3.1. Система процесів у хімічному реакторі

Хімічний процес (ХП) – це взаємодія хімічного перетворення та фізичних процесів перенесення теплоти і маси речовини на молекулярному рівні. Це основний елементарний процес у реакторі. Сукупність елементарних процесів, які включають і хімічну реакцію, становить хіміко-технологічний процес (ХТП).

ХТП складається з таких основних стадій:

• підведення реагуючих речовин у зону реакції;

• хімічні реакції;

• відведення з зони реакції отриманих продуктів.

Підведення реагуючих компонентів у зону реакції здійснюється молекулярною дифузією або конвекцією. При інтенсивному перемішуванні реагуючих речовин конвективне перенесення називають також турбулентною дифузією. У двох- або багатофазних системах підведення реагуючих компонентів може здійснюватися:

• абсорбцією або десорбцією газів;

• конденсацією пари;

• плавленням твердих речовин або розчиненням їх у рідині;

• випаровуванням рідин або сублімацією твердих речовин. Міжфазний перехід – це складний дифузний процес.

Хімічні реакції – це друга стадія ХТП. У реагуючій системі відбувається, як правило, декілька послідовних (а іноді і паралельних) хімічних реакцій, внаслідок яких утворюється основний продукт, а також побічні продукти (якщо їх можна використати у народному господарстві) або відходи. Побічні продукти і відходи можуть утворюватися як при основній реакції, так і внаслідок побічних реакцій між основною вихідною сировиною і домішками. При аналізі виробничих процесів враховуються не всі реакції, а тільки ті, які мають основний вплив на кількість і якість цільових продуктів.

Відведення з зони реакції отриманих продуктів може здійснюватися, так само, як і підведення реагуючих компонентів (дифузією, конвекцією, переходом речовин з однієї фази (газоподібної, твердої, рідкої) в іншу.

3.2. Класифікація хтп

Хімічні реакції класифікуються за такими ознаками:

• за складністю:

• прості;

• складно-паралельні;

• складно-послідовні;

• за механізмом взаємодії реагентів:

• окисно-відновлювальні (гомолітичні);

• кислотно-основні (гетеролітичні);

• за оборотністю:

• оборотні;

• необоротні.

У класифікації технологічних процесів велике значення має необхідний для їх оптимізації технологічний режим.

Технологічним режимом називають сукупність основних чинників (параметрів), які впливають на швидкість процесу, вихід і якість продуктів.

Для більшості ХТП основними параметрами режиму є: температура, тиск, застосування каталізатора і його активність, концентрації взаємодіючих речовин, способів і ступінь перемішування реагентів.

Параметри технологічного режиму визначають принципи конструювання відповідних реакторів. На конструкцію реакторів і швидкість процесів дуже впливають спосіб і ступінь перемішування регентів. У свою чергу, спосіб і інтенсивність перемішування реагуючих мас залежать від агрегатного стану останніх. Саме агрегатний стан визначає способи їх технологічної переробки і принципи конструювання апаратів. За цією ознакою технологічні процеси поділяють на однорідні або гомогенні, і неоднорідні або гетерогенні.

Гомогенними називають процеси, в яких відсутня поверхня розділу фаз, тобто усі реагуючі речовини знаходяться в одній з фаз: газовій (Г) або рідкій (Р). У гомогенних системах взаємодіючих речовин реакції проходять швидше, ніж у гетерогенних, механізм всього технологічного процесу постійний і відповідно управління таким процесом легше. Тому технологи на практиці прагнуть до гомогенних процесів, переводячи тверді реагуючі речовини або хоча б одну з них у рідкий стан шляхом плавлення або розчинення; з цією ж метою проводять абсорбцію газів або їх конденсацію.

Гетерогенні системи включають дві або більше число фаз. Існують такі двохфазні системи: газ – рідина, газ – тверде тіло; рідина – рідина (які не змішуються); рідина – тверде тіло і тверде тіло – тверде тіло. У виробничій практиці найчастіше трапляються системи Г–Р, Г–Т, Р – Т. Нерідко технологічні процеси відбуваються у багатофазних гетерогенних системах, наприклад Г–Р – Т, Г–Т – Т, Р – Т – Т, Г–Р – Т – Т і т. ін. Гетерогенні процеси більш поширені у промисловій практиці, ніж гомогенні. Прикладами гетерогенних процесів є окиснення, розчинення металів і мінералів у кислотах і лугах.

Хімічні процеси поділяють на каталітичні і некаталітичні. Більшість хімічних реакцій, на основі-яких побудовані промислові ХТП – це каталітичні реакції.

За тепловим ефектом хімічні реакції поділяють на екзотермічні – які супроводжуються виділенням теплоти (Q > 0), при цьому ентальпія реакційної системи зменшується (Н < 0), і на ендотермічні – які супроводжуються поглинанням теплоти (Q < 0), при цьому ентальпія реакційної системи збільшується (Н > 0).