2.4. Інтенсивність та швидкість процесів

Для аналізу та розрахунку процесів хімічної технології крім даних матеріального та енергетичного балансів треба знати продуктивність і інтенсивність процесів та апаратів. Під продуктивністю апарата розуміють вихід продукції за одиницю часу. Залежно від характеру апарата продуктивність його можна віднести до одиниці об'єму, робочої поверхні апарата, або поперечного перетину. Цю відносну величину називають зніманням. Вона характеризує інтенсивність апарата. Наприклад, інтенсивність мартенівських печей визначають зніманням сталі з 1 м² поду печі.

Інтенсивність процесу визначають відношенням виходу продукції до часу перебування сировини в апараті. Отже, інтенсивність процесу пропорційна швидкості реакції.

Всі основні процеси (гідродинамічні, теплові, масообмінні тощо) можуть відбуватись тільки внаслідок дії деякої рушійної сили, яка для гідромеханічних процесів визначається різницею тисків, для теплообмінних – різницею температур, для масообмінних – різницею концентрацій речовини і т. д.

Можна вважати, що результат процесу, який характеризується, наприклад, масою М перенесеної речовини або кількістю переданої теплоти, пропорційної рушійній силі А, часу  і деякій величині , до якої відносять інтенсивність процесу. Такою величиною може бути робоча поверхня, через яку відбувається передача енергії або маси, робочий об'єм, в якому здійснюється процес і т.д. Тому рівняння будь-якого процесу можна записати у загальному вигляді так:

М = КА.

Коефіцієнт пропорційності К у рівнянні характеризує швидкість процесу, а отже, є кінетичним коефіцієнтом, або коефіцієнтом швидкості процесу (коефіцієнт теплопередачі, коефіцієнт масопередачі і т.д.). Коефіцієнт К відображує вплив всіх чинників, не врахованих величинами, що входять до правої частини рівняння, а також всі відхилення реального процесу від цієї спрощеної залежності.

З рівняння знаходять необхідну робочу поверхню або робочий об'єм апарата за відомими значеннями інших величин, які входять у рівняння, або визначають результат процесу при заданій поверхні (об'ємі).

Від інтенсивності процесу треба відрізняти об'ємну інтенсивність апарата -інтенсивність, віднесену до одиниці його загального об'єму. Зі збільшенням об'ємної інтенсивності зменшуються розміри апарата та знижуються витрати матеріалу на його виготовлення.

Максимально можливу за проектними розрахунками продуктивність апаратури (або обладнання) називають потужністю.

Хіміко-технологічний процес, як правило, складається з таких взаємопов'язаних елементарних процесів або стадій: подача реагуючих компонентів у зону реакції; перебіг хімічних реакцій; виведення із зони реакції добутих продуктів і відходів.

Найважливішим показником ефективності хіміко-технологічного процесу (тобто високого виходу продукції) є його швидкість, яка визначає продуктивність, розміри і кількість апаратури, що має величезне практичне значення для організації кожного виробництва.

Швидкість технологічного процесу є результуючою величиною швидкостей прямої, зворотної і побічних реакцій, а також дифузії, завдяки якій здійснюється перенесення реагуючих компонентів у зону та із зони реакції. Тому для визначення швидкості процесу у цілому треба визначати швидкість кожної стадії технологічного процесу.

В реагуючій системі відбувається кілька послідовних (іноді паралельних) хімічних реакцій, внаслідок яких утворюється основний продукт, а також побічні реакції як між основними вихідними речовинами, так і між основними речовинами і домішками, що завжди бувають у речовині. Внаслідок цього крім основного утворюються побічні продукти, між якими можуть бути цінні для народного господарства матеріали або відходи. При аналізі виробничих процесів звичайно враховують тільки ті реакції, які приводять до утворення основних продуктів і мають визначальний вплив на його кількість і якість.

Із зони реакції добуті продукти видаляються завдяки дифузії, конвекції та переходу речовини з однієї фази в іншу.

Отже, інтенсивність процесу, пов'язана із загальною швидкістю його перебігу, є її функцією і обмежується швидкістю однієї з трьох складових стадій, що проходить повільніше від решти.

Якщо хімічні реакції відбуваються повільно, то говорять, що процес відбувається у кінетичній області. У цьому випадку впливають на ті чинники, що зумовлюють швидкість хімічної реакції: збільшують концентрацію вихідних речовин, підвищують тиск, температуру, застосовують каталізатори тощо.

Якщо загальна швидкість процесу обмежується надходженням компонентів у зону реакції або відведенням продуктів, тобто процес відбувається у дифузійній області, то збільшують швидкість дифузії: перемішують, підвищують температуру і збільшують концентрації реагуючих речовин, переводять систему з багатофазної в однофазну та ін.

Якщо швидкості усіх стадій технологічного процесу порівняно близькі, то впливають на ті чинники, завдяки яким прискорюються дифузія і швидкість основної реакції, чим створюються оптимальні умови для найбільшого виходу продукції.

Знання основних законів і закономірностей хімічної технології дає змогу найефективніше здійснити технологічний процес, тобто з великою інтенсивністю і з найбільшим виходом продукту високої якості.

Вибір оптимальних умов проведення процесу пов'язаний з вибором критерію оптимізації, який може залежати від оптимальних значень багатьох параметрів (температури, тиску, ступеня вилуговування та ін.). Між параметрами, звичайно, є складний взаємозв'язок, що набагато утруднює вибір єдиного критерію, який би всебічно характеризував ефективність процесу. Тому завдання зводиться до пошуків екстремального значення (мінімуму або максимуму) цільової функції, що відображує залежність вибраного критерію оптимізації від чинників, які на нього впливають.