化工生产由物理过程和化学过程两类过程构成。将前、后处理过程按其操作目的的不同划分为若干个单元,称之为单元操作。每一个单元操作完成一个特定的任务。化工生产过程是由若干个单元操作和化学反应过程构成的一个整体。
1.单元操作分类
各种单元操作根据不同的物理化学原理,采用相应的设备,达到各自的工艺目的。对于单元操作,可从不同角度加以分类。根据各单元操作所遵循的规律,将其划分为如下类型:
(1)遵循流体动力学基本规律的单元操作,包括流体输送、沉降、过滤、物料混合(搅拌)。
(2)遵循热量传递基本规律的单元操作,包括加热、冷却、冷凝、蒸发等。
(3)遵循质量传递基本规律的单元操作,包括蒸馏、吸收、萃取、吸附、膜分离等。从工程目的来看,这些操作都可将混合物进行分离,故又称之为分离操作。
(4)同时遵循热、质传递规律的单元操作,包括气体的增湿与减湿、结晶、干燥等。
另外,还有热力过程(制冷)、粉体工程(粉碎、颗粒分级、流态化)等单元操作。
2.单元操作特点
(1)物理过程。
(2)同一单元操作在不同的化工生产中遵循相同的过程规律,但在操作条件及设备类型(或结构)方面会有很大差别。
(3)对同样的工程目的,可采用不同的单元操作来实现。
3.单元操作的发展趋势
随着新产品、新工艺的开发或为实现绿色化工生产,对物理过程提出了一些特殊要求,又不断地发展出新的单元操作或化工技术,如膜分离、参数泵分离、电磁分离、超临界技术等。同时,以节约能耗、提高效率或洁净无污染生产的集成化工艺(如反应精馏、反应膜分离、萃取精馏、多塔精馏系统的优化热集成等)将是未来的发展趋势。
化工产品种类繁多,一般可分为无机、有机及生化产品。若按产品用途及性能来分,有染(颜)料化工、塑料橡胶化工、油脂化工、石油化工、食品化工、涂料化工、日用化工等。
不论化工产品的品种或规模有何差异,一个化工产品的生产过程总是由两大部分组成,即核心部分和辅助部分。核心部分为化学反应过程,辅助部分为前、后处理过程。为了保证化工生产过程经济合理并有效地进行,这就要求反应器内必须保持最适宜的(最佳的)反应条件,如适宜的压强、温度和物料的组成等。因此,原料必须经过一系列的前处理过程,以达到必要的纯度及温度和压强。得到的反应产物同样需要经过各种后处理过程加以精制,以得到最终产品(或中间产品)。
例如:聚氯乙烯塑料的生产(乙炔法)
化学方程式:
此生产过程除单体合成、聚合反应过程外,原料和反应产物的提纯、精制等工序分别属前、后处理过程。前、后处理工序中所进行的过程多数是纯物理过程,但都是化工生产所不可缺少的。
又如:甲醇的生产
合成气(CO、H 2 、CO 2 )输送→管式反应器→粗甲醇→冷却→精馏→精甲醇(99.85%~99.95%)
再如:苯的生产
原料油(甲苯、二甲苯)、H 2 →输送→加热→反应器→减压蒸馏塔→精馏→苯(99.992%~99.999%)
可见,一个化工生产过程往往包含几个或几十个物理加工过程,即单元操作过程。即使在一个现代化的大型工厂中,反应器的数目并不多,绝大多数的设备中都是进行着各种前、后处理操作。前、后处理工序占着企业的大部分设备投资和操作费用。因此目前已不是单纯由反应过程的优化条件来决定必要的前、后处理过程,而必须总体地确定全系统的优化条件。由此可见,前、后处理过程在化工生产中的重要地位。