为改善不利的热力学和动力学因素、减少设备和操作费用，节约资源和能源，分离过程与反应过程多种形式的耦合已经开发和应用。
化学吸收是反应和分离设备分离过程耦合的单元操作，当被溶解的组分与吸收剂中的活性组分发生反应时，增加了传质推动力和液相传质系效，因而提高了过程的吸收率，降低了设备的投资和能耗。
中化学萃取是伴有化学反应的萃取过程。溶质与萃取剂之间的反应类型很多，例如络合反应、水解、聚合、离解及离子积聚等。萃取机理也多种多样，例如中性溶剂络合、整合、溶剂、离子交换、离子缔合、协同效应等。
反应和精馏结合成一个过程形成了蒸馏技术中的一个特殊领域——反应（催化）精馏。它一方面成为提高分离设备的分离效率而将反应和精馏相结合的一种分离操作；另一方面则成为提高反应收率而借助于精馏分离手段的一种反应过程。目前，隔膜压滤机已从单纯工艺开发向过程普遍性规律研究的方向发展。反应精值在过程工业的应用是很广泛的，例如酯化、酯交换、皂化、胺化、水解、异构化、烃化、卤化、脱水、乙酰化和硝化等过程。催化精馏的典型应用是甲基叔丁基醚的生产。
膜反应器是将合成膜的优良分离性能与催化反应相结合，在反应的同时，选择性地脱除产物，以移动化学反应平衡，或控制反应物的加入速度，提高反应的收率、转化率和选择性。如隔膜压滤机多孔陶瓷膜催化反应器进行丁烯脱氢制丁二烯，丙烯脱氢制丙二烯；对氧化反应，用膜控制氧的加入量，减少深度氧。膜反应器还用于控制生化反应中产物对反应的抑制作用，用膜循环发酵器进行乙醇等发酵制品的连续生产和用膜反应器进行辅酶反应等都具有很好的开发前景。