Химико-технологический процесс

Химико-технологический процесс состоит из совокупности физических и химических явлений. Он складывается, как правило, из следующих взаимосвязанных элементарных стадий: 1) подвода реагирующих компонентов в зону реакции; 2) химических реак­ций; 3) отвода из зоны реакции полученных продуктов.

Подвод реагирующих компонентов в зону реакции совершается молекулярной диффузией или конвекцией. При сильном перемешивании реагирующих веществ конвективный пе­ренос называют также турбулентной диффузией. В двух- или мно­гофазных системах подвод реагирующих компонентов может со­вершаться абсорбцией или десорбцией газов, конденсацией паров, плавлением твердых веществ или растворением их в жидкости, испарениемжидкостей или возгонкой твердых веществ. Межфазный переход — это сложный диффузионный процесс.

Химические реакции— это второй этап химико-технологического процесса. В реагирующей системе обычно происходит несколько последовательных (а иногда и параллельных) химическихреакций, приводящих к образованию основного продукта, а такжеряд побочных реакций между основными исходными веще­ствами и примесями, наличие которых в исходном сырье неизбежно. В результате кроме основного образуются побочные продукты (материалы, имеющие народнохозяйственное значение) или же отходы и отбросы производства, т. е. продукты реакций, не имеющиезначительной ценности и не находящие достаточного приме­нения. Побочные продукты и отходы производства могут образоваться при основной реакции наряду с целевым продуктом, а также вследствие побочных реакций между основными исходными веществами и примесями. 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 из зоны реакции полученных продуктов может совершаться так же, как и подвод реагирующих компонентов диффу­зией, конвекцией и переходом вещества из одной фазы (газовой, жидкой, твердой) в другую.

Суммарная скорость процесса определяется скоростью перечисленных элементарных стадий. Как правило, эти элементарные процессы протекают с различной скоростью и последователь­но. Поэтому общая (суммарная) скорость процесса лимитирует­ся скоростью наиболее медленной стадии. Если наиболее медленно происходит сама химическая реакция иона лимитирует суммарную скорость, то процесс протекает в кинетической об­ласти. Для ускорения таких процессов технологии изменяют те факторы, которые более всего влияют на скорость химической ре­акции, увеличивая, например, концентрацию исходных компонен­тов, температуру, давление, применяя катализаторы. Если общую скорость процесса лимитирует подвод реагирующих компонентов или отвод продуктов реакции, то процесс протекает в диффузи­онной области. Для ускорения таких процессов стремятся увеличить скорость диффузии усилением перемешивания (турбулизацией реагирующей системы), диспергированием фаз, повыше­нием температуры и концентрации, гомогенизацией системы, т. е. переводом многофазной системы в однофазную и т. п. Если ско­рости всех стадий технологического процесса соизмеримы — про­цесс протекает в так называемой переходной области, то для увеличения скорости такого процесса необходимо, прежде всего, воздействовать на систему теми факторами, которые увеличи­вают как диффузию, так искорость химической реакции, например повышениемконцентрации реагирующих веществ и температуры.

КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

При классификации химико-технологических процессов учиты­вают деление химических реакций на простые, сложнопараллельные и сложнопоследовательпые. При описании отдельных классов химико-технологических процессов реакции подразделяют по типу взаимодействия реагентов на окислительно-восстановительные (гомолитические) и кислотно-основные (гетеролитические). Химические реакции и процессы массопередачи могут быть обратимыми или необратимыми, соответственно различают и технологические процессы в целом.

Необходимо разграничивать процессы, протекающие в кинетической и диффузионной области. Этот вид классификации процес­сов сильно усложняется в гетерогенных системах, в особенности при взаимодействии компонента газовой или жидкой смеси с поверхностью твердого пористого материала. В таких процессах в зависимости от лимитирующего этапа можно наблюдать области: внешнедиффузионную, переходную от внешне- к внутридиффузионной, внутридиффузионную (в порах твердого материала), внутреннюю — переходную и кинетическую. Такие области имеют наи­большее значение для гетерогенно-каталитических процессов.

Если механизм процесса сложный, принадлежность его к то­му или иному классу определяется целенаправленностью. В классификации технологических процессов большое значение имеет необходимый для их оптимизации технологический режим.

Технологическим режимом называется совокупность основных факторов (па­раметров), влияющих на скорость процесса, выход и качество продукта.

Для большинства химико-технологических процессов основны­ми параметрами режима являются температура, давление, приме­нение катализатора и активность его, концентрации взаимодейст­вующих веществ, способ и степень перемешивания реагентов.

На конструкцию реакторов и скорость процессов сильно влия­ют способ и степень перемешивания реагентов. В свою очередь, способ и интенсивность перемешивания реагирующих масс зависят от агрегатного состояния последних. Именно агрегатное состоя­ние перерабатываемых веществ определяет способы их технологи­ческой переработки и принципы конструирования аппаратов. По­этому при изучении общих закономерностей химической техноло­гии принято делить процессы и соответствующие им реакторы, прежде всего по агрегатному (фазовому) состоянию взаимодейст­вующих веществ. По этому признаку все системы взаимодейст­вующих веществ и соответствующие им технологические процес­сы делят на однородные, или гомогенные, и неоднородные, или гетерогенные.

Гомогенными называются такие процессы, в которых все реагирующие вещества находятся в одной какой-либо фазе: га­зовой (Г) или жидкой (Ж). В гомогенных системах взаимодейст­вующих веществ реакции происходят обычно быстрее, чем в ге­терогенных, механизм всего технологического процесса проще и соответственно управление процессом легче, поэтому технологи на практике часто стремятся к гомогенным процессам, т. е. пере­водят твердые реагирующие вещества или по крайней мере одно из них в жидкое состояние плавлением или растворением; с той же целью производят абсорбцию газов или конденсацию их.

Гетерогенные системы включают две или большее число фаз. Существуют следующие двухфазные системы: газ — жид­кость, газ — твердое тело; жидкость — жидкость (несмешивающие-ся); жидкость — твердое тело и твердое тело — твердое тело. В производственной практике наиболее часто встречаются систе­мы Г-Ж, Г—Т, Ж—Т. Нередко производственные процессы про­текают в многофазных гетерогенных системах, например Г—Ж— Т, Г—Т—Т, Ж—Т—Т, Г—Ж—Т—Т и т. п. Гетерогенные процес­сы более распространены в промышленной практике, чем гомоген­ные. При этом, как правило, гетерогенный этап процесса (массопередача) имеет диффузионный характер, а химическая реакция происходит гомогенно в газовой или жидкой среде. Однако в ря­де производств протекают гетерогенные реакции на границе Г—Т, Г—Ж, Ж—Т, которые обычно и определяют общую скорость про­цесса. Гетерогенные реакции происходят, в частности, при горе­нии (окислении) твердых веществ и жидкостей, при растворении металлов и минералов в кислотах и щелочах.

Химические процессы делят на каталитические и некаталити­ческие. По значениям параметров технологического режима про­цессы можно разделить на низко- и высокотемпературные, проис­ходящие под вакуумом, при нормальном и высоком давлении, с высокой и низкой концентрацией исходных веществ и т. п. Од­нако такая подробная классификация, применяемая в некоторых руководствах по отдельным химическим производствам, излишне сложна для общего курса химической технологии.

По характеру протекания процесса во времени соответствую­щие аппараты и осуществляемые в них процессы делят на перио­дические и непрерывные. Непрерывно действующие реакторы на­зывают проточными, так как через них постоянно протекают по­токи реагирующих масс.

По гидродинамическому режиму различают два предельных случая перемешивания реагирующих компонентов с продуктами реакции. Полное смешение представляет собой режим, при котором турбулизация столь сильна, что концентрация реагентов в проточном реакторе одинакова во всем объеме аппарата от вво­да исходной смеси до места вывода продукционной смеси.

Идеальное вытеснение наблюдается тогда, когда ис­ходная смесь не перемешивается с продуктами реакции, а прохо­дит ламинарным потоком по всей длине или высоте аппарата. Происходит плавное изменение концентраций в направлении по­тока реагентов, тогда как в реакционном объеме полного смеше­ния нет градиента концентраций. В промышленных проточных ре­акторах степень перемешивания всегда меньше, чем в аппаратах полного смешения, и больше, чем в аппаратах идеального вытес­нения. В некоторых типах реакторов режим перемешивания бли­зок к одному из предельных случаев.

По температурному режиму проточные реакторы и происходя­щие в них процессы делят на изотермические, адиабатические и политермические. При изотермических процессах тем­пература постоянна во всем реакционном объеме. Идеально-изо­термический режим возможен лишь в реакторах с достаточно сильным перемешиванием, приближающимся к полному смеше­нию. Близки к изотермическим процессы, в которых происходят реакции с малым тепловым эффектом (например, изомеризация) или при малой концентрации реагирующих веществ. Послед­нее характерно для процессов очистки газов от вредных примесей.

При адиабатических процессах нет отвода или подвода теплоты, вся теплота реакции аккумулируется потоком реагирующих веществ. Идеально-адиабатический режим возможен лишь в реакторах идеального вытеснения при полной изоляции от внешней среды. В таких реакторах температура потока вдоль оси реактора прямо или обратно пропорциональна степени превраще­ния исходного вещества в продукт.

В политермических реакторах теплота реакции лишь час­тично отводится из зоны реакции или компенсируется подводом для эндотермических процессов. В результате температура по длине (или высоте) реакционного объема изменяется неравномер­но и температурный режим выражается различными кривыми.

Химические превращения веществ сопровождаются в той или иной степени тепловыми процессами. По тепловому эффекту процессов их делят на экзо- и эндотермические. Такое деление имеет особо важное значение при определении влияния теплового эффекта на равновесие и скорость обратимых реакций. Тепловой эф­фект реакций в ряде производств определяет технологическую схему производства и конструкцию реактора.