作者：齐鸣斋 主编 丛梅、郭永学、孙浩 编写
出版社：化学工业出版社
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化工原理：制药专业适用试读：
前言
前 言本书以制药生产过程中典型的单元操作为主要内容进行编写。制药生产包括中药制药、生物制药、化学制药。制药过程包含着众多的单元操作，且新的单元操作随着科学技术的发展还在不断涌现。但是，不同的单元操作有不同的工艺目的，基于不同的原理，采用了不同的研究方法、不同的数学表达方式。总体上，它们可分成流体输送和非均相分离过程、传热过程、传质分离过程三部分。因此，本书以“一条主线、三个面向”为框架，即“以传递过程为主线，面向科学研究，面向工业应用，面向技术经济”，将制药过程单元操作按传递过程共性归类；以动量传递为基础叙述流体输送、过滤、沉降、搅拌等操作；以热量传递为基础阐述换热、蒸发操作，以质量传递的原理说明精馏、萃取、浸取、吸附、结晶、膜分离、干燥等传质单元操作。本书还结合了多年来应用发展的新技术、新设备。
本书各章的编写按认识论原理叙述教学内容。由表及里、由浅入深是人们认识事物的基本原理。各章节的教学内容按照“定性-定量-应用”的程式展开，体现过程分析、数学表达、工程应用的不同层次，便于读者由浅入深、循序渐进地进行学习。各章末附有习题、思考题，书末附有习题答案以便读者自学。
将过程的数学表达用于实际时，本书从设计、操作两方面着手讨论，便于读者理论联系实际，也为读者解决综合性问题打好基础。
化工原理的工程实践性很强，很多知识和能力需通过应用实例分析、实验等环节才能使读者真正掌握。为此，我们还编写了化工原理实验内容，包括带泵管路、过滤、传热、精馏、萃取、干燥等典型单元操作实验，读者可通过扫描第300页的二维码下载附赠化工原理实验内容。
本书由华东理工大学齐鸣斋主编，其中非均相物系的分离、液体精馏、膜分离章节由丛梅编写，搅拌、溶液结晶、化工原理实验章节由郭永学编写，传热、固体干燥章节由孙浩编写，流体流动和流体输送机械、萃取和浸取、蒸发、吸附分离章节由齐鸣斋编写。本书是普通高等教育制药类“十三五”规划教材中的一本，编写中得到了系列教材编委会和编委会主任清华大学罗国安教授的指导，在此表示衷心感谢。
因作者水平有限，书中难免有疏漏之处，如蒙读者赐教，则预致谢忱，以便再版时更正。编者2019年1月第0章 绪论0.1 制药过程与单元操作
随着科学技术的进步和人类社会的发展，制药工业已成为越来越重要的产业，它包括了原料药的生产和药物制剂的生产。制药包含了中药制药、生物制药和化学制药。例如，中药制药中，原料药通过药材的浸取、反应、分离、干燥等步骤获得，它是药品的基础物质，但最终需制成适当的药物制剂，才能供医疗使用。如果加工不当，会使药用成分流失或变性，使之“虽有药名，终无药实”，在医疗中出现“脉准、方对、不治病”的现象。药品种类繁多，每一种药品的生产都有独特的工艺过程，但是，各种不同的工艺过程都是由若干个单元操作和单元反应组成的。这些单元操作在不同的药品生产中都会或多或少地出现，它们的实质是相同的。化工原理课程研究这些单元操作，主要有流体输送、搅拌、换热、蒸发、精馏、萃取、浸取、干燥、结晶、吸附、膜分离等。每一个单元操作都是基于一个物理的、物理化学的基本原理，实现一个过程。例如，精馏是基于各组分挥发度的差异而实现液体混合物分离，液液萃取是基于各组分在溶剂中的溶解度的差异而实现液体混合物分离，吸附是基于流体混合物中各组分与固体吸附剂表面分子结合力的不同而实现混合物分离，结晶是基于各组分在溶剂中的溶解度的差异而实现混合物分离，等等。0.2 化工原理课程的性质与任务
化工原理课程的先修课程是数学、物理、物理化学，本课程的任务是利用先修课程的知识来解决制药生产中的单元操作问题，研究各单元操作的共性问题。各单元操作的共性问题就是传递过程：动量传递、热量传递、质量传递。流体输送、搅拌涉及的主要是动量传递，换热、蒸发涉及的主要是热量传递，精馏、萃取、浸取、干燥、结晶、吸附、膜分离涉及的主要是质量传递，各单元操作的目的、物态、原理、传递过程如表0-1所示。
各单元操作包括过程和设备两个方面的内容。各单元操作中所发生的过程都有内在的规律。例如，液-固非均相混合物的沉降分离中所进行的过程实质是细颗粒在液体中的自由沉降；过滤过程的实质是液体通过滤饼（颗粒层）的流动。又如，液体的萃取分离过程的实质是传质-溶解。研究各单元操作就是为了掌握过程的规律，并设计设备的结构和大小，使过程在有利的条件下进行。从表0-1可见，贯穿化工原理课程的主线就是传递过程，它是本课程统一的研究对象，也是联系各单元操作的主线。表0-1 制药常用单元操作0.3 单位换算
物理量是通过描述自然规律的方程或定义新的物理量的方程而相互联系的。可把少数几个物理量作为相互独立的，其他的物理量可根据这几个量来定义。这少数几个相互独立的物理量为基本量，可由基本量导出的物理量为导出量，在国际单位制（SI制）中共有七个基本量：长度，质量，时间，电流，热力学温度，物质的量和发光强度。其他的量，都可以由这七个基本量导出。
一个物理量是由数值和单位组合表示的。与七个基本量对应，国际单位制共有七个基本单位：长度m，质量kg，时间s，电流A，温度K，物质的量mol，发光强度cd（坎德拉）。与导出量对应的是导出单322位，如密度kg/m，加速度m/s，力N（=kg·m/s）。
不同单位制所定义的基本量不同，其单位也不同。同一个物理量用不同的单位表示时，就涉及其数值的换算问题。化工原理课程采用SI制，但因历史原因，涉及的单位制还有：CGS制、工程单位制。表0-2所示为常用单位制的基本单位。表0-2 常用单位制的基本单位
在工程单位制中，力是基本单位，将作用在1kg质量上的重力定义为1kgf。换算关系为2251kgf=1kg×9.81 m/s=9.81N=1000g×981cm/s=9.81×10dyn
在使用力、压强等物理量时，常需要进行工程单位制、CGS制与SI制的换算。第1章 流体流动和流体输送机械
气体、液体、超临界物质、悬浮液、气溶胶都是流体。制药生产涉及大量流体物料，涉及的过程大多在流动条件下进行。流体流动的规律是本课程的重要基础。涉及流体流动规律的主要有：流动阻力及流量计量；流动对传热、传质及化学反应的影响；流体的混合。
当流体从低能位向高能位输送时，须使用流体输送机械。用以输送液体的机械通称为泵，用以输送气体的机械则按不同的情况分别称为通风机、鼓风机、压缩机和真空泵等。学习常用流体输送机械的工作原理和特性，可恰当选择和使用这些流体输送机械。1.1 概述1.1.1 流体流动中的作用力
连续性 流体由大量单个分子组成，彼此间有一定间隙。但是，工程上关心的是流体的宏观运动，可将流体看作是由无数质点组成的、彼此间没有间隙的连续介质，即流体是连续的。这样，可用连续函数描述流体的物理性质及运动参数。例如，对于速度，可作如下描述u=f（x，y，z，t）， u=f（x，y，z，t）， u=f（x，y，z，t）xxyyzz （1-1）
式中，x、y、z为位置坐标；t为时间；u、u、u为坐标点的速xyz度在三个坐标方向上的分量。
定态流动 若流体运动空间各点的状态不随时间变化，则该流动被称为定态流动。反之，为非定态流动。
流线 同一时刻不同流体质点在速度方向上的空间连线就是流线。流线上切线表示切点流体的速度方向，如图1-1所示。图1-1 流线
控制体 制药生产中往往关心某些固定空间（如某一设备）中的流体运动。当划定一固定的空间体积来考察问题时， 该空间体积称为控制体。
流动中的流体受到的作用力可分为体积力和表面力两种。
体积力 体积力作用于流体的每一个质点上，并与流体的质量成正比，也称质量力，对于均质流体也与流体的体积成正比。重力与离心力都是典型的体积力。
表面力——压力与剪力 表面力与表面积成正比。表面力可分解为垂直于表面的力和平行于表面的力。前者称为压力，后者称为剪力（或切力）。单位面积上所受的压力称为压强；单位面积上所受的剪力称为剪应力。2
压强的单位 压强用p表示，其单位是N/m， 也称为帕斯卡6（Pa），其10倍称为兆帕（MPa），即61MPa=10Pa
工程上常用兆帕作压强的计量单位。
密度 体积力与密度密切相关。单位物质体积具有的质量称为密3度，用ρ表示，其单位是kg/m。液体的密度随压强变化很小，当压强不是很大时，它可视作与压强无关，称为不可压缩流体。
气体的密度随压强和温度变化，称为可压缩流体。压强不是很大时，可按理想气体状态方程计算气体密度 （1-2）3
式中，m为质量，kg；V为体积，m；M为摩尔质量；R为气体常数，R=8.314kJ/（kmol·K）；T为热力学温度，K。
剪应力 设有间距甚小的两平行平板，其间充满流体（见图1-2）。图1-2 剪应力与速度梯度
下板固定，上板施加一切向力F 使平板以速度u作匀速运动。流体在固体表面不会滑脱，保持与固体表面相同的速度，板间各层流体的速度大小不同，如图中箭头所示。对大多数流体，单位面积的切向力F/A，即剪应力τ服从下列牛顿黏性定律 （1-3）2
式中，为法向速度梯度，1/s；μ为流体的黏度，N·s/m，即Pa·s；τ为剪应力，Pa。
黏度 黏度因流体而异，是流体的物性。式（1-3）表明，相邻流体层的速度只能连续变化。黏性的物理本质是分子间的引力和分子的运动与碰撞。常用流体的黏度可从附录查取。通常液体的黏度随温度增加而减小。气体的黏度通常比液体的黏度小两个数量级，其值随温度上升而增大。2
黏度的单位是Pa·s， 较早也常用泊（达因·秒/厘米）或厘泊（0.01泊）表示。其间的关系为
黏度μ和密度ρ常以比值的形式出现，为简便起见，定义 （1-4）2
ν称为运动黏度，在SI单位中以m/s表示，CGS单位为沲（厘米2 /秒），其百分之一为厘沲。为示区别，黏度μ又称为动力黏度。
理想流体 当流体无黏性，即μ=0时，称为理想流体。实际流体都有黏性。1.1.2 流体流动中的机械能
流体所含的能量包括内能和机械能。流动流体中除位能、动能外还存在另一种机械能——压强能。流体在重力场中运动时，如自低位向高位对抗重力运动，流体将获得位能。与之相仿，流体自低压向高压对抗压力流动时，流体也将由此而获得能量，这种能量称为压强能。流体的压强能也称为流动功。流体流动时将存在着三种机械能的相互转换。
气体在流动过程中因压强变化而发生密度变化，从而在内能与机械能之间也存在相互转换。1.1.3 流体输送机械的分类
制药生产涉及的流体可能是强腐蚀性的、易燃易爆的、温度很高或很低的、或含有固体悬浮物的，其性质千差万别。在不同场合下，对输送量和补加能量的要求也相差悬殊。依作用原理不同，可将流体输送机械作如下分类。
动力式（叶轮式）：包括离心式、轴流式等。
容积式（正位移式）：包括往复式、旋转式等。
其他类型：指不属于上述两类的其他型式，如喷射式等。
气体的密度及压缩性与液体有显著区别，从而导致气体与液体输送机械在结构和特性上有不同之处。1.2 流体静力学1.2.1 流体静力学方程
静压强 在静止流体中，作用于某一点不同方向上的压强在数值上是相等的，即一点的压强只要说明它的数值即可。静压强的数值与位置有关，即p=f（x，y，z） （1-5）图1-3 流体控制体的受力平衡
静力学方程 在静止流体中，取一底面积为A的垂直柱形控制体，柱体上平面的坐标为（x，y，z），下平面的坐标为（x，y，z），如12图1-3所示。因流体是静止的，不受任何剪应力，且处于力平衡状态，该柱体在垂直方向上所受的力为：①向下的表面力pA；②向上的表1面力pA；③向下的体积力A（z-z）ρg。由力平衡可得212pA-pA-A（z-z）ρg=02112
即p=p+（z-z）ρg= p+ρgh （1-6）21121
或 （1-7）
式（1-6）中，h=z-z。12
式（1-7）被称为流体静力学方程。应当指出，式（1-6）、式（1-7）仅适用于在重力场中静止的不可压缩流体。上列各式表明静压强仅与垂直位置有关，而与水平位置无关，即等高等压，水平面就是等压面。这正是由于流体仅处于重力场中的缘故。若流体处于离心力场中，静压强分布将遵循不同的规律。对于气体，原则上须按式（1-6）的微分式dp=-ρgdz由密度与压强的关系进行积分。压强变化不大时，密度可近似地取其平均值而视为常数，式（1-7）仍可应用。1.2.2 流体静力学方程的应用
虚拟压强 式（1-7）中，gz项是单位质量流体的位能，是单位质量流体的压强能。位能与压强能都是势能。式（1-7）表明，在同种静止流体中，不同位置的流体，其位能和压强能各不相同，但其和即总势能保持不变。若以符号表示单位质量流体的总势能，则 （1-8）
式中，具有与压强相同的量纲，可理解为一种虚拟的压强。 （1-9）
对不可压缩流体，式（1-8）表示同种静止流体各点的虚拟压强处处相等。由于的大小与密度ρ有关，在使用虚拟压强时，必须注意所指定的流体种类以及高度基准。
压强的其他表示方法 压强的大小除直接以Pa表示外，在压强不太大的场合，工程上常间接地以流体柱高度表示，如用米水柱或毫米汞柱等。液柱高度h与压强的关系为p=ρgh （1-10）
注意：当以液柱高度h表示压强时，必须同时指明为何种流体。5例如，1atm（标准大气压）=1.013×10Pa，即0.1013MPa，相当于760mmHg或10.33mHO。2
压强的基准 压强的大小常用两种不同的基准来表示：一是绝对真空；二是大气压强。以绝对真空为基准测得的压强称为绝对压强， 以大气压强为基准测得的压强称为表压或真空度。表压是压强表直接测得的读数，其数值就是绝对压强与大气压强之差，即表压=绝对压-大气压
真空度是真空表直接测量的读数，其数值表示绝对压比大气压低多少，即真空度=大气压-绝对压
图1-4表示绝对压、表压或真空度之间的关系。为免混淆，用表压或真空度表示压强数值时，须加说明，如0.3MPa（表压），0.05MPa（真空度）。图1-4 压强的基准和度量
简单测压管 简单测压管如图1-5所示。储液罐的A点为测压口。测压口与一玻管连接，玻管的另一端与大气相通。由玻管中的液面高度获得读数R，用静力学方程即式（1-6）得p=p+RρgAa
A点的表压为p-p=Rρg （1-11）Aa图1-5 简单测压管图1-6 U形测压管
U形测压管 在图1-6中，用U形测压管测量容器中的A点压强。U形玻璃管内放有某种液体作为指示液。指示液必须与被测流体不发生化学反应且不互溶，其密度ρ大于被测流体的密度ρ。由等高等压i可知，图中1、2两点的压强p=p+ρgh1A1
与p=p+ρgR2ai
相等，由此可求得A点的压强为p=p+ρgR-ρghAai1
A点的表压为p-p=ρgR-ρgh （1-12）Aai1
如果容器内为气体，则由气柱h造成的静压差可忽略，得1p-p=ρgR （1-13）Aai
此时U形测压管的指示液读数R表示A点压强与大气压之差，读数R即为A点的表压。
U形压差计 若U形测压管的两端分别与两个测压口相连，则可以测得两测压点之间的压差，故称为压差计。图1-7表示U形压差计测量直管内作定态流动时A、B两点的压差。因U形管内的指示液处于静止，位于同一水平面1、2两点的压强p=p+ρgh1A1
与p=p+ρg（h-R）+ρgR2B2i
相等， 故有（p+ρgz）-（p+ρgz）=Rg（ρ-ρ）AABBi
或 （1-14）图1-7 虚拟压强差
由式（1-14）可见，当压差计两端的流体相同时，U形压差计直接测得的读数R实际上并不是真正的压差，而是A、B两点虚拟压强之差。只有当两测压口处于等高面上时，，U形压差计才能直接测得两点的压差。
当压差一定时，用U形压差计测量的读数R与密度差（ρ-ρ）有关。i有时，也可以用密度较小的流体（如空气）作指示剂，采用倒U形管测量压差。【例1-1】 静压强计算某容器上装有一复式U形水银测压计，如图1-8所示。截面2、4间充满水。已知对某基准面而言各点的标高为z=2.1m，0z=0.9m，z=2.0m，z=0.7m，z=2.5m。试求该容器内水面上2467的压强。图1-8 复式U形水银测压计解：按静力学方程， 同种静止流体的连通器内，等高等压， 故有p=p， p=p， p=p123456对水平面1-2而言， p=p，即21p=p+ρ g（z-z）2ai01对水平面3-4而言p=p=p-ρg（z-z）43242对水平面5-6而言p=p+ρg（z-z）64i45容器内水面上的压强p=p-ρg（z-z）676p= p+ρ g（z-z）+ρ g（z-z）-ρg（z-z）-ρg（z-z）ai01i454276则表压为1.3 流体流动中的守恒原理
弄清流速、压强等运动参数在流体流动过程中的相互关系是研究其规律的基础。流体流动应当服从一般的守恒原理：质量守恒、机械能守恒。本节将导出这些守恒原理在流体流动中的具体表达形式。1.3.1 质量守恒
流量 单位时间内流过管道某一截面的物质量称为流量。流过的3量若以体积表示，称为体积流量，以符号q表示，常用的单位有m/sV3或m/h。若以质量表示，则称为质量流量，以符号q表示，常用的m单位有kg/s或kg/h。
体积流量q与质量流量q之间存在下列关系Vmq=qρ （1-15）mV
流量是一种瞬时的特性，不是某段时间内累计流过的量。它可因时而异。当流体作定态流动时，流量不随时间而变。
平均流速 流体质点在单位时间内流动方向上流经的距离称为流速，用符号u表示，单位为m/s。管内流体流动时，因黏性的存在，流速沿管截面形成某种分布。在工程计算中，常用一个平均速度来代替这一速度分布。定义物理量的平均值时应按其目的采用相应的平均方法。在流体流动中按体积流量相等的原则来定义平均流速。平均速度以符号表示，即 （1-16）
式中，u为某点的流速，m/s；A为垂直于流动方向的管截面积，2m。
从而 （1-17）
有时，采用质量流速G的概念，亦称为质量通量，其单位为kg/2（m·s）。 （1-18）
对于气体在直管中的流动，沿程的平均速度和密度都会发生变化，而质量流速G是沿程不变的。
质量守恒方程 考察图1-9中截面1-1至2-2之间的管段控制体，定态流动时，控制体内没有积累量，单位时间内流进和流出控制体的质量应相等，即 （1-19）
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]