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单元操作

单元操作是指化学工业和其他过程工业中进行的物料粉碎、输送、加热、冷却、混合和分离等一系列使物料发生预期的物理变化的基本操作的总称。

化学工业和其他过程工业中进行的物料粉碎、输送、加热、冷却、混合和分离等一系列使物料发生预期的物理变化的基本操作的总称。对这些操作的研究,是化学工程的一个重要分支。各种单元操作依据不同的物理化学原理,应用相应的设备,达到各自的工艺目的。如蒸馏根据液体混合物中各组分挥发能力的差异,可以实现液体混合物中各组分分离或某组分提纯的目的。对单元操作的研究,以物理化学、传递过程和化工热力学为理论基础,着重研究实现各单元操作的过程和设备,故单元操作又称为化工过程及设备。单元操作的应用遍及化工、冶金、能源、食品、轻工、核能和环境保护等部门,对这些部门生产的大型化和现代化起着重要作用。

单元操作在化工、制药生产实际中占有重要地位。不同工艺中的相同单元操作基本原理和典型设备都是一样的。例如,制碱工业中苛性钠溶液的浓缩与制药工业中葡萄糖溶液的浓缩,都是通过蒸发单元操作来实现的,它们共同遵循热交换原理并目都采用蒸发器。 

随着化工生产的发展,单元操作的研究和开发相当活跃,新的单元操作不断形成。化工单元操作所遵循的规律可归纳成以下几个基本过程。

1、动量传递过程。流动的基本规律以及相关的单元操作,如流体的输送与压缩、沉降、过滤等。

2、热量传递过程。研究传热过程的基本规律及相关的单元操作,如传热、蒸发、结晶等。热量传递过程又被称为传热过程。

3、质量传递过程。研究物质通过相界面迁移过程的基本规律及受这些规律支配的一些单元操作,如吸收、蒸馏、萃取、干燥等。质量传递过程又被称为传质过程。

4、热力学过程。研究热力学的基本规律及遵循这些规律的单元操作,如冷冻及深度冷冻等。 

①各单元操作的基础理论;

②各单元操作所用设备的合理结构、操作特性、设计计算方法及其强化;

③各单元操作的应用开发;

④新单元操作的开发。单元操作的知识对于化工厂的设计、建设、生产和管理,以及新产品、新工艺的开发都有着指导性的作用,是化学工程师必须掌握的基础知识。

在单元操作的发展进程中,形成了两种基本研究方法,即实验研究方法和数学模型方法。实验研究方法一般用因次分析和相似论为指导,依靠实验来确定过程变量之间的关系,通常用无因次数(或称准数,即无量纲参数)群构成的关系式来表达,主要用于对其内在规律尚未进行深入研究的复杂化工问题。数学模型方法是在对实际问题的机理深入分析的基础上,在抓住过程本质的前提下作出某些合理简化,建立物理模型。从物理化学、传递过程和化工热力学的基本原理出发,得出描述此模型的数学模型。以数学方法求解后,由实验确定模型参数。因而这是一种半经验、半理论的方法。由于对传递过程和化工热力学的研究不断深入,积累了丰富的知识,特别是电子计算机的普及和发展,使数学模型方法的应用在单元操作的研究中日益广泛。

随着化学工业的发展,单元操作一直处在不断的发展之中,其中最活跃的领域是混合物的分离。近年来单元操作的研究开发所取得的主要成果有以下几方面:

①新的分离技术不断得到开发和应用,如膜分离、区域熔炼、电磁分离、泡沫分离、超临界流体萃取和超离心分离等。

②在原有分离技术方面,处理能力加大、效率提高的新型设备不断出现;设备的放大效应逐步得到解决;研究成功许多合理利用能量的操作流程;一些高效的吸收剂、萃取剂等不断出现并在生产中应用。

③计算机模拟和辅助设计不断取得成果,缩短了新过程的开发周期;使设备的设计和操作更趋合理,从而提高了产品质量,降低了能量消耗。生产的发展对于单元操作不断提出新的课题。这些新课题的解决既促进了化工生产的发展,又推动了单元操作学科的发展。



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