化学工程流程/单位介绍

单位的一致性

作为工程师，您会遇到的大多数值都将由一个数字和一个单位组成。有些值没有单位，因为它们是纯数字（如圆周率，π）或比率。为了有效地解决问题，所有类型的单位都应该彼此一致，或者应该在同一个系统中。单位系统根据可以轻松复制的某些测量结果定义每种基本单位类型，因此，例如，5 英尺在澳大利亚的长度与在美国的长度相同。有五种常见的基准单位类型或维度（为了量纲分析，它们用缩写形式显示）

长度 (L)，或相对于某个标准距离而言，两个位置之间的物理距离

时间 (t)，或相对于某些自然现象发生所需时间而言，某事发生所需时间

质量 (M)，相对于某个标准而言，物质惯性的量度

温度 (T)，相对于某个标准而言，物质中分子平均动能的量度

电流 (E)，在一定时间内移动的总电荷量的量度

注意：将电荷作为基本单位更有意义，因为电流是单位时间内的电荷，您可能会发现将电荷视为基本单位很方便。但是，电流被证明更容易非常准确和可重复地测量，因此物理学家决定将其作为参考。

有几种不同的单位一致系统。在世界上大多数地方（除了美国，以及在某种程度上英国）国际单位制是标准。在这些国家，国际单位制也用于经过同行评审的科学和工程期刊。在实践中，化学工程师必须精通国际单位制，但能够使用其他系统中的数据，并能够根据工作所需的单位系统指定设计。

常见物理性质的单位

每个单位系统都有大量的导出单位，顾名思义，这些单位是根据基准单位导出的。这些新单位基于其他量的物理定义，并涉及不同变量的组合。下面列出了一些常见的导出系统属性以及相应的维度（ ${\dot {=}}$ 表示单位等价关系）。如果您不知道其中一个属性是什么，您将最终了解它。

属性	维度	属性	维度
质量	M	长度	L
时间	t	温度	T
面积	$L^{2}$	体积	$L^{3}$
速度	${\frac {L}{t}}$	加速度	${\frac {L}{t^{2}}}$
力	${\frac {M*L}{t^{2}}}$	能量/功/热	${\frac {M*L^{2}}{t^{2}}}$
功率	${\frac {M*L^{2}}{t^{3}}}$	压力	${\frac {M}{L*t^{2}}}$
密度	${\frac {M}{L^{3}}}$	粘度	${\frac {M}{L*t}}$
扩散率	${\frac {L^{2}}{s}}$	热导率	${\frac {ML}{t^{3}T}}$
比热容	${\frac {L^{2}}{t^{2}*T}}$	比焓	${\frac {L^{2}}{t^{2}}}$
比吉布斯自由能	${\frac {L^{2}}{t^{2}}}$	比能量	${\frac {L^{2}}{t^{2}*T}}$

SI (kg-m-s) 单位制

这是世界上最常用的单位制，它主要基于10的倍数。它最初基于水的特性，尽管目前有更精确的标准。主要的量纲是

量纲名称	SI单位	SI缩写
长度	米	m
时间	秒	s
质量	千克	kg
温度	开尔文	K
电流	安培	A
物质的量	摩尔	mol

请注意，千克，而不是克，是基本单位。

与水的密切关系在于，一立方米的水重量约为1000千克。

一个可能难以理解的基本单位是摩尔。一摩尔代表6.022*10²³个任何物质的粒子。（这个数字被称为阿伏伽德罗常数，或阿伏伽德罗常数。）这通常指元素或化合物的原子或分子数量。化学工程师通常使用千摩尔。水H₂O的相对分子质量（=分子量）约为18，由2个H原子（原子质量=1）和1个O原子（原子质量=16）构成。因此，18公斤水构成1千摩尔H₂O，包含2千摩尔H原子和1千摩尔O原子。

每个这些基本单位可以通过添加适当的度量前缀来使它更小或更大。具体含义是（来自维基百科的SI页面）

SI 前缀
名称	尧	泽	艾	拍	太	吉	兆	千	百	十
符号	Y	Z	E	P	T	T	M	G	M	k
h	10²⁴	10²¹	10¹⁸	10¹⁵	10¹²	10⁹	10⁶	10³	10²	10¹
名称	da	因子	分	厘	毫	微	纳	皮	飞	阿
符号	仄	幺	m	d	c	µ	n	p	f	a
h	10^-1	10^-2	10^-3	10^-6	10^-9	10^-12	10^-15	10^-18	10^-21	10^-24

z

y

如果您看到长度为1公里，根据图表，前缀“k”表示有10³个东西，后面的“m”表示它是米。所以1公里=10³米。数字和单位之间以及相乘的不同单位之间应该始终有一个空格。乘数和单位之间不能有空格。因此，13 mA 表示 13 毫安，但 13 m A 表示 13 米安。

如上所述，千克是基本单位，但乘数加在克上。 1000公斤=1兆克； 0.001公斤=1克。

SI系统中的导出单位

[edit \| edit source]	想象一下，每次计算压力时，您都必须以kg/(m s²) 的形式写下单位。这将很快变得繁琐，因此 SI 人员建立了导出单位作为这些组合的简写。请注意，以人名命名的单位不以大写字母开头，但缩写则以大写字母开头！例如“一个牛顿的力”和“一个 1.0 N 的力”。化学工程师最常使用的单位如下	属性名称	长 SI 单位	SI 名称
力	$SI 缩写$	等价关系	${\frac {kgm}{s^{2}}}$ ${\frac {kgm}{s^{2}}}$	牛顿
N	$质量 * 加速度$	能量	${\frac {kgm^{2}}{s^{2}}}$ ${\frac {kgm^{2}}{s^{2}}}$	焦耳
功率	$J$	$Nm$ , $Pam^{3}$	${\frac {kgm^{2}}{s^{3}}}$ ${\frac {kgm^{2}}{s^{3}}}$	${\frac {N*m}{s}}$ 或 ${\frac {J}{s}}$
压力	${\frac {kg}{m*s^{2}}}$	帕斯卡	Pa	${\frac {N}{m^{2}}}$

国际单位制允许的单位

一些单位不是简单地从基本单位或常规倍数推导出来的，但它们被广泛使用，因此被允许。因此，虽然时间段可以表示为千秒或兆秒，但我们被允许使用分钟、小时和天。术语“升”（美国）或“公升”（欧洲）被理解为与 1 x 10^-3 m³ 相同，术语“吨”（而不是吨）被理解为与 1000 kg 相同。巴是压力的单位，表示 100 kPa，非常接近化学家的标准大气压（为 101.325 kPa）。摄氏温标被理解为开尔文温度以上 273.15 K。因此，我们被允许写“化学反应器每天的产量为 4.3 吨，压力为 5 巴，温度为 200 °C”，我们将被理解。但是，为了进行计算，可能需要将单位转换为基本单位或导出单位。

cgs（厘米-克-秒）系统

这是第一个公制系统，可能在旧的出版物中找到（1960 年之前）。化学工程师今天没有理由在其中工作，但您可能需要将旧书中的数据进行转换。长度和质量的基本单位分别是厘米和克。力的单位是达因；能量的单位是尔格。g 的值，即标准重力加速度为 981 cm/s/s。粘度单位泊（特别是厘泊，cP）和斯托克斯（特别是厘斯托克斯 cSt）是该系统的残留物，可能在相对较新的出版物中找到。您应该将其转换为 SI。

请注意，化学家经常使用克和立方厘米，但这些是 SI 的一部分。仅仅因为您使用厘米、克和秒，并不意味着您正在使用 cgs 系统。如果您真的想知道，请参阅 w:cgs。

英制、英联邦或美国（重力）系统

该系统是在大英帝国的授权下建立的。它在英国被称为英制，在美国被称为英制（有时称为英语制），在世界许多地方被称为美国制，因为美国是使用该系统的化学工程的主要市场。工程版本使用该传统或习惯措施的子集加上磅力和安培。

它的特殊性在于力和质量之间的关系。根据艾萨克·牛顿，对于在力的作用下加速的固定质量

力 = 质量 x 加速度或 f = m a

在 SI 系统中，1 牛顿的力作用在 1 千克的质量上会产生 1 米每秒的加速度。简单！

在英制系统中，1 磅力的力作用在 1 磅的质量上会产生 32 英尺每秒的加速度。这是因为这是重力下的自然加速度。较旧的美国书籍中经常在公式中包含一个g，而在欧洲版本的相同公式中则没有出现。g 表示单位系统中力和质量之间的关系（在 SI 中为 1）：这里它为 32。有一段时间，美国（主要是）工程师使用了一个包含公斤力的公制版本，因此g 的值为 9.81。物理学家称两者都为重力系统。

常用单位基于传统措施，这些措施在农业和航运中很实用，并且不以 10、100、1000 等步长进行。与其使用前缀，不如使用较大的单位名称，并且可以将相同维度的单位组合在一起，例如 6 码 2 英尺 8 又四分之一英寸（6 码 2 英尺 8¼ 英寸）。但是，工程师倾向于使用一个单位和小数，例如 20.7 英尺，例如 13.47 英寸。英尺也可以用单个标记表示，英寸用双标记表示，例如 4 英尺 7 英寸为 4' 7"。请注意，美国加仑小于英制加仑（实际上是 5/6），当您进行转换为 SI 时。

温标是华氏温标，其中冰的熔点为 32 °F。绝对零度为 -459.67 °F。对于热力学温度，华氏温标高于绝对零度的度数为兰金温标。因此，冰的熔点为 459.67 °R。

以下是在该系统中常见的单位。

量纲名称	英制单位	英制缩写
长度	英尺、英寸	英尺、英寸
时间	秒、分钟或小时	秒、分钟和小时
力	磅力	$lb_{f}$
温度	华氏度	°F
电流	安培	A

一个常见的导出单位是磅（力）每平方英寸，或 psi。请注意，psig 或 psi(g) 表示高于大气压的 psi。能量以英国热量单位衡量，通常为 BTU，有时为 B.Th U。功率为马力，hp。

"每百万分率" 表示法

"每百万分率" 表示法是一个单位，用于处理气体或液体混合物中非常小的痕量物质。百万分率 (ppm) 和十亿分率 (ppb)，以及万亿分率 (ppt)（美国定义的万亿为 10¹²），指的是质量或摩尔比，并说明在混合物的每百万、十亿或万亿份中存在多少份该物质。通常，在处理液体时使用质量比，在处理气体时使用摩尔比，尽管两种比率都可以用于化学物质所处的任何相（比率将在后面的章节中讨论）。

示例:

假设我们周围的空气中含有 20 ppm He（氦气）。

这意味着，如果假设使用的是摩尔基础，则每百万摩尔的空气中就有 20 摩尔的氦气。如果示例是ppb 方面的，这意味着每十亿摩尔的空气中就有 20 摩尔的氦气。

关于转换的一句话

一般来说，将所有数据转换为 SI 单位，然后在该系统中进行计算，最后再根据需要转换回原始单位是比较安全的做法。如果你对美国单位系统足够熟练，你也可以在该系统中进行一些计算。最好查阅转换表或程序来获得必要的转换，尤其要确保单位的正确性。

但是，不要犯只记录计算器或程序给出的数字的错误。

例如，如果你在管道中测得压降为 16 psi，且 1 psi = 6.895 kPa，你的计算器会给出 16 x 6.895 = 110.32。但是，你的答案应该是 110 kPa，因为你的初始值只有两位有效数字。转换因子不能增加精度！

如果所有值都用相同的基准单位表示，并且所使用的方程是正确的，那么答案的单位也将保持一致，并且用相同的基准单位表示。

如何进行单位转换

查找等效关系

进行单位转换的第一步是确定目标单位与已知单位之间的等效关系。为此，可以使用 **转换表**。请参阅 w:Conversion of units，该页面提供了相当广泛的 (但并非详尽的) 常用单位及其等效关系列表。

通常不会列出公制系统内部的转换，因为假设人们可以利用前缀和 $1{\mbox{ mL}}=1{\mbox{ cm}}^{3}$ 这样的关系进行任何需要的转换。

英制系统内部的转换，以及英制和公制之间的转换有时 (但在维基百科上不常见) 会以以下形式写出：

$1(unit1)=(number)(unit2)=(number)(unit3)=....$

例如，你可能还记得化学课上的以下转换：

$1{\mbox{ atm}}=760{\mbox{ mmHg}}=1.013*10^{5}{\mbox{ Pa}}=1.013{\mbox{ bar}}=....$

维基百科上的表格采用了一种略微不同的方式：最左侧一列表示我们拥有的 1 个单位，中间一列表示左侧单位的定义，最右侧一列表示公制等效单位。其中一个条目是英尺到米的转换：

${\mbox{ foot (International) ft}}=1/3{\mbox{ yd}}=0.3048{\mbox{ m}}$

两种方法都很常见，你应该能够使用任何一种方法查找转换关系。

使用等效关系

确定等效关系后，使用以下通用公式：

${\mbox{What you want}}={\mbox{What you have}}*{\frac {\mbox{What you want}}{\mbox{What you have}}}$

右侧的这个分数直接来自转换表。

示例:

将 800 mmHg 转换为巴 (bar)

**解** 如果要将 800 mmHg 转换为巴，使用水平列表直接进行转换：

$bars=800{\mbox{ mmHg}}*{\frac {1.013{\mbox{ bar}}}{760{\mbox{ mmHg}}}}=1.066{\mbox{ bar}}$

使用维基百科上的表格，你需要先转换为 **中间单位** (公制单位)，然后再从中间单位转换为目标单位。我们会发现：

$1{\mbox{ mmHg}}=133.322{\mbox{ Pa}}$ 和 $1{\mbox{ bar}}=10^{5}{\mbox{ Pa}}$

同样，我们必须使用相同的通用公式进行设置，只不过需要进行两次转换：

$bars=800{\mbox{ mmHg}}*{\frac {133.322{\mbox{ Pa}}}{1{\mbox{ mmHg}}}}*{\frac {1{\mbox{ bar}}}{10^{5}{\mbox{ Pa}}}}=1.066{\mbox{ bar}}$

设置这些需要练习，本节末尾将有一些例子。这对任何工程师来说都是一项 **非常重要** 的技能。

为了避免 “反向操作”，一种方法是写出所有内容，并确保你的单位按预期抵消！如果你尝试反向操作，你最终会得到这样的东西

$bars=800{\mbox{ mmHg}}*{\frac {760{\mbox{ mmHg}}}{1.013{\mbox{ bar}}}}=6.0*10^{5}{\frac {{mmHg}^{2}}{bar}}$

如果你写出所有内容（即使是公制系统内的转换！），并确保所有内容都被抵消，你将有助于减少单位转换错误。在我所见过的所有错误中，大约 30%-40% 是与单位相关的，这就是为什么这里有关于单位的这么长一节的原因。牢记它们。

量纲分析作为方程式的检查

由于我们知道速度、压力、能量、力等的单位应该用基本单位 L、M、t、T 和 E 表示，我们可以利用这些知识来检查包含这些量的方程的可行性。

示例（）:

分析以下方程式的量纲一致性： $P=g*h$ 其中 g 是重力加速度，h 是流体的深度。

解决方案 我们可以通过代入单位来检查此方程式

$P{\dot {=}}M/(L*t^{2}){\mbox{ , }}h{\dot {=}}L{\mbox{ , }}g{\dot {=}}L/t^{2}$
$g*h{\dot {=}}L^{2}/t^{2}\neq M/(L*t^{2})$

由于 g*h 的单位与 P 的单位不同，因此无论我们使用哪种单位制，该方程式都必须是错误的！实际上，正确的方程式是

$P=\rho *g*h$
其中 $\rho$ 是流体的密度。密度的基本单位是 $M/L^{3}$ 所以

$\rho *g*h{\dot {=}}M/L^{3}*L^{2}/t^{2}{\dot {=}}M/(L*t^{2})$ 它们是压力的单位。

这并不能告诉我们方程是正确的，但它确实告诉我们单位是一致的，这是获得正确方程的必要条件，但不是充分条件。这是一种有效的方法来检测否则难以发现的代数错误。能够对代数方程进行这种分析，是一个强有力的论据，说明为什么要避免过早代入数值！

你很可能会被迫在化学工程课程中或进行研究时进行量纲分析。在大多数其他时间，你可能发现检查单位更容易，特别是如果你使用的是 SI 系统。在上面的例子中，你认为

压力 = 力 / 面积
力 = 质量 × 加速度
压力 = 质量 × 加速度 / 面积

所以 1 帕斯卡（压力的单位）= 1 千克 ×（米 / 秒²）/（米²）= 1 千克 / 米 / 秒²

现在g 是 9.81 米 / 秒² 并且h 是以米为单位的
所以gh 的单位是米² / 秒²

为了使gh 与压力匹配，我们需要乘以一个单位为千克 / 米³ 的量，我们认识到这是密度。

注意量纲分析（或单位检查）不会告诉你你可能需要插入的数值，例如 9.81 或 π。它也不会告诉你你应该在流体动力学中使用管道的半径还是直径！