單元操作

單元操作是在化學工業生產中具有共同的物理變化特點的基本操作，是由各種化工生產操作概括得來的。單元操作和化工單元過程一起，組成學習化學工業生產的基礎知識。單元操作是化學工程的主要研究領域。

單元操作涉及物理變化和化學變化包括：分離、結晶、蒸發、過濾、聚合、異構化和其他的反應。這些單元的原理和計算方法，可以應用到各種化工門類的設計和生產過程中。舉個例子：在牛奶加工中，均質化、巴氏滅菌和包裝都是單元操作，把他們連接起來就能得到完整的牛奶生產過程。一個化工過程可能需要許多單元操作才能從原料得到目標產品。

歷史

歷史上有一段時間，生產不同化學品的化工廠被認為是不同的工業過程，遵從着不同的原理。

亞瑟·迪宏·理特在 1916 年提出了單元操作的概念來解釋化工過程^[1]。 1923 年，William Hultz Walker（英語：William Hultz Walker）、沃倫·肯德爾·路易斯和 William H. McAdams 共同編寫了《化學工程原理》一書，他們認為各種化學工業都遵循同樣物理定律^[2]。 他們把相似的過程歸納為單元操作。每一種單元操作都遵循相似的物理規律，並適用於所有相關的化工行業。例如：使用相同的工程知識，就能為凝固汽油彈和小米粥分別設計一個攪拌器，即使這兩種產品的製造、使用和市場完全不相同。單元操作是構建化學工程的基礎。

化學工程

化學工程單元操作分為以下幾類：

1. 流體輸送過程：流體輸送、過濾、固體流態化等
2. 傳熱過程：換熱、液化、冷凍等
3. 傳質過程：氣體吸收、吸附、萃取、蒸餾、乾燥等
4. 機械操作：固體輸送、破碎和粉碎、篩分等

化工單元操作也可分為以下幾類結合了不同過程的操作：

• 混合：流體混合
• 分離：蒸餾、精餾、結晶
• 反應：化學反應

此外，有很多單元操作甚至結合了以上分類的幾種，如：反應精餾和攪拌釜反應器。 純的單元操作是一個物理變化過程，而對混合了物理和化學變化的過程建模，需要同時考慮擴散等物理傳傳遞和化學反應。這對催化反應的設計是很重要的，被認為是一門獨立學科稱為化學反應工程。 化工單元操作和化工單元過程是各種化學工業的主要原理，是化工廠設計的主要依據。

一般來說，設計單元操作從三大守恆（質量守恆、熱量守恆和能量守恆）開始，先寫下各組分對應傳遞量的守恆方程，再解方程組得到需要的設計參數，通常會得到一個範圍，然後從中選取最優的方案並設計設備。 例如：設計一個板式精餾塔，先寫下每塊塔板的質量守恆方程，通過已知的氣-液相平衡和效率，列出每種物質的的質量守恆方程，聯立上述方程，解方程組可以得到一個範圍。因為提高回流比可以降低理論塔板數，反之亦然。化學工程師需要在塔高、佔用空間和施工成本方面找到最優的解決方案。

參見

• 擠型
• 單元過程
• 過程模擬
• 分離過程
• 《精餾設計（英語：Distillation Design）》
• 《化學工程單元操作》

參考文獻

1. Arther Dehon Little. Scatter Acorns That Oaks May Grow. MIT Libraries. [13 November 2013]. （原始內容存檔於2009-03-11）.
2. Arthur D. Little, William H. Walker, and Warren K. Lewis. 科學史研究所（英語：Science History Institute）. [20 March 2018]. （原始內容存檔於2017-09-29）.