二、单元操作
(一)单元操作的定义及分类
通常，一种产品从原料到成品的生产过程中，往往需要几个、十几个甚至几十个物理加工过程。但研究化工生产诸多物理过程后发现，根据它们的操作原理，可以归纳为若干个基本单元操作过程。这些基本的单元操作过程具有共同的基本原理并各有其通用的典型设备。例如，合成氨、硝酸和硫酸的生产过程中，都是采用吸收操作分离气体混合物，而且都遵循亨利定律及相平衡原理，所以吸收是一个基本单元操作，且都是在吸收塔内进行的。又如尿素、聚氯乙烯的生产过程中，都采用干燥操作除去固体中的水分，所以干燥也是一个基本单元操作，且均是在干燥器内进行的。再如乙醇、乙烯及石油加工等生产过程中，都采用蒸馏操作分离液体混合物，达到提纯产品的目的，所以蒸馏也为一基本单元操作，其原理都遵循相平衡和两相间扩散传质规律，且都是在蒸馏设备中进行。
我们将这些具有共性的基本操作称为单元操作。化工生产过程是由若干单元操作与化学反应串联组合而成。
各单元操作并不是孤立的，经过分析研究，按照各单元操作遵循的基本规律，可把它们归纳为如下几类:
(1)动量传递过程:包括遵循流体力学基本规律的单元操作，如流体的输送、搅拌、沉降、过滤等。
(2)热量传递过程:包括遵循传热基本规律的单元操作，如加热、冷却、蒸发和冷凝等。
(3)质量传递过程:包括遵循传质基本规律的单元操作，如蒸馏、吸收、干燥、膜分离、萃取、结晶等。
化工单元操作技术课程以单元操作作为研究对象，内容包括单元操作基本理论、单元操作设备、工艺计算和操作训练。主要研究相关单元操作的基本原理和规律，熟悉掌握实现这些操作的设备结构、工作原理、操作调控方法、主要性能和有关技术问题，并具有一定的运算、选型能力，运用这些知识分析和解决工程实践中的实际问题;学会单元操作过程的操作和调节，在操作发生故障时，能够查找故障原因，提出排除故障的措施，解决操作中的实际问题，使各项操作在最优化条件下进行。
(二)单元操作中常用的基本概念和观点
在分析各单元操作原理及设备计算中，都是以物料衡算、能量衡算、平衡关系和过程速率这四种基本计算为依据。
1．物料衡算根据质量守恒定律，在任何一个稳定的化工生产系统中，输入系统的物料质量必等于从系统中输出的物料质量与在系统中积累的物料质量之和，即:
式中:∑F---输入系统物料总量，kg;
∑D---输出系统物料总量，kg;
A---积累物料总量，kg。
上式是物料衡算的通式，该式不仅适用于整个生产系统的计算，也适用于生产系统中某一工序或某一设备的计算;既可对系统作总的物料衡算，也可对混合物中的某一组分进行物料衡算。
进行物料衡算时，首先要确定衡算的范围，明确是对整个生产系统作衡算，还是对某一工序或某一设备作衡算;是对总物料进行衡算，还是对物料中某一组分作衡算。其次是确定衡算基准，对于间歇生产，一般以每一生产周期为基准进行衡算;对于连续生产则以kg/h或kg/s为基准进行衡算。
【例0-1】已知条件如图0-2所示，求产量(D)和残液量(W)。
图0-2
解:计算基准为1h，列出虚线内总物料和易挥发组分的物料衡算式。
物料衡算是化工计算中的重要内容之一，它对设备尺寸的设计和生产过程的分析，具有重要意义。
2．能量衡算根据能量守恒定律，在任何一个稳定的化工生产系统中，输入系统的能量必等于从系统中输出的能量与在系统中损失的能量之和。能量衡算应包括与该过程有关的各种形式的能:热能，机械能，电能，化学能等，但在许多化工生产中所涉及的能量仅为热能，所以本书中能量衡算简化为热量衡算，即:
式中:∑Qi---输入系统的各物料带入的总热量，kJ;
∑Qo---输出系统的各物料带出的总热量，kJ;
QL---系统损失的热量，kJ。
进行能量衡算时，也要先确定衡算的范围，明确是对整个生产系统作衡算，还是对某一工序或某一设备作衡算;然后确定衡算基准，对于间歇生产，一般以每一生产周期为基准进行衡算;对于连续生产则以kJ/h或kJ/s为基准进行衡算。
【例0-2】已知条件如图0-3所示，对该换热器进行热量衡算。
解:根据能量守恒定律，列出虚线内热量衡算式
通过热量衡算，可以检验在生产操作中热量的利用及损失情况;而在生产工艺与设备设计时，通过热量衡算可以确定是否需要从外界引入热量或向外界输出热量。
图0-3
3．平衡关系物系在自然界发生变化时，其变化必趋于一定方向，如果任其发展，结果必达到平衡关系为止。
平衡状态表示的就是各种自然发生的过程可能达到的极限程度，除非影响物系的情况有变化，否则其变化的极限是不会改变的。一般平衡关系则为各种定律所表明，如热力学第二定律、拉乌尔定律等。在化工生产过程中，可以从物系平衡关系来推知其能否进行以及进行到何种程度。平衡关系也为设备尺寸的设计提供了理论依据。
4．过程速率任何一个不处于平衡状态的物系，必然发生使物系趋向平衡的过程，但过程是以什么速率趋向平衡，这不决定于平衡关系，而是受多方面的因素影响的，由于对这些因素有些还不清楚，目前过程速率近似地采用推动力除以阻力表示。
这里的过程推动力，可依据具体过程而有不同的理解，但必要的条件是物系在平衡状态时推动力必须等于零。至于过程的阻力则较为复杂，要具体情况具体分析。
上述四个基本概念，在讨论单元操作时，常被引用来反映过程中物料的变化规律，此外，在具体解决化学工业建设和生产问题时，它们也是制订技术经济比较方案的重要依据。