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單元操作是指化學工業和其他過程工業中進行的物料粉碎、輸送、加熱、冷卻、混合和分離等一系列使物料發生預期的物理變化的基本操作的總稱。是化學工程的一個重要分支。各種單元操作依據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。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、核能和環境保護等部門,對這些部門生產的大型化和現代化起著重要作用。

1 單元操作 -單元操作

 

2 單元操作 -正文

 
  沿革  在化學工業的發展過程中,人們最初以具體產品為對象,分別進行各種產品的生產過程和設備的研究。隨著化工生產的發展,人們逐漸認識到,各種不同產品的生產過程是由為數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:「任何化工生產過程不論規模如何,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、結晶、過濾、……等。」1923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。
  分類  隨著化工生產的發展,單元操作的研究和開發相當活躍,新的單元操作不斷形成。現在化工生產中常用的單元操作已達二十餘種(見表)。單元操作按照所依據的基本原理分為:①流體動力過程。這是一類以動量傳遞為主要理論基礎的單元操作,有流體輸送、沉降、過濾、混合等。②傳熱過程。這是一類以熱量傳遞為主要理論基礎的單元操作,有換熱、蒸發等。③傳質分離過程。這是一類以質量傳遞為主要理論基礎的單元操作,用於各種均相混合物的分離,有蒸餾、吸收、萃取等。④熱質傳遞過程。這是一類由熱量傳遞和質量傳遞兩種規律共同決定的單元操作。這種過程與傳熱過程或傳質分離過程不同,它的速率計算更加複雜,過程的極限也不再是熱平衡和相平衡。此過程包括增濕、減濕、乾燥、結晶等單元操作。⑤熱力過程。這是一類以熱力學為主要理論基礎的單元操作,如製冷。⑥粉體工程。這是與固體顆粒加工、運動等有關的操作,有粉碎、流態化、顆粒分級等。
單元操作單元操作
  學科內容  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構、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;④新單元操作的開發。單元操作的知識對於化工廠的設計、建設、生產和管理,以及新產品、新工藝的開發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  在單元操作的發展進程中,形成了兩種基本研究方法,即實驗研究方法和數學模型方法。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數之間的關係,通常用無因次數(或稱准數,即無量綱參數)群構成的關係式來表達,主要用於對其內在規律尚未進行深入研究的複雜化工問題。數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,得出描述此模型的數學模型。以數學方法求解后,由實驗確定模型參數。因而這是一種半經驗、半理論的方法。由於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展,使數學模型方法的應用在單元操作的研究中日益廣泛。
  發展  隨著化學工業的發展,單元操作一直處在不斷的發展之中,其中最活躍的領域是混合物的分離。近年來單元操作的研究開發所取得的主要成果有以下幾方面:①新的分離技術不斷得到開發和應用,如膜分離、區域熔煉、電磁分離、泡沫分離、超臨界流體萃取和超離心分離等。②在原有分離技術方面,處理能力加大、效率提高的新型設備不斷出現;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、萃取劑等不斷出現並在生產中應用。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周期;使設備的設計和操作更趨合理,從而提高了產品質量,降低了能量消耗。生產的發展對於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的發展,又推動了單元操作學科的發展。
  參考書目
 A.S.Foust et al.,Principles of Unit Operations, 2nd ed.,John Wiley & Sons,New York,1980
 W.L.McCabe and J.C. Smith, Unit Operations of Chemical Engineering, 3rd ed.,McGraw-Hill,New York,1976.
 J.M.Coulson and J.F. Richardson, Chemical Engineering. Vol.1~2,3rd ed.,Pergamon Press,Oxford,1977、1978.

 

3 單元操作 -配圖

 

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