Основні закономірності перебігу хіміко-технологічних процесів

Технологічний процес є сукупністю фізичних, хімічних та інших процесів. Якщо механічні та фізичні процеси пов’язані зі зміною форми, розмірів, агрегатного стану та кристалічної структури речовин, то під час хімічних процесів відбувається зміна складу, будови та властивостей речовин.

Класифікація основних процесів хімічної технології може бути проведена на основі різних ознак. За способом організації основні процеси хімічної технології поділяють на періодичні, неперервні та комбіновані.

Періодичні процеси характеризуються єдністю місця перебігу всіх стадій процесу, тобто операції із завантаження сировини, проведення процесу і вивантаження готового продукту здійснюють в одному апараті, але в різний час.

Для неперервних процесів характерна єдність часу проведення всіх стадій процесу, тобто всі перераховані вище операції здійснюються одночасно, проте в різних апаратах або в різних секціях одного апарата.

До комбінованих процесів відносять неперервні процеси, окремі стадії яких проводять періодично, або навпаки — періодичні процеси, одна або кілька стадій в яких є неперервними.

За агрегатним (фазовим) станом усі системи речовин, які взаємодіють, і відповідні їм технологічні процеси поділяють на гомогенні (однорідні) та гетерогенні (неоднорідні). Під системою будемо розуміти сукупність речовин, що перебуває у будь-якій взаємодії, а під фазою — сукупність однорідних частин системи, однакових за складом, хімічними і фізичними властивостями і обмежених від інших частин поверхнею поділу.

Гомогенними називають такі системи, в яких усі реагуючі речовини перебувають у якій-небудь одній фазі: газовій (Г) або рідини (Р).

Гетерогенні системи включають дві або більшу кількість фаз. Наприклад, двофазні системи: газ — рідина (Г — Р), газ — тверде тіло (Г — Т), дві рідини, що не змішуються (Р1 — Р2), рідина — тверде тіло (Р — Т) та тверде тіло — тверде тіло (Т1 — Т2). Прикладом багатофазних систем можуть бути (Г — Р — Т), (Р — Т1 — Т2), (Г — Р — Т1 — Т2). Оскільки гетерогенні процеси відбуваються значно повільніше, ніж гомогенні, та складніші в управлінні, то одним із методів інтенсифікації промислового виробництва є приведення гетерогенного процесу до гомогенного. Для цього тверді реагуючі речовини по можливості переводять у рідкий стан плавленням або розчиненням, для пароподібних речовин проводять конденсування, а газоподібні переводять у рідкий стан або розчиняють у рідинах. Інколи така заміна дає змогу спростити апаратурне оформлення окремих стадій технологічного процесу, знизити трудові затрати, зменшити собівартість продукції.

За тепловим ефектом хімічні процеси поділяють на екзотермічні та ендотермічні.

Екзотермічними називаються процеси, внаслідок перебігу яких тепло виділяється, а ендотермічними — процеси, що відбуваються з поглинанням тепла.

Сукупність основних факторів (параметрів), що впливають на швидкість процесу, вихід і якість продукту, називають технологічним режимом. Для більшості хіміко-технологічних процесів основними параметрами режиму є температура, тиск, застосування каталізаторів та їх активність, концентрація речовин, що взаємодіють. Тому за визнаною технологічною класифікацією, заснованою на параметрах виробництва, всі хімічні процеси поділяють на високотемпературні, низькотемпературні, некаталітичні, каталітичні, процеси, що відбуваються при низькому та підвищеному тиску, електрохімічні, біохімічні, радіаційно-хімічні, плазмохімічні, фотохімічні.

Параметри технологічного режиму визначають принципи конструювання відповідних реакторів. Оптимальному значенню параметрів технологічного режиму відповідає максимальна продуктивність апаратів та продуктивність праці персоналу, що обслуговує процес. Проте слід зазначити, що всі параметри технологічного режиму є взаємозв’язаними та обумовлюють один одного: значна зміна одного з параметрів викликає різку зміну оптимальних значень інших параметрів режиму. Тому чітка класифікація технологічних процесів за всіма значеннями параметрів режиму є недоцільною, слід обирати параметри, що мають вирішальне значення.

Сумарний хіміко-технологічний процес можна поділити на кілька взаємозв’язаних елементарних стадій:

1. підведення реагуючих компонентів у зону реакції;

2. хімічна реакція;

3. відведення отриманих продуктів із зони реакції.

1. Підведення реагуючих компонентів у зону реакції здійснюється за допомогою масообмінних (дифузних) процесів. У багатофазних системах підведення реагуючих речовин може здійснюватися абсорбцією, адсорбцією або десорбцією парів та газів, плавленням твердих речовин або розчиненням їх у рідині, випаровуванням або сублімацією. Ця стадія переходу компонентів з однієї фази в іншу часто є найповільнішим етапом хіміко-технологічного процесу і визначає його загальну швидкість.

2. Хімічні реакції є основою технологічного процесу. Хімічні перетворення відбуваються через кілька послідовних (можливо і паралельних) хімічних реакцій, у результаті яких утворюється основний та побічний продукти. Як правило, під час розгляду виробничих процесів враховують не всі реакції, а лише ті з них, що мають визначальний вплив на якість та кількість отримуваних основних продуктів.

3. Відведення отриманих продуктів із зони реакції здійснюється за допомогою тих само процесів, що і підведення в зону реакції.

Сумарна швидкість процесу визначається швидкістю його елементарних стадій. Загальна швидкість процесу визначається швидкістю найбільш повільної стадії. Якщо найбільш повільною стадією є хімічна реакція, то процес відбувається в кінетичній області. Для прискорення таких процесів технологи змінюють параметри його проходження, зокрема тиск, температуру, концентрації реагуючих компонентів. Якщо найбільш повільною ста­дією є підведення реагуючих речовин або відведення продуктів реакції, то процес відбувається в дифузійній області. Для прискорення таких процесів збільшують швидкість дифузії посиленням перемішування, гомогенізацією системи, тобто переведенням багатофазної системи в однофазну і т. п. Якщо швидкості всіх стадій технологічного процесу приблизно однакові, то процес відбувається в перехідній області, тому для прискорення швидкості необхідно діяти факторами, які збільшуватимуть як дифузію, так і швидкість хімічної реакції.