單元操作
構成多種化工產品生產的物理過程都可歸納為有限的幾種基本過程，如流體輸送、換熱（加熱和冷卻）、蒸餾、吸收、蒸發、萃取、結晶、乾燥等。這些基本過程稱為單元操作。對單元操作的研究，得到具有共性的結果，可以用來指導各類產品的生產和化工設備的設計。
化學反應工程
化學反應是化工生產的核心部分，它決定著產品的收率，對生產成本有著重要影響。儘管如此，在早期因其複雜性而阻礙了對它的系統研究。直到20世紀中葉，在單元操作和傳遞過程研究成果的基礎上，在各種反應過程中，如氧化、還原、硝化、磺化等發現了若干具有共性的問題，如反應器內的返混、反應相內傳質和傳熱、反應相外傳質和傳熱、反應器的穩定性等。對於這些問題的研究，以及它們對反應動力學的各種效應的研究，構成了一個新的學科分支即化學反應工程，從而使化學工程的內容和方法得到了充實和發展。
傳遞過程
是單元操作和反應工程的共同基礎。在各種單元操作設備和反應裝置中進行的物理過程不外乎三種傳遞：動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞。例如，以動量傳遞為基礎的流體輸送、反應器中的氣流分布；以熱量傳遞為基礎的換熱操作，聚合釜中聚合熱的移出；以質量傳遞為基礎的吸收操作，反應物和產物在催化劑內部的擴散等。有些過程有兩種或兩種以上的傳遞現象同時存在，如氣體增減濕等。作為化學工程的學科分支，傳遞過程著重研究上述三種傳遞的速率及相互關係，連貫起一些本質類同但表現形式各異的現象。
化工熱力學
也是單元操作和反應工程的理論基礎，研究傳遞過程的方向和極限，提供過程分析和設計所需的有關基礎數據。因此，化學工程的學科分支也可以分兩個層次：單元操作和反應工程較多地直接面向工業實際，傳遞過程和化工熱力學較多地從基礎研究角度，支持前兩個分支。通過這兩個層次使理論和實際得以密切結合。
化工系統工程
由於化工過程中，各個過程單元相互影響，相互制約，因此很有必要將化工過程看作一個綜合系統，並建立起整體最佳化的概念。於是系統工程這一學科在化學工程中得到了迅速的發展，也取得了明顯的效果，形成了化工系統工程。它是系統工程方法與單元操作和化學反應工程這兩個學科分支相結合的產物。
過程動態特性：為了保持操作的合理和最佳化，過程動態特性也是化學工程的重要內容。化學工程的研究對象通常是非常複雜的，主要表現在：
過程本身的複雜性：既有化學的，又有物理的，並且兩者時常同時發生，相互影響。
物系的複雜性：既有流體（氣體和液體），又有固體，時常多相共存。流體性質可有大幅度變化，如低粘度和高粘度、牛頓型和非牛頓型等。有時，在過程進行中有物性顯著改變，如聚合過程中反應物系從低粘度向高粘度的轉變。
物系流動時邊界的複雜性：由於設備（如塔板、攪拌槳、檔板等）的幾何形狀是多變的，填充物（如催化劑、填料等）的外形也是多變的，使流動邊界複雜且難以確定和描述。
化工過程控制：又稱過程控制，是化工生產過程自動控制的簡稱。化工過程控制主要是研討控制理論在化工生產過程中的套用，包括各種自動化系統的分析、設計和現場的實施、運行，而不包括純理論的研究和儀表的設計、製造。化工過程控制與一般化工方法最大的區別是動態和反饋。
經典控制理論是以線性常係數微分方程描述系統為出發點而發展起來的。經典控制理論僅限於處理單變數的控制系統。
現代控制理論，採用能表征微分方程組的矩陣方程式描述系統，並用函式的形式表達各種新的控制指標，因而可以通過嚴格的運算進行系統的分析和設計。若使系統設計得滿足一個控制指標的極值（極大或極小）時，就得到所謂的最優控制。由於現代控制理論克服和補充了經典控制理論中的很多缺陷，並能用於多變數系統，故在化工過程控制中得到了很好的套用。
控制套用：在工藝成熟的生產過程中，化工過程控制是提高產量和質量、節約原料和能源、改善勞動強度和節省勞力等方面有力的手段。近年來，運用數學模型方法，探討和推廣現代控制理論在化工過程控制中的套用，不少項目開展了計算機控制和調度管理的研究，有些已經取得了成功，使生產的技術水平和經濟效益都有較大的提高。
