2. Поняття про хіміко-технологічні процеси, їх апаратурне оформлення та параметри роботи
Спільною рисою хімічних виробництв є велика кількості функціонально відмінних ступенів переробки (процесів) для перетворення вихідної сировини на кінцевий продукт. Взаємопов'язані ступінчаті перетворення утворюють складні хіміко-технологічні системи (ХТС), в основі яких лежать хіміко-технологічні процеси.
Хіміко-технологічні системи — сукупність фізико-хімічних процесів і засобів для їх проведення з метою отримання продуктів заданої якості і в потрібній кількості.
Хоч виробничі процеси в різних галузях хімічної промисловості і характеризуються великою складністю і багатоетапністю, визначальну роль у них відіграють хіміко-технологічні процеси (ХТП).
Хіміко-технологічний процес — сукупність взаємопов'язаних фізичних та хімічних операцій, реалізація яких у певній послідовності дозволяє із вихідної сировини чи напівпродуктів отримати цільовий продукт.
Крім підготовки сировинних компонентів та виділення і очищення цільових продуктів, ХТП, як правило, включають три стадії: 1) подачу реагуючих компонентів у зону реакції; 2) хімічні реакції; 3) відведення із зони реакції отриманих продуктів. Стадія подачі компонентів повинна забезпечити їх надходження у необхідних співвідношеннях та максимально можливу гомогенізацію їх суміші. У багатофазних системах на цій стадії важливу роль відіграють процеси адсорбції— десорбції, возгонки-конденсації, плавлення та розчинення твердих речовин. Всі вони протікають під очевидним дифузійним контролем за важливої ролі змішування компонентів.
Хімічні реакції є серцевиною ХТП. Як правило, в системі протікає кілька послідовних чи паралельних реакцій з утворенням цільового та побічних продуктів. Останні можуть утворюватися як при основній реакції поруч із цільовим продуктом, так і внаслідок побічних реакцій між основними вихідними речовинами і домішками. При аналізі виробничих процесів враховують, як правило, лише ті реакції, які мають визначальний вплив на вихід та якість цільових продуктів.
Сумарна швидкість ХТП лімітується найповільнішою їх стадією. Якщо найповільнішою є подача компонентів чи відведення продуктів, то процес протікає у дифузійній області, а якщо хімічна взаємодія — то в кінетичній. Для прискорення процесів з дифузійним контролем застосовують їх інтенсифікацію перемішуванням, дисперуванням фаз, гомогенізацією сумішей, підвищенням температури або концентрації.
Для інтенсифікацій процесів, швидкість яких лімітується у кінетичній області, регулюються ті параметри, які найсильніше впливають на швидкість хімічної реакції: збільшують температуру, концентрацію, тиск або застосовують каталізатори.
Знання основних закономірностей ХТП та найважливіших параметрів регулювання їх швидкостей дає можливість встановити оптимальний технологічний режим найефективнішого проведення процесу з максимальним виходом продукту високої якості.
Технологічний режим — це сукупність основних факторів (параметрів), що впливають на швидкість хіміко-технологічних процесів, вихід та якість продукту.
Для більшості ХТП основними параметрами є: температура Т, тиск р, каталізатор і його активність, концентрації взаємодіючих речовин і їх дисперсність, спосіб і параметри змішування компонентів, рівень кислотності (рН) та окисно-відновного потенціалу (Еh)середовища реакції. Оптимізація технологічних параметрів забезпечує максимальну продуктивність праці і найкращі економічні показники.
Характер і значення параметрів технологічного режиму покладено в основу класифікації ХТП.
Найпростішою є класифікація ХТП за наступними критеріями: 1) видом вихідної сировини; 2) типом основної хімічної реакції; З) способом організації процесу; 4) кратністю обробки сировини.
За видом вихідної сировини ХТП поділяють на процеси по переробці мінеральної, рослинної і тваринної сировини.
За типом основної хімічної реакції ХТП поділяють на процеси, грунтовані на:
простих і складних реакціях;
оборотних і необоротних реакціях;
гомогенних і гетерогенних реакціях;
каталітичних реакціях;
екзотермічних і ендотермічних реакціях;
електрохімічних реакціях;
фотохімічних реакціях;
радіаційно-хімічних реакціях.
Прості реакції є одностадійними, а складні — багатостадійними.
Необоротні та оборотні реакції протікають в одному чи зустрічних напрямках відповідно.
Гомогенні і гетерогенні реакції протікають між речовинами, що знаходяться в одній чи різних фазах відповідно.
Каталітичні реакції протікають за участю каталізаторів.
Екзотермічні та ендотермічні реакції протікають з виділенням та поглинанням тепла відповідно.
Електрохімічні та фотохімічні реакції протікають під дією електроструму та оптичних випромінювань відповідно.
Радіаційно-хімічні реакції протікають під дією іонізуючих випромінювань.
За способом організації процесу ХТП можуть бути періодичними, безперервними і комбінованими (рис. 1).
У періодичних процесах (рис. 1а) сировину вводять в реактор окремими порціями, а після завершення циклу також дискретно виводять цільовий продукт.
Рис. 1. Схеми періодичних (а), безперервних (б) та комбінованих (в—д) ХТП, що відрізняються способом організації процесу
У безперервних процесах (рис. 16) сировину вводять в реактор постійним потоком. Після її перетворення в реакторі у цільовий продукт, останній також безперервно виводять з реактора.
Комбіновані процеси можуть характеризуватися різними комбінаціями безперервності та дискретності введення сировини і виведення продукту: періодичним введенням сировини та безперервним виведенням продукту (рис. 1в); безперервним введенням сировини та періодичним виведення продукту (рис. 1г); періодичним введенням одного компонента, безперервним — другого при безперервному виведенні продукту (рис. 1д) і т. п.
За кратністю обробки сировини ХТП розділяють на процеси з розімкнутою (відкритою), замкнутою (закритою) і комбінованою схемами (рис. 2).
Рис. 2. Схеми відкритих (а), закритих (б) і комбінованих (в) ХТП, що відрізняються кратністю обробки сировини
В процесах з відкритою схемою сировина за один цикл перебування в реакторі перетворюється на цільовий продукт (рис. 2а). В процесах із закритою схемою через недостатній ступінь перетворення на цільовий продукт для досягнення прийнятної повноти реакції необхідне багаторазове повернення відокремленої від продукту сировини, що не прореагувала, на вхід реактора (рис. 2б) в комбінованих процесах основна сировина може перетворитися на цільовий продукт за один цикл, а допоміжні матеріали використовуються багатократно (рис. 2в).
Крім різноманітних хімічних процесів, у хімічних виробництвах, особливо у підготовці вихідних компонентів і сировини, та у виділенні і очищенні цільового продукту, застосовують багато чисто фізичних та фізико-хімічних процесів. Найуживанішими серед них є:
фізико-механічні (подрібнення і диспергування — сухе та мокре);
теплові ( нагрівання, охолодження, теплообмін шляхом теплопровідності, конвекції та теплового випромінювання);
масообмінні (абсорбція і адсорбція — десорбція, перегонка і ректифікація, кристалізація, сушка).