Классификация процессов химической технологии

Химическая технология имеет дело с крайне широким разнообразием аппаратов. Среди них, разумеется, реакторы, в которых происходят химические превращения и получаются целевые продукты. Однако перечень химико-технологической аппаратуры далеко не исчерпывается химическими реакторами по ряду причин:

1. Реагенты надо подготовить к проведению процесса в реакторе: подать их туда при определенных давлении и температуре, в определенном (часто – отличающемся от исходного) агрегатном состоянии, с заданным соотношением компонентов и т.д.

2. В ходе химической реакции из–за нестрогой селективности (наряду с основными протекают и побочные реакции) и неполноты превращения почти всегда получаются смеси различных продуктов реакции и исходных реагентов, так что целевые продукты надо отделить от побочных (с целью их особого использования) и непрореагировавших компонентов (чтобы вернуть их в реактор).

3. Химическая технология использует ряд операций, вообще не включающих собственно химические превращения.

4. Самим химическим превращениям сопутствуют физические (физико–химические) явления, прямо не относящиеся к химической реакции, но оказывающие существенное (иногда – определяющее) влияние на результат химико-технологического процесса.

Таким образом, наряду с химическими превращениями химическая технология использует многочисленные явления и процессы нехимического характера, требующие определенных способов организации и осуществляемые в соответствующих аппаратах и процессуально–технологических схемах. Протекание таких процессов (собственно химических – тоже, конечно) в той или иной мере связано с переносом какой–либо субстанции – количества движения (импульса)¹, теплоты², вещества (массы)³, иногда нескольких субстанций одновременно. Этот перенос характеризуется (вызывается или сопровождается) изменением технологической ситуации (параметров процесса), в общем случае – во времени в рассматриваемой точке аппарата, а в самом аппарате – от одной точки к другой, в более простых случаях – только во времени или только от точки к точке.

Все эти явления переноса могут быть использованы направленно – для осуществления процесса (скажем, теплоты – для нагрева объекта), а могут и сопровождать какой–либо, в том числе химический, процесс (скажем, отвод теплоты реакции или вывод одного из продуктов реакции).

Классификация процессов

Перейдем собственно к классификации процессов химической технологии.

Несмотря на огромное многообразие процессов химической технологии, все они, в зависимости от законов, определяющих скорость их протекания, могут быть объединены в следующие группы:

1. Гидромеханические процессы, скорость которых определяется законами гидромеханики. К этим процессам относятся транспортирование жидкостей и газов, получение и разделение жидких и газовых неоднородных систем и др.

2. Тепловые процессы, скорость которых определяется законами переноса теплоты. К этим процессам относятся нагревание и охлаждение жидкостей и газов, конденсация паров, кипение жидкостей. Обычно на скорость тепловых процессов большое влияние оказывают гидродинамические условия в теплообменных аппаратах.

3. Массообменные процессы, скорость которых определяется законами переноса массы из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз. К этим процессам относятся, например, абсорбция, адсорбция, чкстракция, перегонка жидкостей, сушка. Обычно на скорость переноса массы существенно влияют гидродинамические условия в массообменных аппаратах, а также скорость подвода к взаимодействующим фазам (или отвода от них) теплоты.

4. Химические процессы, скорость которых определяется законами химической кинетики. Часто скорости химических процессов существенно зависит от скорости переноса массы и теплоты в системе, а следовательно, и от гидродинамических условий в химическом аппарате (реакторе).

5. Механические процессы, которые описываются законами механики твердых тел. К ним относятся измельчение, сортировка (классификация) и смешение твердых материалов.

Перечисленные процессы составляют основу большинства химических производств и поэтому называются основными (или типовыми) процессами химической технологии.

Общим для первых четырех групп процессов является то, что их протекание связано с переносом субстанций-количества движения (импульса), энергии или массы.

Последние два процесса в программу курса «ПАХТ» не входят. Механические процессы будут рассматриваться в курсе МАХП (если будет), Химические процессы, изучают обычно в курсе «Общая химическая технология».

В зависимости от того, изменяются или не изменяются во времени параметры процессов (скорости движения потока, температуры, давления и т. д.), их подразделяют на стационарные (установившиеся) и нестационарные (неустановившиеся). Если обозначить совокупность параметров, влияющих на процесс, U, то при стационарном процессе , т. е. эти параметры могут изменяться в пространству, но не изменяются во времени τ. При нестационарном процессе , т. е. параметры, влияющие на процесс, изменяются не только в пространстве, но и во времени. Нестационарное состояние процесса возникает, например, в период пуска и изменения режима работы установок непрерывного действия. В ряде случаев проведение процессов в нестационарном режиме оказывается более эффективным, чем в стационарном.