ユニット操作

化学工学および関連分野において、単位操作はプロセスの基本ステップです。単位操作には、分離、結晶化、蒸発、濾過、重合、異性化、その他の反応などの物理的変化または化学的変換が含まれます。たとえば、牛乳の加工では、均質化、低温殺菌、包装という単位操作が含まれます。これらの単位操作が接続されて、プロセス全体が構成されます。プロセスでは、出発物質または原料から目的の製品を得るために、多くの単位操作が必要になる場合があります。

歴史的に、異なる化学産業は、異なる工業プロセスであり、異なる原理を持つと考えられてきました。アーサー・デホン・リトルは、 1916年に工業化学プロセスを説明するために「単位操作」の概念を開発しました。^[1] 1923年に、ウィリアム・H・ウォーカー、ウォーレン・K・ルイス、ウィリアム・H・マクアダムスは、化学工学の原理という本を書き、さまざまな化学産業には同じ物理法則に従うプロセスがあると説明しました。^[2]彼らはこれらの類似したプロセスを単位操作にまとめました。各単位操作は同じ物理法則に従い、関連するすべての化学産業で使用できます。たとえば、ナパーム用またはポリッジ用のミキサーを設計するには、用途、市場、またはメーカーが大きく異なっていても、同じエンジニアリングが必要です。単位操作は、化学工学の基本原理を形成します。

化学工学ユニット操作は 5 つのクラスで構成されます。

1. 流体輸送、ろ過、固体流動化などの流体流動プロセス。
2. 蒸発や熱交換などの熱伝達プロセス。
3. ガス吸収、蒸留、抽出、吸着、乾燥などの物質移動プロセス。
4. ガスの液化や冷凍などの熱力学的プロセス。
5. 固形物の輸送、破砕および粉砕、選別およびふるい分けなどの機械的プロセス。

化学工学の単位操作は、複数のクラスの要素を含む次のカテゴリにも分類されます。

• 組み合わせ（混合）
• 分離（蒸留、結晶化）
• 反応（化学反応）

さらに、反応蒸留や撹拌タンク反応器など、これらのカテゴリさえも組み合わせる単位操作もあります。「純粋な」単位操作は物理的な輸送プロセスですが、混合化学/物理プロセスでは、拡散などの物理的な輸送と化学反応の両方をモデル化する必要があります。これは通常、触媒反応の設計に必要であり、化学反応工学と呼ばれる別の分野と見なされます。

化学工学単位操作と化学工学単位処理は、あらゆる種類の化学産業の基本原則を形成し、化学プラント、工場、および使用される機器の設計の基礎となります。

一般に、ユニット操作は、各基本成分（無限に小さい場合もある）の輸送量のバランスを方程式の形で書き留め、設計パラメータの方程式を解き、いくつかの可能なソリューションの中から最適なソリューションを選択して物理的な装置を設計することによって設計されます。たとえば、プレートカラムでの蒸留は、各プレートの質量バランスを書き留めることで分析されます。ここでは、既知の気液平衡と効率、ドリップアウトとドリップインが総質量フローを構成し、各コンポーネントのサブフローが含まれます。これらのスタックを組み合わせると、カラム全体の方程式システムが得られます。還流比が高いほどプレートの数が少なくなり、逆の場合も同様であるため、ソリューションには範囲があります。次に、エンジニアは、許容可能なボリュームホールドアップ、カラムの高さ、および建設コストに関して最適なソリューションを見つけなければなりません。

• 蒸留設計
• 押し出し
• プロセスシミュレーション
• 分離プロセス
• 化学工学ユニットオペレーション

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