化学工程过程/单元操作参考简介
单元操作是指任何可以被认为具有单一功能的多步过程的一部分。单元操作的例子包括
- 分离过程
- 提纯过程
- 混合过程
- 反应过程
- 发电过程
- 热交换器
一般来说，过程之间的管道并不明确包含在内，尽管可以分析单个管道以确定摩擦损失、热损失、压降等。
为了便于分析，大型过程被分解成单元操作。关于它们需要记住的关键点是守恒定律不仅适用于整个过程，也适用于每个独立的单元操作。
本节的目的是为了说明这些操作是如何工作的，而不是如何设计这些操作（那是另一门完整的课程）。
分离过程有很多类型，包括蒸馏、萃取、吸收、膜过滤等。这些过程也可以用于提纯，程度不同。
通过将两种液体或液体和蒸汽的混合物在固定温度和压力下通过闪蒸釜，可以分离混合物。允许混合物达到平衡（或接近平衡），然后蒸汽从顶部排出，液体从釜底排出。这会对混合物进行一定程度的分离，前提是温度选择在混合物组分的沸点之间的固定压力。分离程度取决于混合物的组成、混合物中物质的浓度以及温度和压力。在选择操作条件时，拥有逸度数据甚至像拉乌尔定律这样的简单模型的蒸汽压数据是不可估量的。
当溶液沸腾时，产生的气体仍然是混合物，但气体混合物通常会含有比高沸点化合物更多的低沸点化合物。因此，可以通过简单地使一部分溶液沸腾，而另一部分保持液体状态，来分离高沸点化合物和低沸点化合物。
蒸馏与闪蒸类似，是一种通常用于根据沸点分离两种或多种液体混合物的过程。但是，蒸馏塔中发生的过程本质上是一系列闪蒸，这些闪蒸通过循环连接。每个塔板上的液体与蒸汽达到平衡（理想情况），蒸汽上升到下一个塔板，液体下降到下面的塔板。每个塔板的温度都不同，因为底部再沸器和顶部冷凝器在整个塔柱上保持温度梯度（在某些分离装置中，其中一个部件被省略）。
蒸馏是一种单元操作，其中两种成分通过不同的沸点分离。
最终结果是，与闪蒸类似，更多的低沸点化合物(s)从塔顶排出，更多的高沸点化合物(s)沉到底部。由于蒸馏是多个闪蒸连续进行的，因此通常比单个闪蒸更有效，尽管后者可能足以满足特定目的。蒸馏塔是许多类型分离的标准设备，因为它在有效性方面相对便宜。然而，蒸馏也有局限性：非理想混合物会形成共沸物。共沸物是指溶液沸腾时，蒸汽与液体的组成相同的点。因此，如果没有其他方法或不使用一些特殊技巧，就无法进行进一步的分离。
蒸馏过程的两个例子是石油蒸馏和酒精饮料的生产。在第一种情况下，石油被分离成许多组分，最轻的组分在顶部，最重的组分在底部。在第二种情况下，气体富含乙醇，然后被重新冷凝。
重力分离利用了众所周知的密度差效应：密度较小的物体将漂浮在密度较大的物体上。因此，如果两种不互溶的液体具有明显不同的密度，则可以通过简单地让它们沉淀，然后从底部排放出密度较大的液体来分离它们。请注意，这里的关键词是不互溶；如果液体相互溶解，则无法用此方法分离它们。
此方法也可以用来从液体混合物中分离固体，但同样固体不能溶解在液体中（或必须比它们在溶液中的溶解度低）。
萃取是指将溶解在一种液体中的物质转移到另一种液体中。这是利用化合物在两种液体之间的相对溶解度来实现的。例如，咖啡因必须从咖啡豆或茶叶中提取出来，才能用于咖啡或苏打水等饮料。常见的提取方法是使用超临界二氧化碳，它能像液体一样溶解咖啡因。然后，为了提取咖啡因，降低温度（降低二氧化碳中的“溶解度”)并注入水。然后，该系统被允许达到平衡。由于咖啡因在水中的溶解度高于在二氧化碳中的溶解度，因此大部分咖啡因会进入水中。
萃取也用于提纯，如果某种溶液被污染物污染，可以使用另一股清洁流体将污染物萃取出来。即使污染物溶解度不高，它仍然会萃取一些污染物。
另一种提取方法是酸碱提取，它可用于将碱性或酸性化合物从极性溶剂（如水）转移到非极性溶剂中。通常，酸或碱的离子形式可溶于极性溶剂，但非离子形式的溶解度较低。对于非离子形式，情况则相反。因此，为了控制大部分化合物最终的位置，我们通过添加酸或碱来改变溶液的pH值。
例如，假设您想从水中提取氟离子 (F-) 到苯中。首先，您需要添加酸，因为当向溶液中添加强酸时，它会与氟离子发生以下反应，该反应实际上不可逆
氟化氢比氟离子本身更易溶于苯，因此它会进入苯中。然后可以通过密度将苯和水氟化物溶液分离，因为它们是不互溶的。
术语吸收是对提取的概括，它可以涉及不同的相（气液而不是液液）。但是，基本原理仍然相同。
膜过滤
[edit | edit source]膜是指任何允许一种物质比另一种物质更容易通过的屏障。膜分离器一般分为两种类型：一种是根据分子大小进行分离，另一种是根据扩散率进行分离。
第一种类型膜分离器的例子是您日常使用的吸尘器。吸尘器的工作原理是吸入充满灰尘的空气，这些灰尘来自您的地毯。吸尘器内部的过滤器会拦截灰尘颗粒（相对较大），并允许空气通过（因为空气颗粒相对较小）。一种基于相同原理的大规模操作称为织物过滤器或“布袋除尘器”，用于空气污染控制或其他需要从气体中去除固体的应用。
一些特殊的膜能够通过尺寸将氢气从气体混合物中分离出来。这些膜具有非常小的孔，允许氢气（按分子量计算是最小的分子）通过对流通过，但其他分子无法通过这些孔，必须依靠扩散（相对较慢）。因此，在另一侧形成了纯净的氢气混合物。
膜也可以根据扩散率分离物质，例如，水可能比乙醇更快地通过某种类型的过滤器扩散，因此，如果存在这种过滤器，它可以用来富集原始溶液中的乙醇。
纯化方法
[edit | edit source]为了将任何产品推向市场，必须对其进行充分的纯化。如果没有纯化，人们可能会因食用食物而生病，工业中可能会发生副反应，造成安全隐患，或者科学家的研究结果可能会失效。幸运的是，有一些方法可以用来纯化物质。上面提到的分离过程经常用于此目的，还有以下两种过程
吸附
[edit | edit source]吸附不要与吸收混淆，它是一种根据物质对表面的相对粘附性分离组分的过程。吸附柱本质上是一根充满特定材料的管道。当污染物流过时，它会与材料结合，从而净化流过的流体。
该方法的主要缺点是，材料始终具有饱和点，超过此点，不再有污染物可以吸附到材料上。此时，净化停止，因此必须用新材料替换已用完的材料。
重结晶
[edit | edit source]重结晶是利用物质的溶解度随温度变化而进行的物质纯化方法。我们通过溶解不纯的化合物，然后缓慢降低温度来利用这种变化。大多数固体物质的溶解度随温度升高而增加[1]，因此降低温度会导致不纯物和待纯化物质的溶解度都降低。然而，由于不纯物质的含量很可能远高于杂质，因此不纯物质会在杂质结晶出来之前就结晶出来。因此，只要温度下降速度不快，不纯物质就会以更纯的形式结晶出来，而大多数杂质会保留在溶液中。
该方法的缺点是耗时长，但通常是获得产品纯样品最有效的方法。
反应过程
[edit | edit source]平推流反应器 (PFR) 和填充床反应器 (PBR)
[edit | edit source]平推流反应器是一种（理想化的）反应器，其中反应流体以快速速度流过管道，但不会形成快速流动时特有的涡流。平推流反应器往往相对容易建造（本质上是管道），但在反应物（或产物！）浓度低时效果更好的反应中存在问题。
平推流反应器可以与膜分离器结合使用，以提高反应器的产率。产物在生成后被选择性地从反应器中抽出，因此反应器本身的平衡会继续向生成更多产物的方向移动。
填充床反应器本质上是一种填充有催化剂珠的平推流反应器。如果反应像工业中大多数反应一样需要催化剂才能在合理的温度下明显进行，则使用这种反应器。
连续搅拌釜式反应器 (CSTR) 和流化床反应器 (FB)
[edit | edit source]连续搅拌釜式反应器是一种理想化的反应器，其中反应物被倾倒在一个大型罐中，允许发生反应，然后产物（和未反应的反应物）从底部释放出来。这样，反应物保持相对稀薄，因此反应器中的温度通常较低。这对于反应的选择性也可能有利或不利，具体取决于所需反应的速度是快还是慢于不需要的反应。
与 PFR 相比，CSTR 通常更适用于液相反应，因为所需的运输功率更低。然而，气相反应在 CSTR 中更难控制。
流化床反应器本质上是装满了催化剂的 CSTR。FB 与 CSTR 之间的类比与 PFR 与 PBR 之间的类比相同。与 CSTR 不同的是，流化床通常用于气体；气体从底部注入，在到达顶部出口的路上通过催化剂起泡。
生物反应器
[edit | edit source]生物反应器是一种利用活生物体或活生物体中的一种或多种酶来完成特定化学转化的反应器。生物反应器可以是 CSTR（在这种情况下被称为恒化器）或 PFR。
生物反应器的某些特性必须比在普通 CSTR 或 PFR 中的控制更严格，因为细胞酶非常复杂，并且其最佳活性范围相对较窄。这些包括但不限于
- 生物体的选择。这类似于无机反应中催化剂的选择。
- 菌株 的选择。与普通催化剂不同，微生物可高度操控，以生产更多目标产物，减少其他副产物的生成。然而，与普通催化剂不同的是，微生物通常需要大量工作才能实现显著的产物产量。
- 底物选择。许多微生物可以利用多种碳源，例如，但可能只从其中一种碳源中产生您需要的产物。
- 底物浓度和通气。存在两种抑制作用，可能会阻碍您获得所需的产物。过高的底物浓度会导致葡萄糖效应，在这种情况下，微生物无论空气供应如何都会进行发酵，而过量的空气会导致巴斯德效应，导致发酵不足。
- pH 和温度：细菌酶往往具有狭窄的最佳 pH 和温度范围，因此必须对其进行严格控制。
然而，生物反应器具有几个独特的优势。其中之一是酶往往具有立体专一性，因此例如在维生素 C 的生产中，您不会得到无用的 D-山梨糖，而是得到 L-山梨糖，它是活性形式。此外，在诱导足够多的突变后，可以实现极高的生产能力。最后，一些人工合成困难或无法人工合成的物质（如大多数抗生素）可以通过活体生物相对容易地制备。
一般来说，热交换器是一种用于促进两种混合物之间进行热量交换的设备，从温度较高的混合物传递到温度较低的混合物。热交换器经常涉及蒸汽，因为蒸汽非常善于通过对流传递热量，而且它具有很高的热容量，因此温度变化不会像其他工作流体那样显著。此外，虽然蒸汽的生产成本可能很高，但它可能比其他工作流体更便宜，因为它来自水。
管式热交换器本质上是在管道周围的夹套。工作流体（通常是蒸汽）从热交换器一侧进入夹套，从另一侧离开。管道内部是您要加热或冷却的混合物。热量通过装置的壁进行交换，符合热力学第二定律，该定律要求热量从高温流向低温。因此，如果需要冷却管道内的流体，工作流体的温度必须低于管道内的流体。
热交换器之所以有效，是因为热量自然会从高温流向低温。因此，如果热流体和冷流体被热传导表面隔开，则热量可以从热流体传递到冷流体。
管式热交换器可以以两种方式设置：并流或逆流。在并流设置中，工作流体和管道内的流体从热交换器的同一侧进入。这种设置效率较低，因为随着热量的交换，工作流体的温度将接近管道内的流体温度。两种温度越接近，交换的热量就越少。更糟糕的是，如果两种温度在热交换器中间的某个地方变得相等，则剩余的长度将被浪费，因为两种流体处于热平衡状态（没有热量释放）。
为了帮助抵消这些影响，可以使用逆流设置，其中工作流体从热交换器的一端进入，管道内的流体从另一端进入。作为解释这种设置效率更高的原因，假设工作流体的温度高于管道内的流体，因此管道内的流体被加热。当管道内的流体离开热交换器时，它将达到最高温度，而当它进入时，它将达到最低温度。工作流体会遵循相同的趋势，因为它在热交换器内流动时会冷却。然而，由于它是逆流的，因此工作流体冷却的事实对其影响较小，因为它与管道内温度较低的流体而不是温度较高的流体交换热量。
