3. Основные закономерности химико-технологических процессов

В процессе химического производства исходные вещества (сырье) перерабатывают в целевой продукт. Для этого необходимо осуществить ряд операций, включающих подготовку сырья для перевода его в реакционно-способное состояние, собственно химическое взаимодействие компонентов сырья и заключительную обработку полученной реакционной смеси. При этом помимо основных химических процессов используют различные физические процессы: перемешивание, смешение, разделение, измельчение и др., проводимые в определенной последовательности. В общем случае ХТП состоит из трех взаимосвязанных элементарных процессов:

1. Подготовка сырья к химической переработке:

А'→ А

2. Химическое превращение подготовленного сырья в продукты реакции по двум схемам:

А→ R , А→ S ,

или А→ R → S

В реакционной смеси обычно происходит несколько последовательных реакций, приводящих к образованию целевого продукта и ряд побочных реакций, приводящих к образованию побочных продуктов. Обычно при анализе производственных процессов учитывают не все реакции, а те, которые имеют влияние на количество и качество основных продуктов.

3. Выделение целевого продукта из реакционной смеси и его очистка:

R→ R′

Таким образом, из трех стадий ХТП первая и третья представляют физические или физико-химические процессы, вторая – химический процесс. Общая скорость технологического процесса может лимитироваться скоростью одной из трех стадий. Если наиболее медленно идут химические реакции и они лимитируют общую скорость, то говорят, что процессы происходят в кинетической области. Если общая скорость лимитируется подготовкой сырья и подводом реагентов или отводом продуктов, то это значит, что процесс происходит в диффузионной области. Эффективность осуществления ХТП требует соблюдения некоторых условий. Поэтому для каждого ХТП разрабатывается технологический режим.

С позиции изучения теоретических основ химической технологии наибольшее значение имеет процесс химического превращения сырья в продукт производства.

1. Классификация химических реакций, лежащих в основе промышленных химико-технологических процессов

Химические реакции классифицируют по ряду общих признаков. В зависимости от того, какие признаки взяты за основу, существует несколько видов классификации химических реакций.

Для выбора конструкции химического реактора и способов управления проведением процесса существенное значение имеет фазовый состав реакционной системы. В зависимости от фазового состава реагентов и продуктов различают гомогенные и гетерогенные химические реакции.

В случае гомогенных реакций реагенты и продукты находятся в одной фазе (жидкой или газообразной). Например, окисление оксида азота NO кислородом воздуха в производстве азотной кислоты – газофазная реакция, а реакции этерификации (получение эфиров из органических кислот и спиртов) – жидкофазные.

При протекании гетерогенных реакций по меньшей мере один из реагентов или продуктов находится в фазовом состоянии, отличающемся от фазового состояния остальных участников реакции. Различают двухфазные системы газ – жидкость, газ – твердое вещество, жидкость – твердое вещество, жидкость – жидкость (две несмешивающиеся жидкости), твердое – твердое и различные варианты трехфазных реакционных систем. Гетерогенные процессы более распространены в промышленной практике, чем гомогенные. Гетерогенные реакции происходят, в частности, при горении твёрдых жидких топлив, растворении металлов и минералов в кислотах.

Другим важным видом классификации является классификация по механизму осуществления реакции. Различают простые (одностадийные) и сложные (многостадийные) реакции.

Простыми называют реакции, для осуществления которых требуется преодоление лишь одного энергетического барьера (одна стадия):

A → R

A + B → R

Сложные реакции включают в себя несколько параллельных и последовательных стадий (простых реакций):

A → R, A → S

A → R → S

Здесь примерами могут служить многие органические превращения; например, при нагревании метана до высоких температур (выше 1000°С), кроме углерода (сажи) и водорода образуются также и разные углеводороды, в частности ацетилен. При крекинге нефтепродуктов протекает множество параллельных и последовательных реакций.

На практике одностадийные реакции встречаются очень редко. Однако некоторые сложные реакции, проходящие через ряд промежуточных стадий, можно считать формально простыми. Это возможно в тех случаях, когда промежуточные продукты реакции в условиях рассматриваемой задачи не обнаруживаются.

В зависимости от того, применяют или не применяют для изменения скорости реакции специальные вещества – катализаторы, различают каталитические и некаталитические реакции и соответственно химико-технологические процессы. Подавляющее большинство химических реакций, на которых основаны промышленные химико-технологические процессы, – это каталитические реакции.

Химические реакции различают также по тепловому эффекту. При протекании экзотермических реакций, сопровождающихся выделением теплоты (Q > 0), происходит уменьшение энтальпии реакционной системы (ΔН < 0); при протекании эндотермических реакций, сопровождающихся поглощением теплоты (Q < 0), происходит увеличение энтальпии реакционной системы (ΔН > 0).

Химические реакции по обратимости подразделяют на обратимые и необратимые. Необратимые процессы протекают лишь в одном направлении. Обратимые реакции отличаются о необратимых тем, что продукты реакции способны вновь превращаться в исходные вещества.

С точки зрения кинетики химические реакции классифицируют по молекулярности реакций, либо по порядку реакций.

Классификация реакций по молекулярности учитывает, сколько молекул участвует в элементарном акте реакции; различают моно-, би- и тримолекулярные реакции.

В

(I)

ид кинетического уравнения (зависимости скорости реакции от концентраций реагентов) позволяет классифицировать реакции по порядку. Порядком реакции называется сумма показателей степеней у концентраций реагентов в кинетическом уравнении. Существуют реакции нулевого, первого, второго, третьего и дробного порядков. Например, для реакции

aA + bB → rR + sS

скорость реакции

и порядок реакции

N = a + b

При разработке химико-технологического процесса необходимо получить ответы на два вопроса:

1. Какое максимальное количество продукта можно получить из данного сырья?

2. Сколько времени потребуется для осуществления химического превращения, или, другими словами, как быстро протекает процесс, какова его скорость?

Ответ на первый вопрос даёт учение о химическом равновесии (статике процесса), ответ на второй вопрос – учение о скоростях химических реакций (химическая кинетика). Изучение равновесия и кинетики процесса имеет исключительное значение для химической технологии. Это позволяет выбрать наиболее выгодное сочетание параметров технологического режима. Для большинства процессов основными параметрами режима являются температура, давление, концентрация реагентов, применение катализатора.