[科普中國]-單元操作

單元操作是指化學工業(yè)和其他過程工業(yè)中進行的物料粉碎、輸送、加熱、冷卻、混合和分離等一系列使物料發(fā)生預期的物理變化的基本操作的總稱。

簡介化學工業(yè)和其他過程工業(yè)中進行的物料粉碎、輸送、加熱、冷卻、混合和分離等一系列使物料發(fā)生預期的物理變化的基本操作的總稱。對這些操作的研究，是化學工程的一個重要分支。各種單元操作依據(jù)不同的物理化學原理，應用相應的設備，達到各自的工藝目的。如蒸餾根據(jù)液體混合物中各組分揮發(fā)能力的差異，可以實現(xiàn)液體混合物中各組分分離或某組分提純的目的。對單元操作的研究，以物理化學、傳遞過程和化工熱力學為理論基礎，著重研究實現(xiàn)各單元操作的過程和設備，故單元操作又稱為化工過程及設備。單元操作的應用遍及化工、冶金、能源、食品、輕工、核能和環(huán)境保護等部門，對這些部門生產(chǎn)的大型化和現(xiàn)代化起著重要作用。

單元操作在化工、制藥生產(chǎn)實際中占有重要地位。不同工藝中的相同單元操作基本原理和典型設備都是一樣的。例如，制堿工業(yè)中苛性鈉溶液的濃縮與制藥工業(yè)中葡萄糖溶液的濃縮，都是通過蒸發(fā)單元操作來實現(xiàn)的，它們共同遵循熱交換原理并目都采用蒸發(fā)器。1

基本過程隨著化工生產(chǎn)的發(fā)展，單元操作的研究和開發(fā)相當活躍，新的單元操作不斷形成?；卧僮魉裱囊?guī)律可歸納成以下幾個基本過程。

1、動量傳遞過程。流動的基本規(guī)律以及相關(guān)的單元操作，如流體的輸送與壓縮、沉降、過濾等。

2、熱量傳遞過程。研究傳熱過程的基本規(guī)律及相關(guān)的單元操作，如傳熱、蒸發(fā)、結(jié)晶等。熱量傳遞過程又被稱為傳熱過程。

3、質(zhì)量傳遞過程。研究物質(zhì)通過相界面遷移過程的基本規(guī)律及受這些規(guī)律支配的一些單元操作，如吸收、蒸餾、萃取、干燥等。質(zhì)量傳遞過程又被稱為傳質(zhì)過程。

4、熱力學過程。研究熱力學的基本規(guī)律及遵循這些規(guī)律的單元操作，如冷凍及深度冷凍等。1

沿革在化學工業(yè)的發(fā)展過程中，人們最初以具體產(chǎn)品為對象，分別進行各種產(chǎn)品的生產(chǎn)過程和設備的研究。隨著化工生產(chǎn)的發(fā)展,人們逐漸認識到,各種不同產(chǎn)品的生產(chǎn)過程是由為數(shù)不多的基本操作和各種化學反應過程所組成的。在19世紀末英國學者G.E.戴維斯便提出了這種觀點，但當時未引起足夠重視。1915年美國學者A.D.利特爾首先提出單元操作這一概念，明確指出：“任何化工生產(chǎn)過程不論規(guī)模如何，皆可分解為一系列名為單元操作的過程，例如粉碎、混合、加熱、吸收、冷凝、浸取、沉降、結(jié)晶、過濾、等?！?923年W.H.華克爾，W.K.劉易斯和W.H.麥克亞當斯等合著的《化工原理》一書出版，成為第一本全面闡述單元操作的著作。從此單元操作得到了廣泛重視，成為化學工程中的奠基學科，常稱為化工原理。

學科內(nèi)容單元操作學科主要研究：

①各單元操作的基礎理論；

②各單元操作所用設備的合理結(jié)構(gòu)、操作特性、設計計算方法及其強化；

③各單元操作的應用開發(fā)；

④新單元操作的開發(fā)。單元操作的知識對于化工廠的設計、建設、生產(chǎn)和管理，以及新產(chǎn)品、新工藝的開發(fā)都有著指導性的作用，是化學工程師必須掌握的基礎知識。

研究方法在單元操作的發(fā)展進程中，形成了兩種基本研究方法，即實驗研究方法和數(shù)學模型方法。實驗研究方法一般用因次分析和相似論為指導，依靠實驗來確定過程變量之間的關(guān)系，通常用無因次數(shù)（或稱準數(shù)，即無量綱參數(shù)）群構(gòu)成的關(guān)系式來表達，主要用于對其內(nèi)在規(guī)律尚未進行深入研究的復雜化工問題。數(shù)學模型方法是在對實際問題的機理深入分析的基礎上，在抓住過程本質(zhì)的前提下作出某些合理簡化，建立物理模型。從物理化學、傳遞過程和化工熱力學的基本原理出發(fā)，得出描述此模型的數(shù)學模型。以數(shù)學方法求解后，由實驗確定模型參數(shù)。因而這是一種半經(jīng)驗、半理論的方法。由于對傳遞過程和化工熱力學的研究不斷深入，積累了豐富的知識，特別是電子計算機的普及和發(fā)展，使數(shù)學模型方法的應用在單元操作的研究中日益廣泛。

發(fā)展隨著化學工業(yè)的發(fā)展，單元操作一直處在不斷的發(fā)展之中，其中最活躍的領(lǐng)域是混合物的分離。近年來單元操作的研究開發(fā)所取得的主要成果有以下幾方面:

①新的分離技術(shù)不斷得到開發(fā)和應用,如膜分離、區(qū)域熔煉、電磁分離、泡沫分離、超臨界流體萃取和超離心分離等。

②在原有分離技術(shù)方面，處理能力加大、效率提高的新型設備不斷出現(xiàn)；設備的放大效應逐步得到解決；研究成功許多合理利用能量的操作流程；一些高效的吸收劑、萃取劑等不斷出現(xiàn)并在生產(chǎn)中應用。

③計算機模擬和輔助設計不斷取得成果，縮短了新過程的開發(fā)周期；使設備的設計和操作更趨合理，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了能量消耗。生產(chǎn)的發(fā)展對于單元操作不斷提出新的課題。這些新課題的解決既促進了化工生產(chǎn)的發(fā)展，又推動了單元操作學科的發(fā)展。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

蒲富永 - 教授 - 西南大學