化學工程過程/單元操作參考簡介
單元操作是指任何可以被認為具有單一功能的多步過程的一部分。單元操作的例子包括
- 分離過程
- 提純過程
- 混合過程
- 反應過程
- 發電過程
- 熱交換器
一般來說，過程之間的管道並不明確包含在內，儘管可以分析單個管道以確定摩擦損失、熱損失、壓降等。
為了便於分析，大型過程被分解成單元操作。關於它們需要記住的關鍵點是守恆定律不僅適用於整個過程，也適用於每個獨立的單元操作。
本節的目的是為了說明這些操作是如何工作的，而不是如何設計這些操作（那是另一門完整的課程）。
分離過程有很多型別，包括蒸餾、萃取、吸收、膜過濾等。這些過程也可以用於提純，程度不同。
透過將兩種液體或液體和蒸汽的混合物在固定溫度和壓力下透過閃蒸釜，可以分離混合物。允許混合物達到平衡（或接近平衡），然後蒸汽從頂部排出，液體從釜底排出。這會對混合物進行一定程度的分離，前提是溫度選擇在混合物組分的沸點之間的固定壓力。分離程度取決於混合物的組成、混合物中物質的濃度以及溫度和壓力。在選擇操作條件時，擁有逸度資料甚至像拉烏爾定律這樣的簡單模型的蒸汽壓資料是不可估量的。
當溶液沸騰時，產生的氣體仍然是混合物，但氣體混合物通常會含有比高沸點化合物更多的低沸點化合物。因此，可以透過簡單地使一部分溶液沸騰，而另一部分保持液體狀態，來分離高沸點化合物和低沸點化合物。
蒸餾與閃蒸類似，是一種通常用於根據沸點分離兩種或多種液體混合物的過程。但是，蒸餾塔中發生的過程本質上是一系列閃蒸，這些閃蒸透過迴圈連線。每個塔板上的液體與蒸汽達到平衡（理想情況），蒸汽上升到下一個塔板，液體下降到下面的塔板。每個塔板的溫度都不同，因為底部再沸器和頂部冷凝器在整個塔柱上保持溫度梯度（在某些分離裝置中，其中一個部件被省略）。
蒸餾是一種單元操作，其中兩種成分透過不同的沸點分離。
最終結果是，與閃蒸類似，更多的低沸點化合物(s)從塔頂排出，更多的高沸點化合物(s)沉到底部。由於蒸餾是多個閃蒸連續進行的，因此通常比單個閃蒸更有效，儘管後者可能足以滿足特定目的。蒸餾塔是許多型別分離的標準裝置，因為它在有效性方面相對便宜。然而，蒸餾也有侷限性：非理想混合物會形成共沸物。共沸物是指溶液沸騰時，蒸汽與液體的組成相同的點。因此，如果沒有其他方法或不使用一些特殊技巧，就無法進行進一步的分離。
蒸餾過程的兩個例子是石油蒸餾和酒精飲料的生產。在第一種情況下，石油被分離成許多組分，最輕的組分在頂部，最重的組分在底部。在第二種情況下，氣體富含乙醇，然後被重新冷凝。
重力分離利用了眾所周知的密度差效應：密度較小的物體將漂浮在密度較大的物體上。因此，如果兩種不互溶的液體具有明顯不同的密度，則可以透過簡單地讓它們沉澱，然後從底部排放出密度較大的液體來分離它們。請注意，這裡的關鍵詞是不互溶；如果液體相互溶解，則無法用此方法分離它們。
此方法也可以用來從液體混合物中分離固體，但同樣固體不能溶解在液體中（或必須比它們在溶液中的溶解度低）。
萃取是指將溶解在一種液體中的物質轉移到另一種液體中。這是利用化合物在兩種液體之間的相對溶解度來實現的。例如，咖啡因必須從咖啡豆或茶葉中提取出來，才能用於咖啡或蘇打水等飲料。常見的提取方法是使用超臨界二氧化碳，它能像液體一樣溶解咖啡因。然後，為了提取咖啡因，降低溫度（降低二氧化碳中的“溶解度”)並注入水。然後，該系統被允許達到平衡。由於咖啡因在水中的溶解度高於在二氧化碳中的溶解度，因此大部分咖啡因會進入水中。
萃取也用於提純，如果某種溶液被汙染物汙染，可以使用另一股清潔流體將汙染物萃取出來。即使汙染物溶解度不高，它仍然會萃取一些汙染物。
另一種提取方法是酸鹼提取，它可用於將鹼性或酸性化合物從極性溶劑（如水）轉移到非極性溶劑中。通常，酸或鹼的離子形式可溶於極性溶劑，但非離子形式的溶解度較低。對於非離子形式，情況則相反。因此，為了控制大部分化合物最終的位置，我們透過新增酸或鹼來改變溶液的pH值。
例如，假設您想從水中提取氟離子 (F-) 到苯中。首先，您需要新增酸，因為當向溶液中新增強酸時，它會與氟離子發生以下反應，該反應實際上不可逆
氟化氫比氟離子本身更易溶於苯，因此它會進入苯中。然後可以透過密度將苯和水氟化物溶液分離，因為它們是不互溶的。
術語吸收是對提取的概括，它可以涉及不同的相（氣液而不是液液）。但是，基本原理仍然相同。
膜過濾
[edit | edit source]膜是指任何允許一種物質比另一種物質更容易透過的屏障。膜分離器一般分為兩種型別：一種是根據分子大小進行分離，另一種是根據擴散率進行分離。
第一種型別膜分離器的例子是您日常使用的吸塵器。吸塵器的工作原理是吸入充滿灰塵的空氣，這些灰塵來自您的地毯。吸塵器內部的過濾器會攔截灰塵顆粒（相對較大），並允許空氣透過（因為空氣顆粒相對較小）。一種基於相同原理的大規模操作稱為織物過濾器或“布袋除塵器”，用於空氣汙染控制或其他需要從氣體中去除固體的應用。
一些特殊的膜能夠透過尺寸將氫氣從氣體混合物中分離出來。這些膜具有非常小的孔，允許氫氣（按分子量計算是最小的分子）透過對流透過，但其他分子無法透過這些孔，必須依靠擴散（相對較慢）。因此，在另一側形成了純淨的氫氣混合物。
膜也可以根據擴散率分離物質，例如，水可能比乙醇更快地透過某種型別的過濾器擴散，因此，如果存在這種過濾器，它可以用來富集原始溶液中的乙醇。
純化方法
[edit | edit source]為了將任何產品推向市場，必須對其進行充分的純化。如果沒有純化，人們可能會因食用食物而生病，工業中可能會發生副反應，造成安全隱患，或者科學家的研究結果可能會失效。幸運的是，有一些方法可以用來純化物質。上面提到的分離過程經常用於此目的，還有以下兩種過程
吸附
[edit | edit source]吸附不要與吸收混淆，它是一種根據物質對錶面的相對粘附性分離組分的過程。吸附柱本質上是一根充滿特定材料的管道。當汙染物流過時，它會與材料結合，從而淨化流過的流體。
該方法的主要缺點是，材料始終具有飽和點，超過此點，不再有汙染物可以吸附到材料上。此時，淨化停止，因此必須用新材料替換已用完的材料。
重結晶
[edit | edit source]重結晶是利用物質的溶解度隨溫度變化而進行的物質純化方法。我們透過溶解不純的化合物，然後緩慢降低溫度來利用這種變化。大多數固體物質的溶解度隨溫度升高而增加[1]，因此降低溫度會導致不純物和待純化物質的溶解度都降低。然而，由於不純物質的含量很可能遠高於雜質，因此不純物質會在雜質結晶出來之前就結晶出來。因此，只要溫度下降速度不快，不純物質就會以更純的形式結晶出來，而大多數雜質會保留在溶液中。
該方法的缺點是耗時長，但通常是獲得產品純樣品最有效的方法。
反應過程
[edit | edit source]平推流反應器 (PFR) 和填充床反應器 (PBR)
[edit | edit source]平推流反應器是一種（理想化的）反應器，其中反應流體以快速速度流過管道，但不會形成快速流動時特有的渦流。平推流反應器往往相對容易建造（本質上是管道），但在反應物（或產物！）濃度低時效果更好的反應中存在問題。
平推流反應器可以與膜分離器結合使用，以提高反應器的產率。產物在生成後被選擇性地從反應器中抽出，因此反應器本身的平衡會繼續向生成更多產物的方向移動。
填充床反應器本質上是一種填充有催化劑珠的平推流反應器。如果反應像工業中大多數反應一樣需要催化劑才能在合理的溫度下明顯進行，則使用這種反應器。
連續攪拌釜式反應器 (CSTR) 和流化床反應器 (FB)
[edit | edit source]連續攪拌釜式反應器是一種理想化的反應器，其中反應物被傾倒在一個大型罐中，允許發生反應，然後產物（和未反應的反應物）從底部釋放出來。這樣，反應物保持相對稀薄，因此反應器中的溫度通常較低。這對於反應的選擇性也可能有利或不利，具體取決於所需反應的速度是快還是慢於不需要的反應。
與 PFR 相比，CSTR 通常更適用於液相反應，因為所需的運輸功率更低。然而，氣相反應在 CSTR 中更難控制。
流化床反應器本質上是裝滿了催化劑的 CSTR。FB 與 CSTR 之間的類比與 PFR 與 PBR 之間的類比相同。與 CSTR 不同的是，流化床通常用於氣體；氣體從底部注入，在到達頂部出口的路上透過催化劑起泡。
生物反應器
[edit | edit source]生物反應器是一種利用活生物體或活生物體中的一種或多種酶來完成特定化學轉化的反應器。生物反應器可以是 CSTR（在這種情況下被稱為恆化器）或 PFR。
生物反應器的某些特性必須比在普通 CSTR 或 PFR 中的控制更嚴格，因為細胞酶非常複雜，並且其最佳活性範圍相對較窄。這些包括但不限於
- 生物體的選擇。這類似於無機反應中催化劑的選擇。
- 菌株 的選擇。與普通催化劑不同，微生物可高度操控，以生產更多目標產物，減少其他副產物的生成。然而，與普通催化劑不同的是，微生物通常需要大量工作才能實現顯著的產物產量。
- 底物選擇。許多微生物可以利用多種碳源，例如，但可能只從其中一種碳源中產生您需要的產物。
- 底物濃度和通氣。存在兩種抑制作用，可能會阻礙您獲得所需的產物。過高的底物濃度會導致葡萄糖效應，在這種情況下，微生物無論空氣供應如何都會進行發酵，而過量的空氣會導致巴斯德效應，導致發酵不足。
- pH 和溫度：細菌酶往往具有狹窄的最佳 pH 和溫度範圍，因此必須對其進行嚴格控制。
然而，生物反應器具有幾個獨特的優勢。其中之一是酶往往具有立體專一性，因此例如在維生素 C 的生產中，您不會得到無用的 D-山梨糖，而是得到 L-山梨糖，它是活性形式。此外，在誘導足夠多的突變後，可以實現極高的生產能力。最後，一些人工合成困難或無法人工合成的物質（如大多數抗生素）可以透過活體生物相對容易地製備。
一般來說，熱交換器是一種用於促進兩種混合物之間進行熱量交換的裝置，從溫度較高的混合物傳遞到溫度較低的混合物。熱交換器經常涉及蒸汽，因為蒸汽非常善於透過對流傳遞熱量，而且它具有很高的熱容量，因此溫度變化不會像其他工作流體那樣顯著。此外，雖然蒸汽的生產成本可能很高，但它可能比其他工作流體更便宜，因為它來自水。
管式熱交換器本質上是在管道周圍的夾套。工作流體（通常是蒸汽）從熱交換器一側進入夾套，從另一側離開。管道內部是您要加熱或冷卻的混合物。熱量透過裝置的壁進行交換，符合熱力學第二定律，該定律要求熱量從高溫流向低溫。因此，如果需要冷卻管道內的流體，工作流體的溫度必須低於管道內的流體。
熱交換器之所以有效，是因為熱量自然會從高溫流向低溫。因此，如果熱流體和冷流體被熱傳導表面隔開，則熱量可以從熱流體傳遞到冷流體。
管式熱交換器可以以兩種方式設定：並流或逆流。在並流設定中，工作流體和管道內的流體從熱交換器的同一側進入。這種設定效率較低，因為隨著熱量的交換，工作流體的溫度將接近管道內的流體溫度。兩種溫度越接近，交換的熱量就越少。更糟糕的是，如果兩種溫度在熱交換器中間的某個地方變得相等，則剩餘的長度將被浪費，因為兩種流體處於熱平衡狀態（沒有熱量釋放）。
為了幫助抵消這些影響，可以使用逆流設定，其中工作流體從熱交換器的一端進入，管道內的流體從另一端進入。作為解釋這種設定效率更高的原因，假設工作流體的溫度高於管道內的流體，因此管道內的流體被加熱。當管道內的流體離開熱交換器時，它將達到最高溫度，而當它進入時，它將達到最低溫度。工作流體會遵循相同的趨勢，因為它在熱交換器內流動時會冷卻。然而，由於它是逆流的，因此工作流體冷卻的事實對其影響較小，因為它與管道內溫度較低的流體而不是溫度較高的流體交換熱量。
