補充說，幾乎所有公式都用SI單位書寫，但並未完全去掉舊的cgs和fps單位。

第2部分，第2—4章：Fluid Statics and Its Applications（流體靜力學及其應用）；Fluid Flow Phenomena（流體流動現象）；Basic Equations of Fluid Flow（流體流動的基本方程）

流體力學部分從流體靜力學開始，然後是流動現象和流動的基本方程。據出版社列出的修訂內容，第3章的黏度一節新增了氣體和液體的簡單理論，後面各章對熱傳導率和擴散係數也討論類似的理論，以便比較三者。

第2部分，第5—9章：Incompressible Flow in Pipes and Channels（管道與渠道中的不可壓縮流動）；Flow of Compressible Fluids（可壓縮流體的流動）；Flow past Immersed Objects（繞物體的流動）；Transportation and Metering of Fluids（流體的輸送與計量）；Agitation and Mixing of Liquids（液體的攪拌與混合）

這些章把基本方程用於管道和渠道、可壓縮流體以及繞物體的流動，隨後講泵送與流量測量，以及液體的攪拌與混合。

第3部分，第10—13章：Heat Transfer by Conduction（導熱）；Principles of Heat Flow in Fluids（流體中熱流的原理）；Heat Transfer to Fluids without Phase Change（無相變的流體熱傳）；Heat Transfer to Fluids with Phase Change（有相變的流體熱傳）

熱傳部分從導熱開始，然後是流體中的熱流，再到無相變和有相變的流體熱傳。

第3部分，第14—16章：Radiation Heat Transfer（輻射熱傳）；Heat-Exchange Equipment（換熱設備）；Evaporation（蒸發）

輻射、進行熱交換的設備以及蒸發。本版在設備一章中增加了熱管和板式換熱器。

第4部分，第17—20章：Principles of Diffusion and Mass Transfer between Phases（擴散與相間質傳原理）；Gas Absorption（氣體吸收）；Humidification Operations（增濕操作）；Equilibrium-Stage Operations（平衡級操作）

質傳部分從擴散和相間傳遞開始，隨後應用到氣體吸收和增濕，並引入平衡級操作。非穩態擴散一節得到擴充，加入了緩釋給藥的例子。

第4部分，第21—23章：Distillation（蒸餾）；Introduction to Multicomponent Distillation（多組分蒸餾導論）；Leaching and Extraction（浸取與萃取）

包括一章蒸餾、多組分蒸餾導論，以及一章浸取與萃取。蒸餾各章修訂了閃蒸、液泛極限和塔板效率幾節。

第4部分，第24—27章：Drying of Solids（固體乾燥）；Fixed-Bed Separations（固定床分離）；Membrane Separation Processes（膜分離過程）；Crystallization（結晶）

本版為乾燥增加了乾燥速率關聯式和乾燥器熱效率的討論。固定床一章新增了在罐中用粉末活性炭處理水相廢液，以及用於發酵液純化的膨脹床吸附的內容。膜過程和結晶結束質傳部分。

第5部分，第28—29章：Properties and Handling of Particulate Solids（顆粒固體的性質與處理）；Mechanical Separations（機械分離）

最後一部分講顆粒固體及其機械分離。出版社列出第29章新增了滲濾（diafiltration）一節，對超濾和微濾的論述有所擴充，濾餅洗滌的討論也經過修訂。

核心概念

第1—2部分：原理與流體力學

• 單元操作：本書把過程中每種主要的物理操作各用一章來講。
• 傳遞類比：本版更強調動量傳遞、擴散和導熱之間的類比，並透過平行的簡單理論來討論黏度、熱傳導率和擴散係數。
• 泵送、計量與混合：第8章和第9章把流動方程用於設備。

第3部分：熱傳

• 導熱、對流和輻射：導熱（第10章）、有相變和無相變的流體熱流（第11—13章）和輻射（第14章）。
• 換熱設備與蒸發：第15章和第16章。

第4部分：質傳

• 相間質傳：第17章，擴散與相間傳遞。
• 平衡級：第20章，位於蒸餾和萃取各章之前。
• 分離過程：吸收、增濕、蒸餾、浸取與萃取、乾燥、固定床吸附、膜和結晶。

第5部分：顆粒固體

• 固體的處理與分離：第28章和第29章，包括濾餅洗滌和滲濾等過濾話題。

評析

優點

• 按操作劃分，結構清晰。 每個主要單元操作各有一章，各部分依次是流體、熱、質和固體。前言指出，一學期的課程可以基於其中任何一部分或其組合來設計。
• 理論與實踐並重。 出版社強調理論與工程實踐的平衡和大量範例；前言說書中包含熱傳、質傳和設備設計的最新關聯式，因此對在職工程師也有用。
• 歷史悠久，修訂內容有據可查。 本書可追溯到1956年。出版社列出了本版的具體改動（擴充的黏度理論、吸附、滲濾和乾燥的新內容、修訂的蒸餾各節），並稱30%的章末習題為新增或修訂。幾乎所有習題用手持計算機即可求解，少數更適合用電腦。
• 有一些生物相關的例子。 前言提到食品加工、生物分離和生物體系中的擴散等例子，出版社則把滲濾、吸附和膜操作列為特色。

局限

• 以先修知識為前提。 前言期望讀者事先學過化學工程導論和質量與能量均衡的初步知識。目錄中沒有講授均衡計算的章，導引章只有第1章。
• 範圍較窄。 目錄中沒有反應工程、熱力學、過程控制或工廠設計的章。生物工程不是獨立主題，只是穿插的例子。
• 單位。 公式大多用SI單位，但cgs和fps單位仍有保留，學生必須能在它們之間轉換。
• 篇幅。 全書29章，超出一門課程所需，教師需要選取章節。

在課程中的定位

在化工過程工程書單中，McCabe、Smith 和 Harriott 是單元操作教材。與它重疊最多的是 Geankoplis 的 Transport Processes and Separation Process Principles，本站介紹該書時說，它把動量、熱量和質量傳遞作為一個整體來講，再用於分離設備。McCabe 則按目錄各部分那樣逐個操作展開，兩本書可以針對同一主題對照閱讀。

在它之前應先學一門均衡計算課：Felder、Rousseau 和 Bullard 的 Elementary Principles of Chemical Processes 講授 McCabe 所假定的質量與能量均衡，Denn 的 Chemical Engineering: An Introduction 則是一本簡短的入門教材。Fogler 的 Elements of Chemical Reaction Engineering 講反應器，這是本書沒有的內容；Towler 和 Sinnott 的 Chemical Engineering Design 是針對高年級、把核心課程彙集到過程與工廠設計中的書。

如何使用本書

本書適合已學過導論課程和均衡計算的化學工程三、四年級學生，也適合需要查詢關聯式的在職工程師。一個切實可行的讀法如下：

• 核心： 第1章，然後依次讀流體力學、熱傳和質傳各部分，因為後面的部分依賴前面的內容。前言也支持每學期選一個部分或其組合來學。
• 選讀： 可壓縮流動、繞物體流動和混合的第6、7、9章，以及多組分蒸餾、乾燥和結晶的第22、24、27章，可按課程需要選擇。
• 顆粒固體： 第28章和第29章可以獨立於傳遞各章閱讀。

請做章末習題，因為其中30%是新增或修訂的，解題時要用附錄中的黏度、熱傳導率和無因次數等表格。還要核對每個公式所用單位屬於SI、cgs還是fps。