Μια διαδικασία διαχωρισμού είναι οποιαδήποτε διαδικασία που μπορεί να λάβει έναν συνδυασμό ή ένα μείγμα διαφορετικών συστατικών και να εξαγάγει τουλάχιστον ένα συστατικό σε υψηλότερη καθαρότητα από ό,τι στο αρχικό μείγμα. Η απόσταξη, η εξάτμιση και η κρυστάλλωση είναι κοινές διαδικασίες διαχωρισμού στη χημική μηχανική. Οι ειδικοί χρησιμοποιούν τη χημική μηχανική για να σχεδιάσουν μια νέα διαδικασία διαχωρισμού για κάθε έργο που προτείνουν.
Υπάρχουν πολλοί τρόποι σχεδιασμού μιας διαδικασίας διαχωρισμού. Η απόσταξη αλκοόλης για την παραγωγή ποτού γίνεται με βράσιμο του αρχικού μείγματος φρούτων που έχουν υποστεί ζύμωση. Μόλις αρχίσουν να ανεβαίνουν οι ατμοί, οι μηχανικοί αρχίζουν να ψύχουν και να συμπυκνώνουν τους ατμούς που έχουν υψηλότερη καθαρότητα αλκοόλης. Αυτή η διαδικασία απόσταξης γίνεται κάτω από ακριβείς συνθήκες, επειδή κατά τη διαδικασία της απόσταξης διαχωρίζονται και άλλες προσμείξεις.
Η εξάτμιση χρησιμοποιείται ως διαδικασία διαχωρισμού συνήθως όταν ένα στερεό προϊόν καλύπτεται με ένα ρευστό, όπως το νερό. Τα σύννεφα δημιουργούνται από την εξάτμιση όταν ο ζεστός ξηρός αέρας συλλέγει νερό καθώς περνά πάνω από υδάτινα σώματα. Αυτή η ίδια διαδικασία χρησιμοποιείται και έχει σχεδιαστεί δημιουργικά για να λειτουργεί ως διαδικασία διαχωρισμού. Οι χημικοί μηχανικοί υπολογίζουν ποια θερμά αέρια θα συλλέξουν ψυχρότερα υγρά για να εφεύρουν νέα διαδικασία διαχωρισμού εξάτμισης. Συχνά χρησιμοποιούνται κενά και αντλίες για τον έλεγχο της ροής των αερίων.
Η κρυστάλλωση χρησιμοποιείται στη φαρμακοβιομηχανία. Στη χημική μηχανική, ο διαχωρισμός του δραστικού συστατικού από τα άλλα συστατικά σε μια παρτίδα απαιτεί την προσθήκη υδροχλωρικού οξέος για περιορισμένο χρονικό διάστημα. Το φάρμακο απορροφάται στο οξύ και στεγνώνοντας κάτω από τις κατάλληλες συνθήκες προκαλεί κρυστάλλωση. Αυτό σχηματίζει μικρούς κρυστάλλους με το δραστικό συστατικό ως φάρμακο σε σκόνη, το οποίο στη συνέχεια πιέζεται σε σχήμα χαπιού για χρήση.
Άλλοι συνήθεις τύποι διαδικασιών διαχωρισμού μπορούν να παρατηρηθούν στην απομάκρυνση των απορριμμάτων. Τα περισσότερα χρησιμοποιούνται σε εγκαταστάσεις απορριμμάτων νερού, όπως η επίπλευση. Η χημική μηχανική χρησιμοποιείται για να προσδιορίσει τι απλά θα επιπλέει στην κορυφή και πώς να το ξεφορτωθεί, όπως τα σκουπίδια σε ένα ποτάμι.
Μια διαδικασία διαχωρισμού υγρού-υγρού έχει σκοπό στις εγκαταστάσεις απορριμμάτων νερού που είναι παρόμοιος με το λάδι που επιπλέει στο νερό. Εάν τα υγρά δεν αναμειχθούν καλά θα σχηματίσουν φυσαλίδες και στρώματα. Αυτό μπορεί να αυξηθεί για εύκολη εξαγωγή με τη χρήση επιλεκτικής θέρμανσης. Η θέρμανση μιας δεξαμενής υγρών αποβλήτων για να βράσει με αποτέλεσμα όλα τα οργανικά συστατικά να ανέβουν στην επιφάνεια. Η χημική μηχανική χρησιμοποιεί θερμότητα και πρόσθετα για να δημιουργήσει έναν διακριτό διαχωρισμό μεταξύ νερού και αποβλήτων.