化工單元操作技術最新進展

賈利俠

(大同煤炭職業技術學院，山西 大同 037003)

1 化工單元操作技術概述

每個化工產品在生產的過程當中都有相同的物理變化，并且會使用比較類似的設備，然后經過一系列的物理操作，這被稱之為單元操作。單元操作的方法有很多種，一般將單元操作分為蒸餾、萃取、傳熱、蒸發、輸送、膜分離、沉降、吸收、吸附以及過濾等內容。隨著化工工藝生產需求的不斷提高，新的單元操作在不斷的產生。新的單元操作在原有單元操作的基礎上進行了創新，并且融合了傳統的單元操作，在這基礎之上不斷的產生新的單元操作方法。

2 干燥分析

通過熱能將濕物料中的濕分以及水分進行去除，這一過程就是干燥。在生產化工產品時，干燥的效果與本身的物料以及干燥器有一定的關系。工作人員在選擇設備、干燥方法時，需要根據產品的質量以及物料性質的要求。現階段干燥已經成為一個比較成熟的行業，在我國化工行業中發揮的作用越來越突出，不僅提供了眾多的干燥設備，而且使能耗、勞動強度得以降低。現階段發展起來的新型技術有超臨界流體干燥、冷凍干燥[1]。

2.1 超臨界流體干燥

濕凝膠干燥的問題經常會出現在氣凝膠制作的過程中，如果使用以往的方法對濕凝膠進行干燥，就會出現凝膠收縮、凝膠破裂的情況。超強滲透能力、超強的溶解能力是超臨界流體的特征，并且其具備較高的傳質速度，這些特質可以使有機溶質在短時間內被快速的溶解，它可以使凝膠結構不被破壞。

常用的超臨界流體就是CO2。在超臨界流體干燥的過程當中，從高壓儲罐中釋放出CO2，通過低溫使其變為液態二氧化碳，將其與固體物料結合在一起，等到一段時間之后，超臨界二氧化碳會與物料中的部分有機溶劑融合在一起，進而實現固體物料得到。除此之外，需要將剩余的物料通過節流膨脹的方式進行處理，這時干燥室的壓力就會被降低，有機溶劑就難以與CO2進行溶解，進而使有機溶劑逐漸從CO2中分離出來，并匯于干燥室的底部。

2.2 冷凍干燥分析

取出需要進行干燥的物料，先將其冷凍成固體，在這期間水的升華性能得到了充分的利用。在低溫的環境當中，物料會逐漸脫水，慢慢的實現了物料的干燥。一般情況下，冰在加熱的過程中，先會變成水，然后變成氣態。如果冰在加熱的過程中壓力處于610.5 Pa之下，固態的冰在加熱過程中會直接轉化為氣態，這就是真空冷凍干燥的原理，這一原理主要是根據水相轉的過程，因此，這種干燥技術只可以使用在含水物料的干燥過程[2]。

一般情況下，在冷凍干燥機中實施物料的干燥過程。干物料在-10 ℃～-50 ℃之間會凍結成固體，然后將其放置在真空下加熱，使物料中的水分直接升華成氣態，進而實現物料干燥的目的。冷凍干燥技術集合了干燥、真空以及冷凍等技術，其中涉及了多個領域的最新技術，但是該技術具有：能耗大、成本高、設備復雜的特征。

3 蒸餾分析

一般混合液的分離需要使用的蒸餾技術，該技術由冷凝與蒸發兩個單元組成。其將物體的揮發度不同的特點進行了充分利用，實現了液體混合物的分離。組分之間存在一定范圍內的沸點差才可以實施蒸餾操作，并且液體混合物在整個蒸餾的過程中受熱的時間較長。因此，這方法不能使用在組分之間沸點較小的液體混合物當中，也不能使用在熱敏感的物料中，而最近幾年出現的蒸餾方法可以將這些問題進行解決。

3.1 分子蒸餾

于分子蒸餾設備當中，在蒸發面中分散混合物料，將冷凝面設置在特定的位置上，蒸餾設備中的重分子一直處于冷凝面的下方，而輕分子則會在冷凝面的上方不斷的進行冷凝，并且這些輕分子會不斷聚集，從而使輕重分子得以分離，使混合液完全分離的目的得以實現。可見，物料中的分子平均自由程具有較大的差異，進而實現更好的蒸餾效果。同時，蒸餾系統使冷凝面、蒸發面的溫度差得以保持，進而實現更好的蒸餾效果[3]。

3.2 膜蒸餾

膜蒸餾中一般會使用疏水微孔膜，膜的兩側分別同熱混合液、冷混合液進行接觸，熱側混合液中的部分組織會汽化，并進入冷側然后形成液相，其它組分會被熱側的水膜所阻擋，從而使混合物分離得以實現。

一般在膜蒸餾器中開展膜蒸餾過程。膜蒸餾器一般因其蒸汽擴散形式的不同分為真空式、直接冷凝式、氣掃式以及氣隙式。不同的膜蒸餾器具有不同的特點，直接冷凝式是其中結構比較簡單，并且滲透量比較大的一種方法，主要用到主原料為水的物料當中。

一般膜蒸餾只需要在正常的壓力下進行實施，所以這種操作方式是比較簡單的。膜蒸餾與傳統的蒸餾方法相比具有無可比擬的優勢，其使用的設備相對簡單，并且經過蒸餾之后獲得的液體更加的純凈。膜蒸餾的操作水平比較高，在操作的過程中只需要耗費較少的能量。因膜蒸餾的這些特征被廣泛的應用，現階段其被應用在超純水制備、廢水處理等方面。

4 萃取分析

萃取有兩種方式分別為固液萃取和液液萃取。固液萃取是通過溶劑把固體中的一種化合物分離出來的方法，也可以叫做浸取。物質在不同的溶液中會有不同的溶解度、分配系數，物質會從其中的一種溶劑中轉移到另一種溶劑中，這就是液液萃取。在化學實驗中萃取是對化合物進行提純的主要方法之一。

4.1 雙水相萃取

雙水相萃取是在液液萃取的基礎之上產生的。當分離蛋白質類的生物活性物質時，由于原液的濃度比較低，所以在分離時對環境要求非常嚴格，以往的液液萃取，不能完全符合要求，雙水相萃取成功的解決了這一難題。

相對于人們普遍使用的液液萃取而言，雙水相萃取使用到的設備更加簡單，分離的過程更加溫和，因此，其具有較高的傳質效率。另外，雙水相體系中水的含量非常高，所以生物活性能夠保持一定的水平。當前，雙水相萃取的技術使用非常廣泛，其中最常見的有藥物分析、生物制品的分離等等[4]。

4.2 超臨界流體萃取

超臨界流體萃取其實是在固液萃取發展到一定程度產生的。流體在超臨界狀態時，它的溶解能力、密度和液體相似，然而它的傳質性、遷移性和可壓縮氣體相似，流體的密度受溫度和壓力的影響非常嚴重，微小的變化都可能造成流體產生極大的影響，這就使流體的物理參數被改變，從而實現了分離的效果，這就是所謂的超臨界流體萃取原理。

和以往的固液萃取相比較，超臨界流體萃取具備很多優點，其中包括溶解性好、速度快、選擇性好，同時在一定程度上降低了對有效成分的破壞。當前，此技術主要應用在煙草行業、食品行業、化工行業等。

5 結語

通過對單元操作領域的蒸餾、干燥、萃取等方面的新技術進行詳細介紹，反映出當前化工工藝的水平，通過本文的介紹對化工及相關產業的發展有一定推動作用，進而提高化工產品的品質與效率。