4. Основные физико-химические закономерности химической технологии

В химической технологии рассматривается совокупность физических и химических явлений, из комплекса которых и складывается технологический процесс. Химическая техноэкология рассматривает техническую сторону производства, решающим при этом является вопрос об оптимальных условиях протекания химических реакций.

Взаимная связь закономерностей химико-технологического процесса очень сложная и выражается в виде системы уравнений. Поскольку совместное решение этих уравнений практически невозможно, приходится рассматривать отдельные стороны процесса и их взаимное влияние. Любой химико-технологический процесс, как правило, складывается из следующих взаимосвязанных элементарных процессов (стадий):

1. подвод реагирующих компонентов в зону реакции;

2. химическая реакция;

3. отвод из зоны реакции полученных продуктов.

Подвод реагирующих компонентов в зону реакции осуществляется с помощью молекулярной диффузии или конвекции. При сильном перемешивании реагирующих веществ конвективный перенос называют также турбулентной диффузией. В двух или трехфазных системах подвод реагирующих веществ (компонентов) может совершаться абсорбцией или десорбцией газов, конденсацией паров, испарением жидкостей или возгонкой твердых веществ. Межфазный переход - это сложный диффузионный процесс.

Химическая реакция - это второй этап химико-технологического процесса. В реагирующей системе обычно происходит несколько последовательных (или параллельных) химических реакций, приводящих к образованию основного продукта, а также ряд побочных реакций между основными исходными веществами и примесями, наличие которых в исходном сырье неизбежно. В результате кроме основного образуются побочные продукты и отходы производства. Обычно при анализе производственных процессов учитываются не все реакции, а лишь те из них, которые имеют определяющее влияние на количество и качество получаемых целевых продуктов.

Отвод продуктов из зоны реакции может совершаться так же, как и подвод реагирующих компонентов: диффузией, конвекцией и переходом вещества из одной фазы в другую.

Общую скорость технологического процесса может лимитировать скорость одного из трех составляющих элементарных процессов, который протекает медленнее других.

Если наиболее медленно идут химические реакции и они лимитируют общую скорость, то процесс происходит в кинетической области. В этом случае технологи стремятся усилить те факторы, которые влияют особенно на скорость реакции, т. е. концентрация исходных веществ, температура, применение катализаторов и пр.

Если общую скорость процесса лимитирует 1-я или 3-я стадия, то это значит, что процесс происходит в диффузионной области. Скорость диффузии стремятся увеличить прежде всего перемешиванием (турбулизацией реагирующей системы), повышением температуры и концентраций, переводом системы из многофазной в однофазную.

Если скорости всех стадий, составляющих технологический процесс, соизмеримы (почти одинаковы), то процесс происходит в переходной области и поэтому необходимо воздействовать прежде всего такими факторами, которые ускоряют как диффузию, так и реакции, т. е. повышать концентрацию исходных веществ и температуру.

Знание основных закономерностей химической технологии позволяет успешно решать основные задачи, возникающие при осуществлении любого процесса:

1. обеспечить максимальный выход продукта;

2. увеличить производительность аппаратуры и интенсифицировать процесс, т. е. обеспечить условия, чтобы процесс протекал с максимальной скоростью.