化學工程流程/單位介紹

單位的一致性

作為工程師，您會遇到的大多數值都將由一個數字和一個單位組成。有些值沒有單位，因為它們是純數字（如圓周率，π）或比率。為了有效地解決問題，所有型別的單位都應該彼此一致，或者應該在同一個系統中。單位系統根據可以輕鬆複製的某些測量結果定義每種基本單位型別，因此，例如，5 英尺在澳大利亞的長度與在美國的長度相同。有五種常見的基準單位型別或維度（為了量綱分析，它們用縮寫形式顯示）

長度 (L)，或相對於某個標準距離而言，兩個位置之間的物理距離

時間 (t)，或相對於某些自然現象發生所需時間而言，某事發生所需時間

質量 (M)，相對於某個標準而言，物質慣性的量度

溫度 (T)，相對於某個標準而言，物質中分子平均動能的量度

電流 (E)，在一定時間內移動的總電荷量的量度

注意：將電荷作為基本單位更有意義，因為電流是單位時間內的電荷，您可能會發現將電荷視為基本單位很方便。但是，電流被證明更容易非常準確和可重複地測量，因此物理學家決定將其作為參考。

有幾種不同的單位一致系統。在世界上大多數地方（除了美國，以及在某種程度上英國）國際單位制是標準。在這些國家，國際單位制也用於經過同行評審的科學和工程期刊。在實踐中，化學工程師必須精通國際單位制，但能夠使用其他系統中的資料，並能夠根據工作所需的單位系統指定設計。

常見物理性質的單位

每個單位系統都有大量的匯出單位，顧名思義，這些單位是根據基準單位匯出的。這些新單位基於其他量的物理定義，並涉及不同變數的組合。下面列出了一些常見的匯出系統屬性以及相應的維度（ ${\dot {=}}$ 表示單位等價關係）。如果您不知道其中一個屬性是什麼，您將最終了解它。

屬性	維度	屬性	維度
質量	M	長度	L
時間	t	溫度	T
面積	$L^{2}$	體積	$L^{3}$
速度	${\frac {L}{t}}$	加速度	${\frac {L}{t^{2}}}$
力	${\frac {M*L}{t^{2}}}$	能量/功/熱	${\frac {M*L^{2}}{t^{2}}}$
功率	${\frac {M*L^{2}}{t^{3}}}$	壓力	${\frac {M}{L*t^{2}}}$
密度	${\frac {M}{L^{3}}}$	粘度	${\frac {M}{L*t}}$
擴散率	${\frac {L^{2}}{s}}$	熱導率	${\frac {ML}{t^{3}T}}$
比熱容	${\frac {L^{2}}{t^{2}*T}}$	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) 單位制

這是世界上最常用的單位制，它主要基於10的倍數。它最初基於水的特性，儘管目前有更精確的標準。主要的量綱是

量綱名稱	SI單位	SI縮寫
長度	米	m
時間	秒	s
質量	千克	kg
溫度	開爾文	K
電流	安培	A
物質的量	摩爾	mol

請注意，千克，而不是克，是基本單位。

與水的密切關係在於，一立方米的水重量約為1000千克。

一個可能難以理解的基本單位是摩爾。一摩爾代表6.022*10²³個任何物質的粒子。（這個數字被稱為阿伏伽德羅常數，或阿伏伽德羅常數。）這通常指元素或化合物的原子或分子數量。化學工程師通常使用千摩爾。水H₂O的相對分子質量（=分子量）約為18，由2個H原子（原子質量=1）和1個O原子（原子質量=16）構成。因此，18公斤水構成1千摩爾H₂O，包含2千摩爾H原子和1千摩爾O原子。

每個這些基本單位可以透過新增適當的度量字首來使它更小或更大。具體含義是（來自維基百科的SI頁面）

SI 字首
名稱	堯	澤	艾	拍	太	吉	兆	千	百	十
符號	Y	Z	E	P	T	T	M	G	M	k
h	10²⁴	10²¹	10¹⁸	10¹⁵	10¹²	10⁹	10⁶	10³	10²	10¹
名稱	da	因子	分	釐	毫	微	納	皮	飛	阿
符號	仄	么	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

如果您看到長度為1公里，根據圖表，字首“k”表示有10³個東西，後面的“m”表示它是米。所以1公里=10³米。數字和單位之間以及相乘的不同單位之間應該始終有一個空格。乘數和單位之間不能有空格。因此，13 mA 表示 13 毫安，但 13 m A 表示 13 米安。

如上所述，千克是基本單位，但乘數加在克上。 1000公斤=1兆克； 0.001公斤=1克。

SI系統中的匯出單位

[edit \| edit source]	想象一下，每次計算壓力時，您都必須以kg/(m s²) 的形式寫下單位。這將很快變得繁瑣，因此 SI 人員建立了匯出單位作為這些組合的簡寫。請注意，以人名命名的單位不以大寫字母開頭，但縮寫則以大寫字母開頭！例如“一個牛頓的力”和“一個 1.0 N 的力”。化學工程師最常使用的單位如下	屬性名稱	長 SI 單位	SI 名稱
力	$SI 縮寫$	等價關係	${\frac {kgm}{s^{2}}}$ ${\frac {kgm}{s^{2}}}$	牛頓
N	$質量 * 加速度$	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 ${\frac {J}{s}}$
壓力	${\frac {kg}{m*s^{2}}}$	帕斯卡	Pa	${\frac {N}{m^{2}}}$

國際單位制允許的單位

一些單位不是簡單地從基本單位或常規倍數推匯出來的，但它們被廣泛使用，因此被允許。因此，雖然時間段可以表示為千秒或兆秒，但我們被允許使用分鐘、小時和天。術語“升”（美國）或“公升”（歐洲）被理解為與 1 x 10^-3 m³ 相同，術語“噸”（而不是噸）被理解為與 1000 kg 相同。巴是壓力的單位，表示 100 kPa，非常接近化學家的標準大氣壓（為 101.325 kPa）。攝氏溫標被理解為開爾文溫度以上 273.15 K。因此，我們被允許寫“化學反應器每天的產量為 4.3 噸，壓力為 5 巴，溫度為 200 °C”，我們將被理解。但是，為了進行計算，可能需要將單位轉換為基本單位或匯出單位。

cgs（釐米-克-秒）系統

這是第一個公制系統，可能在舊的出版物中找到（1960 年之前）。化學工程師今天沒有理由在其中工作，但您可能需要將舊書中的資料進行轉換。長度和質量的基本單位分別是釐米和克。力的單位是達因；能量的單位是爾格。g 的值，即標準重力加速度為 981 cm/s/s。粘度單位泊（特別是釐泊，cP）和斯托克斯（特別是釐斯托克斯 cSt）是該系統的殘留物，可能在相對較新的出版物中找到。您應該將其轉換為 SI。

請注意，化學家經常使用克和立方厘米，但這些是 SI 的一部分。僅僅因為您使用釐米、克和秒，並不意味著您正在使用 cgs 系統。如果您真的想知道，請參閱 w:cgs。

英制、英聯邦或美國（重力）系統

該系統是在大英帝國的授權下建立的。它在英國被稱為英制，在美國被稱為英制（有時稱為英語制），在世界許多地方被稱為美國製，因為美國是使用該系統的化學工程的主要市場。工程版本使用該傳統或習慣措施的子集加上磅力和安培。

它的特殊性在於力和質量之間的關係。根據艾薩克·牛頓，對於在力的作用下加速的固定質量

力 = 質量 x 加速度或 f = m a

在 SI 系統中，1 牛頓的力作用在 1 千克的質量上會產生 1 米每秒的加速度。簡單！

在英制系統中，1 磅力的力作用在 1 磅的質量上會產生 32 英尺每秒的加速度。這是因為這是重力下的自然加速度。較舊的美國書籍中經常在公式中包含一個g，而在歐洲版本的相同公式中則沒有出現。g 表示單位系統中力和質量之間的關係（在 SI 中為 1）：這裡它為 32。有一段時間，美國（主要是）工程師使用了一個包含公斤力的公制版本，因此g 的值為 9.81。物理學家稱兩者都為重力系統。

常用單位基於傳統措施，這些措施在農業和航運中很實用，並且不以 10、100、1000 等步長進行。與其使用字首，不如使用較大的單位名稱，並且可以將相同維度的單位組合在一起，例如 6 碼 2 英尺 8 又四分之一英寸（6 碼 2 英尺 8¼ 英寸）。但是，工程師傾向於使用一個單位和小數，例如 20.7 英尺，例如 13.47 英寸。英尺也可以用單個標記表示，英寸用雙標記表示，例如 4 英尺 7 英寸為 4' 7"。請注意，美國加侖小於英制加侖（實際上是 5/6），當您進行轉換為 SI 時。

溫標是華氏溫標，其中冰的熔點為 32 °F。絕對零度為 -459.67 °F。對於熱力學溫度，華氏溫標高於絕對零度的度數為蘭金溫標。因此，冰的熔點為 459.67 °R。

以下是在該系統中常見的單位。

量綱名稱	英制單位	英制縮寫
長度	英尺、英寸	英尺、英寸
時間	秒、分鐘或小時	秒、分鐘和小時
力	磅力	$lb_{f}$
溫度	華氏度	°F
電流	安培	A

一個常見的匯出單位是磅（力）每平方英寸，或 psi。請注意，psig 或 psi(g) 表示高於大氣壓的 psi。能量以英國熱量單位衡量，通常為 BTU，有時為 B.Th U。功率為馬力，hp。

"每百萬分率" 表示法

"每百萬分率" 表示法是一個單位，用於處理氣體或液體混合物中非常小的痕量物質。百萬分率 (ppm) 和十億分率 (ppb)，以及萬億分率 (ppt)（美國定義的萬億為 10¹²），指的是質量或摩爾比，並說明在混合物的每百萬、十億或萬億份中存在多少份該物質。通常，在處理液體時使用質量比，在處理氣體時使用摩爾比，儘管兩種比率都可以用於化學物質所處的任何相（比率將在後面的章節中討論）。

示例:

假設我們周圍的空氣中含有 20 ppm He（氦氣）。

這意味著，如果假設使用的是摩爾基礎，則每百萬摩爾的空氣中就有 20 摩爾的氦氣。如果示例是ppb 方面的，這意味著每十億摩爾的空氣中就有 20 摩爾的氦氣。

關於轉換的一句話

一般來說，將所有資料轉換為 SI 單位，然後在該系統中進行計算，最後再根據需要轉換回原始單位是比較安全的做法。如果你對美國單位系統足夠熟練，你也可以在該系統中進行一些計算。最好查閱轉換表或程式來獲得必要的轉換，尤其要確保單位的正確性。

但是，不要犯只記錄計算器或程式給出的數字的錯誤。

例如，如果你在管道中測得壓降為 16 psi，且 1 psi = 6.895 kPa，你的計算器會給出 16 x 6.895 = 110.32。但是，你的答案應該是 110 kPa，因為你的初始值只有兩位有效數字。轉換因子不能增加精度！

如果所有值都用相同的基準單位表示，並且所使用的方程是正確的，那麼答案的單位也將保持一致，並且用相同的基準單位表示。

如何進行單位轉換

查詢等效關係

進行單位轉換的第一步是確定目標單位與已知單位之間的等效關係。為此，可以使用 **轉換表**。請參閱 w:Conversion of units，該頁面提供了相當廣泛的 (但並非詳盡的) 常用單位及其等效關係列表。

通常不會列出公制系統內部的轉換，因為假設人們可以利用字首和 $1{\mbox{ mL}}=1{\mbox{ cm}}^{3}$ 這樣的關係進行任何需要的轉換。

英制系統內部的轉換，以及英制和公制之間的轉換有時 (但在維基百科上不常見) 會以以下形式寫出：

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

例如，你可能還記得化學課上的以下轉換：

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

維基百科上的表格採用了一種略微不同的方式：最左側一列表示我們擁有的 1 個單位，中間一列表示左側單位的定義，最右側一列表示公制等效單位。其中一個條目是英尺到米的轉換：

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

兩種方法都很常見，你應該能夠使用任何一種方法查詢轉換關係。

使用等效關係

確定等效關係後，使用以下通用公式：

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

右側的這個分數直接來自轉換表。

示例:

將 800 mmHg 轉換為巴 (bar)

**解** 如果要將 800 mmHg 轉換為巴，使用水平列表直接進行轉換：

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

使用維基百科上的表格，你需要先轉換為 **中間單位** (公制單位)，然後再從中間單位轉換為目標單位。我們會發現：

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

同樣，我們必須使用相同的通用公式進行設定，只不過需要進行兩次轉換：

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

設定這些需要練習，本節末尾將有一些例子。這對任何工程師來說都是一項 **非常重要** 的技能。

為了避免 “反向操作”，一種方法是寫出所有內容，並確保你的單位按預期抵消！如果你嘗試反向操作，你最終會得到這樣的東西

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

如果你寫出所有內容（即使是公制系統內的轉換！），並確保所有內容都被抵消，你將有助於減少單位轉換錯誤。在我所見過的所有錯誤中，大約 30%-40% 是與單位相關的，這就是為什麼這裡有關於單位的這麼長一節的原因。牢記它們。

量綱分析作為方程式的檢查

由於我們知道速度、壓力、能量、力等的單位應該用基本單位 L、M、t、T 和 E 表示，我們可以利用這些知識來檢查包含這些量的方程的可行性。

示例（）:

分析以下方程式的量綱一致性： $P=g*h$ 其中 g 是重力加速度，h 是流體的深度。

解決方案 我們可以透過代入單位來檢查此方程式

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

由於 g*h 的單位與 P 的單位不同，因此無論我們使用哪種單位制，該方程式都必須是錯誤的！實際上，正確的方程式是

$P=\rho *g*h$
其中 $\rho$ 是流體的密度。密度的基本單位是 $M/L^{3}$ 所以

$\rho *g*h{\dot {=}}M/L^{3}*L^{2}/t^{2}{\dot {=}}M/(L*t^{2})$ 它們是壓力的單位。

這並不能告訴我們方程是正確的，但它確實告訴我們單位是一致的，這是獲得正確方程的必要條件，但不是充分條件。這是一種有效的方法來檢測否則難以發現的代數錯誤。能夠對代數方程進行這種分析，是一個強有力的論據，說明為什麼要避免過早代入數值！

你很可能會被迫在化學工程課程中或進行研究時進行量綱分析。在大多數其他時間，你可能發現檢查單位更容易，特別是如果你使用的是 SI 系統。在上面的例子中，你認為

壓力 = 力 / 面積
力 = 質量 × 加速度
壓力 = 質量 × 加速度 / 面積

所以 1 帕斯卡（壓力的單位）= 1 千克 ×（米 / 秒²）/（米²）= 1 千克 / 米 / 秒²

現在g 是 9.81 米 / 秒² 並且h 是以米為單位的
所以gh 的單位是米² / 秒²

為了使gh 與壓力匹配，我們需要乘以一個單位為千克 / 米³ 的量，我們認識到這是密度。

注意量綱分析（或單位檢查）不會告訴你你可能需要插入的數值，例如 9.81 或 π。它也不會告訴你你應該在流體動力學中使用管道的半徑還是直徑！