Понятие о химико-технологическом процессе

В процессе химического производства исходные вещества (сырье) перерабатываются 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 используются помимо основных химических процессов различные физические процессы: перемешивание, смешение, разделение, измельчение и т.д.

Химико-технологическим процессом (ХТП) называется сочетание связанных друг с другом и проводимых в определенной последовательности химических, физико-химических, физических и механических операций с целью получения из сырья готового продукта. В общем случае ХТП состоит из трех взаимосвязанных элементарных процессов.

Общая скорость технологического процесса может лимитироваться скоростью одной из трех стадий. Как правило, эти элементарные процессы протекают с различной скоростью. Поэтому общая скорость процесса лимитируется скоростью наиболее медленной стадии.

Эффективность осуществления ХТП требует соблюдения некоторых условий. Поэтому для каждого ХТП разрабатывается технологический режим.

Технологическим режимом называется совокупность параметров, обеспечивающих устойчивое и максимально эффективное проведение ХТП.

Параметром технологического режима называют величину, характеризующую какое-либо устройство или режим работы аппарата, используемую в качестве основного показателя их действия. Параметр – величина количественная и используется для количественной оценки процесса. К основным параметрам ХТП относятся: температура, давление, концентрация реагентов, интенсивность катализатора, время контактирования реагентов, объемная скорость потока реагента, сила тока и т.д. Оптимальные условия проведения ХТП достигаются таким сочетанием его основных параметров, при котором обеспечивается наибольший выход целевого продукта с высокой скоростью и наименьшей себестоимостью. Параметры технологического процесса определяют принципы конструирования соответствующих реакторов. Характер и значения параметров технологического режима положены в основу классификации ХТП.

Однако все параметры взаимосвязаны. Значительное изменение одного из них влечет за собой резкое изменение других. Поэтому выбираются параметры, оказывающие решающее влияние.

Химические реакции составляют основу ХТП. Химические реакции подразделяются:

1) По фазовому (агрегатному) состоянию взаимодействующих веществ: гомогенные (однородные), гетерогенные (неоднородные). Гомогенными системами называются такие системы, в которых все взаимодействующие вещества находятся в одной какой-либо фазе – Г, Ж, Т. Например, окисление NО в NО2 является однородным гомогенным процессом, протекающим в газовой фазе.

NО( г) +О2 (г )↔2 NО2 (г)

Гетерогенные системы включают 2 или большее количество фаз: Г-Ж, Г-Т, Ж-Ж (не смешиваются) Ж-Т. Во всех гетерогенных системах имеется поверхность раздела фаз. Например, поглощение серного ангидрида SО3 водой с образованием серной кислоты Н24 протекает по реакции:

3 (г )+Н2О(ж) ↔ Н24 (ж)

В гетерогенных многофазных системах во взаимодействии могут находиться вещества в газообразном, жидком и твердом состоянии.

В гомогенных системах реакции происходят обычно быстрее, чем в гетерогенных; механизм всего процесса проще, управление процессом легче, поэтому технологи стремятся к гомогенным процессам. Гетерогенные процессы более распространены в промышленности.

2) По механизму взаимодействия реагентов: на гомолитические (окислительно-восстановительные) и гетеролитические (кислотно-основные).

3) По протеканию во времени: на обратимые и не обратимые. Обратимыми называются такие реакции, в которых получаемые в результате взаимодействия исходных веществ продукты начинают реагировать между собой, вновь образуя исходные вещества

N22 ↔ NН3 +Q

Практически необратимыми называют реакции, в которых равновесие при определенных условиях почти полностью смещается в сторону образования продуктов реакции.

S +О2 →SО2 + Q

4) По знаку теплового эффекта: на экзотермические – реакции, идущие с выделением тепла и эндотермические – реакции, идущие с поглощением тепла. Например, синтез аммиака N22 ↔ NН3 +Q –экзотермический процесс; получение окиси азота N22 ↔2NО – Q – эндотермический процесс.

5) По использованию катализатора: на каталитические и не каталитические.

7)По значению температур: на низкотемпературные и высокотемпературные.

7) По типу контакта реагентов в гетерогенной системе.

8) По виду реакции: на простые (одностадийные) и сложные (многостадийные). Простыми называются реакции для осуществления которых требуется преодоление только одного энергетического барьера. Сложные реакции включают в себя несколько последовательных или параллельных реакций.

Для исследования ХТП наибольшее значение имеет классификация реакций по фазовому состоянию системы, по условиям протекания, по типу контактов и по наличию катализатора. Именно от типа химической реакции зависит выбор конструкции аппаратов и параметры технологического режима.

На конструкцию аппаратов и скорость процессов сильно влияет способ и степень перемешивания реагентов. В свою очередь способ и интенсивность перемешивания реагирующих масс зависит от агрегатного состояния последних. Именно агрегатное состояние реагирующих веществ определяет способы их технологической переработки и принципы конструирования аппаратов. Поэтому принято делить процессы и соответствующие им аппараты, прежде всего, по агрегатному состоянию взаимодействующих веществ. По этому признаку все системы взаимодействующих веществ и соответствующие им технологические процессы делятся на гомогенные (однородные) и гетерогенные (неоднородные).

Если реагенты перед вступлением в реакцию хорошо перемешать, то скорость гомогенных процессов определяется скоростью непосредственно химического превращения веществ. В гетерогенных процессах химические реакции обычно сопровождаются чисто физическими промежуточными стадиями, которые определят или влияют на наблюдаемую скорость процесса. В простейшем случае при протекании гетерогенного химико-технологического процесса можно выделить два элементарных процесса: диффузию веществ, находящихся водной фазе, к поверхности раздела фаз или от нее и химическую реакцию внутри одной из фаз. В зависимости от того, какой из элементарных процессов – диффузия или реакция– определяет скорость ХТП, последние разделяют по области протекания. Например, если определяющее значение на скорость ХТП оказывает скорость диффузии, то говорят о химико-технологических процессах, протекающих в диффузионной области; если скорость ХТП определяется скоростью химической реакции, то процесс протекает в кинетической области. Методы и приемы интенсификации ХТП, протекающих в диффузионной и кинетической областях, совершенно различны. Знание области протекания процесса особенно важно для анализа гетерогенно-каталитических процессов и управления ими.