一、化工單元操作的定義及分類
化工單元操作是指由各種化學(xué)生產(chǎn)過(guò)程中以物理為主的處理方法概括為具有共同物理變化特點(diǎn)的基本操作，例如燒堿稀溶液和蔗糖稀溶液的濃縮，都需將溶液煮沸而除去水分，可概括成為一個(gè)稱做蒸發(fā)的單元操作。
化工單元操作可歸納為5類：
1.有關(guān)流體流動(dòng)過(guò)程的操作，如流體輸送和過(guò)濾等；
2.有關(guān)傳熱過(guò)程的操作，如熱交換，蒸發(fā)和冷凝等；
3.有關(guān)傳質(zhì)過(guò)程的操作，如蒸餾和吸附等；
4.有關(guān)熱力過(guò)程的操作，如冷凍等；
5.有關(guān)機(jī)械過(guò)程的操作，如固體輸送和粉碎等。研究化工單元操#，能有效地指導(dǎo)化工、石油、冶金、原子能等工業(yè)的生產(chǎn)。
二、化工單元操作的特點(diǎn)：
1.化工單元操作是指由各種化學(xué)生產(chǎn)過(guò)程中以物理為主的處理方法概括為具有共同物理變化特點(diǎn)的基本操作。例如：燒堿稀溶液和蔗糖稀溶液的濃縮，都需將溶液煮沸而除去水分，可概括成為一個(gè)稱做蒸發(fā)的單元操作。
2.一個(gè)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)是通過(guò)若干個(gè)物理操作與若干個(gè)化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。長(zhǎng)期的實(shí)踐與研究發(fā)現(xiàn)，盡管化工產(chǎn)品千差萬(wàn)別，生產(chǎn)工藝多種多樣，但這些產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程所包含的物理過(guò)程并不是很多，而且是相似的。
例如：流體輸送不論用來(lái)輸送何種物料，其目的都是將流體從一個(gè)設(shè)備輸送至另一個(gè)設(shè)備；加熱與冷卻的目的都是得到需要的操作溫度。
1.噴霧干燥技術(shù)
噴霧干燥技術(shù)是集干燥、粉碎為一體的物料干燥方法，該技術(shù)能直接使溶液、乳濁液干燥成粉狀或顆粒狀制品。噴霧干燥根據(jù)物料的物化方法又分為壓力噴霧干燥技術(shù)、離心噴霧干燥技術(shù)、氣流式噴霧干燥技術(shù)等。被干燥物料和產(chǎn)品性質(zhì)決定物料采取哪種物化方法。
1）噴霧干燥技術(shù)的工作原理
噴霧干燥技術(shù)主要是通過(guò)干燥介質(zhì)將霧化的物料迅速干造成粉末狀干燥產(chǎn)品，霧化干燥過(guò)程主要包括如下幾個(gè)階段：第一階段：霧化；第二階段：混合階段（主要指霧化物料與干燥介質(zhì)的混合）；第三階段：干燥階段（主要指水或者其他溶劑進(jìn)入熱介質(zhì)）；第四階段：產(chǎn)品與熱介質(zhì)分離。霧化干燥技術(shù)主要適用于溶液、懸浮液及乳濁液，最終得到的產(chǎn)品可以是粉末狀也可以是顆粒狀。
2）噴霧干燥技術(shù)的特點(diǎn)
a.干燥過(guò)程非常迅速；
b.可直接干燥成粉末；
c.操作彈性大，可以通過(guò)控制操作條得到不同粒度及不同濕度的多規(guī)格產(chǎn)品；
d.設(shè)備較復(fù)雜，占地面積大；
e.熱效率不高，熱消耗大。
噴霧干燥技術(shù)的主要缺點(diǎn)是能耗過(guò)大，如何降耗是噴霧干燥技術(shù)的研究重點(diǎn)。噴霧干燥技術(shù)的適用性強(qiáng)，可以與其他干燥技術(shù)（例如：流態(tài)化干燥、深冷干燥及微波干燥）相結(jié)合，使其有更廣泛的適用范圍。
2.閃蒸干燥技術(shù)
閃蒸干燥技術(shù)是一種集干燥、粉碎、篩分于一體的新型連續(xù)式干燥技術(shù)。噴霧干燥技術(shù)主要適用于膏狀、漿狀及濾餅等固含量高的物料。
1)閃蒸干燥的工作原理
清潔空氣經(jīng)加熱器加熱后被鼓風(fēng)機(jī)送入干燥器的底部進(jìn)風(fēng)口，熱空氣經(jīng)過(guò)干燥室底部的空氣分配器均勻的螺旋上升，并形成強(qiáng)烈的風(fēng)場(chǎng)。物料在干燥室底部被熱空氣預(yù)熱，在這個(gè)階段物料被干燥室內(nèi)的攪拌器和熱氣流撞擊成顆粒狀。干燥室內(nèi)的攪拌器一方面可以強(qiáng)化傳熱，另一方面可以帶動(dòng)熱空氣形成高速旋轉(zhuǎn)氣流。在干燥器的上部，物料在熱空氣的包裹下進(jìn)行著充分熱質(zhì)交換，在此部分物料基本完成干燥。完成干燥的物料被熱氣流夾帶著繼續(xù)上升，為達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量要求的大塊的物料在離心力和重力的雙重作用下沉降返回繼續(xù)進(jìn)行沖擊破碎干燥；達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量要求的較細(xì)小的物料則被熱氣流裹挾著從干燥室頂部流出進(jìn)入產(chǎn)品收集器。
2)閃蒸干燥的特點(diǎn)
a.干燥強(qiáng)度高：高速粒化的物料在干燥室內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)烈的熱質(zhì)交換，速度快，效率高。
b.工藝流程簡(jiǎn)單：設(shè)備緊湊，占地面積小，一體化的設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)化了工人的操作從而整體上減少了設(shè)備的購(gòu)置費(fèi)用。
c.產(chǎn)品收率高，質(zhì)量好。通過(guò)對(duì)進(jìn)料量及熱風(fēng)溫度的控制來(lái)保證產(chǎn)品的濕含量及細(xì)度均勻一致。
d.單位產(chǎn)品能耗低，閃蒸干燥能耗是相同容積噴霧干燥能耗的1/3。
3.流化床干燥技術(shù)
流化床干燥技術(shù)是基于流化床反應(yīng)器原理開(kāi)發(fā)的一種干燥技術(shù)。流化床內(nèi)部物料在氣流中成懸浮狀態(tài)，如液體沸騰一樣發(fā)生著強(qiáng)烈的熱質(zhì)交換。該技術(shù)也主要適用于含固量比較高的顆粒物料的干燥，被廣泛用于藥物、聚合物等行業(yè)。
1)流化床干燥技術(shù)工作原理
清潔空氣經(jīng)加熱器加熱后從流化床干燥器的底部進(jìn)口送入，氣體通過(guò)干燥器的物料床層從干燥器上部離開(kāi)。干燥器內(nèi)的物料床層隨熱空氣流速的變化呈現(xiàn)不同的狀態(tài)。熱空氣流速較小時(shí)，物料床層從外觀上看沒(méi)有任何變化，基本處于靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)流速繼續(xù)增大，部分顆粒會(huì)隨著空氣流上下浮動(dòng)起來(lái)；隨著空氣流速的進(jìn)一步增大，所有的物料都懸浮起來(lái)。這時(shí)物流顆粒受到氣流的作用力等于物料顆粒的重力，空氣流的速度稱為最小流化速度。當(dāng)氣流速度更一步加大，加大到有物料顆粒被氣流夾帶出干燥器前，此時(shí)的氣流速度稱為最大流化速度。介于最小和最大流化速度之間的速度為流化床干燥器適宜的氣流操作速度。在該速度范圍內(nèi)，物料顆粒在干燥器內(nèi)劇烈的擾動(dòng)，發(fā)生強(qiáng)烈的熱質(zhì)交換。低于最小流化速度，物料不能全部懸浮，對(duì)熱質(zhì)交換不利；高于最大流化速度，物料會(huì)被夾帶出干燥器，不利于獲得產(chǎn)品。
2)流化床干燥技術(shù)的特點(diǎn)
a.熱效率高：在流化床干燥器內(nèi)物料顆粒與熱空氣流之間存在劇烈的擾動(dòng)，非常有利于傳熱傳質(zhì)的進(jìn)行。熱質(zhì)交換的速度快決定了流化床干燥器具有較高的干燥效率。
b.流化床干燥技術(shù)可以采用循環(huán)流化床，這樣可以增加能量的利用率。
c.流化床干燥器的設(shè)備簡(jiǎn)單，占地面積小，一次投資設(shè)備和后期操作維護(hù)費(fèi)用相對(duì)較低。
4.低溫吸附干燥技術(shù)
低溫吸附干燥技術(shù)是一種集冷凍除濕和吸附干燥為一體的的新型非熱力干燥技術(shù)。該技術(shù)具有低能耗、環(huán)境友好的優(yōu)勢(shì)，是目前發(fā)展勢(shì)頭較好的一種干燥技術(shù)。低溫吸附干燥技術(shù)能有效地避免高溫對(duì)熱敏性物質(zhì)的影響，且干燥效率高。低溫吸附干燥技術(shù)在生物化工及制藥工程領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛。
1)低溫吸附干燥技術(shù)原理
新鮮空氣先通過(guò)冷卻器進(jìn)行降溫降濕，這時(shí)的空氣是含有一定水分的冷空氣。把含濕冷空氣引入除濕吸附裝置得到含濕量極低的空氣。用干燥冷空氣不斷的通入濕物料內(nèi)部，利用干燥冷空氣與物料之間的蒸汽壓差推動(dòng)干燥進(jìn)行，最終得到干燥的產(chǎn)品。低溫吸附干燥技術(shù)的核心問(wèn)題是如何獲得干燥空氣。
2)低溫吸附干燥技術(shù)的特點(diǎn)
低溫吸附干燥技術(shù)以蒸氣壓差為推動(dòng)力，采用低溫的干燥空氣，特別適用于熱敏性物質(zhì)的脫水。同時(shí)低溫吸附干燥技術(shù)也具有能耗低、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。低溫吸附干燥研究的核心問(wèn)題是如何通過(guò)高效率、低能耗獲得干燥空氣。
5.微波干燥技術(shù)
1)微波干燥技術(shù)原理
微波干燥技術(shù)在化工領(lǐng)域已有了一些研究和應(yīng)用，微波干燥起源于20世紀(jì)40年代，到20世紀(jì)60年代末，微波能已應(yīng)用于加熱、干燥、殺蟲(chóng)、滅菌、醫(yī)療、化工等工業(yè)項(xiàng)目上。南非的Bradshaw研究了微波在礦物質(zhì)中的應(yīng)用；法國(guó)的ledion指出微波加熱可在瞬時(shí)改變碳酸鈣的平衡；法國(guó)的ledion對(duì)微波加熱大量水溶液時(shí)表現(xiàn)出的系列性能進(jìn)行了研究，太原工業(yè)大學(xué)的趙慶玲研究發(fā)現(xiàn)微波對(duì)煤的干燥比對(duì)流干燥高1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。
2)微波干燥技術(shù)特點(diǎn)
a.速度快，時(shí)間短：微波加熱方式特殊，是利用電磁波作為熱源，加熱物料本身是發(fā)熱體的一種干燥技術(shù)。這種方式下物料的升溫時(shí)間非常短，干燥速度會(huì)大大加大。
b.得到的產(chǎn)品品質(zhì)好：微波干燥技術(shù)加熱均勻，得到的產(chǎn)品水分分布均勻。
c.能量利用效率高，微波干燥重點(diǎn)熱量基本全部用來(lái)干燥物料，不存在能量的浪費(fèi)。
四、化工單元操作的發(fā)展前景
隨著化學(xué)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(lái)單元操作的研究開(kāi)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(kāi)發(fā)和應(yīng)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(shè)備不斷出現(xiàn)；設(shè)備的放大效應(yīng)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(yīng)用。
3.計(jì)算機(jī)模擬和輔助設(shè)計(jì)不斷取得成果，縮短了新過(guò)程的開(kāi)發(fā)周期；使設(shè)備的設(shè)計(jì)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(duì)于單元操作不斷提出新的課題。這些新課題的解決既促進(jìn)了化工生產(chǎn)的發(fā)展，又推動(dòng)了單元操作學(xué)科的發(fā)展。
