ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Знание основных закономерностей химико-технологи­ческого процесса позволяет найти оптимальные условия его проведения и интенсификации, улучшить технико-эко­номические показатели. Одним из главных факторов, обеспечивающих нормальное функционирование процес­са, является технологический режим производства, пред­ставляющий собой совокупность большого числа техно­логических параметров. Поэтому по общепринятой тех­нологической классификации, основанной на параметрах производства, все химические процессы делятся на: высокотемпературные, низкотемпературные некаталитические, каталитические (проходящие под повышенным или пони­женным давлением), электрохимические, биохимические, радиационно-химические, плазмохимические, фотохими­ческие и некоторые другие. Здесь за основу классифика­ции выбраны параметры, оказывающие решающее влия­ние на процесс.

Помимо указанных параметров для подобных процес­сов большое значение имеет их непрерывность, циклич­ность и энергоемкость, а для улучшения технико-эконо­мических показателей процесса очень важным оказывает­ся направление движения материальных и тепловых потоков, агрегатное состояние взаимодействующих ве­ществ, тепловой эффект реакции.

По направлению движения тепловых и материальных потоков в аппаратах разли­чают прямоточные, противоточные процессы и процессы с перекрестным и смешанным током.

В прямоточном процессе тепловые или материальные потоки движутся параллельно друг другу в одном и том же направлении. При наличии разделяющей стенки такой вариант процесса используется для теплообмена, в ре­зультате которого более горячий поток охлаждается и отдает теплоту более холодному потоку. Последний при этом нагревается.

При отсутствии разделяющей перегородки прямоток может использоваться как для теплообмена (например, сушка материалов горячими газами), так и для смешения газов, паров и жидкостей (например, разбавление серной кислоты водой, смешение аммиака или паров метилово­го спирта с воздухом перед их окислением на катализаторе). В отдельных случаях смешение и теплообмен про­исходят одновременно.

В противоточных процессах тепловые или мате­риальные потоки движутся в противоположных напра­влениях. Теплообмен через стенку при противотоке про­текает более интенсивно, чем при прямотоке. При прочих равных условиях осуществление такого процесса требует меньшей поверхности теплопередачи, что способствует уменьшению габаритов теплообменников, снижению их материалоемкости.

Противоточное движение потоков без разделяющей их стенки широко используется в технологии для интен­сификации таких типовых процессов, как улавливание и очистка газов жидкими и твердыми поглотителями, разделение жидких многокомпонентных смесей ректифи­кацией и экстракцией, очистка и избирательное разделе­ние многокомпонентных и жидких смесей твердыми поглотителями.

Обычно перечисленные процессы совмещаются с про­цессами теплообмена и проводятся в одном и том же ап­парате. Это снижает себестоимость продукции за счет ис­пользования более компактного и интенсивно работаю­щего оборудования, способствует сокращению производственных площадей.

В процессах с перекрестным током тепловые и мате­риальные потоки движутся перпендикулярно друг другу.

При смешанном токе один из потоков движется в одном направлении, а другой — как прямотоком, так и противотоком.

Перекрестный и смешанный токи широко исполь­зуются для интенсификации тепловых процессов, свя­занных с нагреванием, охлаждением, выпариванием ве­ществ и конденсацией паров.

По агрегатному состоянию все системы взаимодействующих веществ и соответствующие им тех­нологические процессы делятся на гомогенные и гетеро­генные. Система — это любая группа веществ, находя­щихся во взаимодействии, а фаза — совокупность одно­родных частей системы, одинаковых по составу, химиче­ским и физическим свойствам и отграниченных от других Частей поверхностью раздела.

Гомогенными системами называются такие системы, в которых все реагирующие вещества находятся только в какой-либо одной фазе: газовой — Г, жидкой — Ж или твердой — Т. В отличие от гомогенных в гетерогенных системах вещества находятся в разных агрегатных со­стояниях. Например, одно — в газообразном, второе — в жидком, третье — в твердом состоянии. На практике ге­терогенные системы отличаются большим разнообра­зием количества фаз и числа сочетаний между ними.

Различают двухфазные гетерогенные системы типа Г — Ж, Г — Т, Т — Т, Ж — Т и несмешивающиеся Ж₁ — Ж₂ (например, «вода — масло»), а также много­фазные системы. Примером многофазных систем могут быть Г-Ж-Т, Ж-Т₁-Т₂, Г-Ж-Т₁-Т₂ и др.

В гомогенных системах взаимодействие веществ и ре­акции между ними происходят обычно быстрее, чем в ге­терогенных, из-за отсутствия границы раздела фаз. Нали­чие границы раздела резко замедляет скорость перехода компонентов из одной фазы в другую. Например, в про­цессах растворения и равномерного распределения леги­рующих добавок в расплавленном металле, поглощения газов твердыми или жидкими поглотителями скорость процесса при обычных условиях может снижаться до ско­рости молекулярной диффузии. Это значит, что скорость такого процесса лимитируется скоростью его наиболее медленной, диффузионной стадии.

Поскольку гетерогенные процессы протекают медлен­нее гомогенных и отличаются более сложным механиз­мом управления, одним из методов интенсификации про­мышленного производства является рациональное сведе­ние гетерогенных процессов к гомогенным. Для этого твердые реагирующие вещества по возможности перево­дят в жидкое состояние плавлением или растворением, парообразные вещества конденсируют, газообразные сжижают или растворяют в жидкостях. Такая замена ге­терогенных систем на гомогенные позволяет в ряде слу­чаев интенсифицировать производственный процесс, упростить аппаратурное оформление его отдельных тех­нологических стадий, снизить трудовые затраты, умень­шить себестоимость продукции, рациональнее использо­вать тепловой эффект процесса.

По тепловому эффекту химические процессы подразделяются на экзотермические и эндотермические.

Экзотермическими процессами называются процессы, при которых теплота выделяется, а эндотермически­ми — процессы, при которых теплота поглощается.

Числовое значение величин теплового эффекта опре­деляется строением вещества и особенностями его пере­работки. Обычно тепловой эффект проявляется при сгорании вещества, образовании нового химического соеди­нения, либо изменении агрегатного состояния вещества при его растворении, плавлении, испарении или конденсации.

Примером экзотермических процессов может быть конденсация водяного пара, растворение многих ангидридов кислот в воде, сжигание простейших веществ (серы, фосфора) для получения их оксидов и т. п. Приме­ром эндотермических процессов является получение во­дяного пара нагреванием воды, выплавка чугуна из руд, выделение фосфора из апатитов возгонкой, синтез водо­рода при крекинге углеводородов и т. д.

Отличительной особенностью эндотермических процессов является высокий расход топлива и электроэнергии для подвода теплоты в зону обработки, в то время Как экзотермические процессы характеризуются значительным расходом охлаждающего теплоносителя (воды, поруха и др.) для отвода теплоты.

В промышленности большая экономия топлива, охлаждающих теплоносителей и электроэнергии достигается совмещением экзотермических и эндотермических эффектов в одном технологическом процессе. Часто удается так отрегулировать температурный режим и скорость движения обменивающихся теплотой потоков, что количество выделяемой теплоты полностью компенсируется количеством отводимой теплоты. И режим процесса становится автотермичным. Примером автотермичного режима может служить окисление на катализаторе диоксида серы SO2 до триоксида SO₃ в производстве серной кислоты

Здесь теплота реакции Q, уносимая с горячим газом SO₃, передается через стенку встречному потоку холодного газа SO₂, поступающему на окисление. В результате теплообмена между SO₂ и SO₃ газ сам себя нагревает, охлаждает и непрерывно поддерживает в зоне окисления оптимальную температуру процесса ~440°С.

В отдельных случаях для утилизации теплоты используется попеременное чередование экзо- и эндотермических эффектов в одном аппарате.

Например, при получении генераторных газов попере­менным чередованием воздушного (теплота выделяется) и водяного дутья (теплота поглощается) удается вести процесс с наименьшим расходом топлива за счет перио­дически используемой теплоты экзотермической реакции. При этом наряду с экономией топлива предотвращается перегрев аппарата, прогорание его стенок и обеспечи­вается необходимая скорость процесса.