单元操作

在化学工程及相关领域，单元操作是过程中的基本步骤。 元操作涉及物理变化或化学转化，如分离、结晶、蒸发、过滤、聚合、异构化和其他反应。 例如，在牛奶加工中，涉及以下单元操作：均质化、巴氏杀菌和包装。 这些单元操作相互关联以创建整个过程。 一个过程可能需要许多单元操作才能从起始材料或原料中获得所需的产品。

历史上，不同的化学工业被视为不同的工业过程，具有不同的原理。 Arthur Dehon Little 于 1916 年开发了单元操作的概念来解释工业化学过程。1923 年，William H. Walker、Warren K. Lewis 和 William H. McAdams 撰写了《化学工程原理》一书，并解释了化学工业的多样性 具有遵循相同物理定律的过程。 他们将这些类似的过程总结为单元操作。 每个单元操作都遵循相同的物理定律，可用于所有相关的化学工业。 例如，为凝固汽油弹或粥设计混合器需要相同的工程，即使用途、市场或制造商非常不同。 单元操作构成了化学工程的基本原理。

化学工程单元操作包括五类：

• 流体流动过程，包括流体输送、过滤和固体流化。
• 传热过程，包括蒸发和热交换。
• 传质过程，包括气体吸收、蒸馏、萃取、吸附和干燥。
• 热力学过程，包括气体液化和制冷。
• 机械过程，包括固体运输、破碎和粉碎，以及筛选和筛分。

化学工程单元操作也属于以下类别，涉及多个类别的元素：

• 组合（混合）
• 分离（蒸馏、结晶）
• 反应（化学反应）

此外，还有一些单元操作甚至结合了这些类别，例如反应蒸馏和搅拌釜反应器。 纯单元操作是物理传输过程，而混合化学/物理过程需要对物理传输（例如扩散）和化学反应进行建模。 这通常是设计催化反应所必需的，并且被认为是一门独立的学科，称为化学反应工程。

化学工程单元操作和化学工程单元处理构成了各种化学工业的主要原则，是设计化工厂、工厂和所用设备的基础。

一般来说，单元操作的设计是通过以方程的形式写下每个基本成分（可能是无穷小）的传输量的平衡，并求解设计参数的方程，然后从几个方程中选择一个最优解 可能，然后设计物理设备。 例如，通过记下每个板的质量平衡来分析板式塔中的蒸馏，其中已知的汽液平衡和效率、滴出和滴入包括总质量流量，每个组分都有一个子流量。 将这些组合起来就得到了整列的方程组。 有多种解决方案，因为回流比越高，板数越少，反之亦然。 然后，工程师必须根据可接受的体积滞留量、塔高和建造成本找到最佳解决方案。