Поняття про хіміко-технологічні процеси, їх апаратурне оформлення та параметри роботи

Спільною рисою хімічних виробництв є велика кількості функціонально відмінних ступенів переробки (процесів) для перетворення вихідної сировини на кінцевий продукт. Взаємопов'язані ступінчаті перетворення утворюють складні хіміко-технологічні системи (ХТС), в основі яких лежать хіміко-технологічні процеси.

Хіміко-технологічні системи — сукупність фізико-хімічних процесів і засобів для їх проведення з метою отримання продуктів заданої якості і в потрібній кількості.

Хоч виробничі процеси в різних галузях хімічної промисловості і характеризуються великою складністю і багатоетапністю, визначальну роль у них відіграють хіміко-технологічні процеси (ХТП).

Хіміко-технологічний процес — сукупність взаємопов'язаних фізичних та хімічних операцій, реалізація яких у певній послідовності дозволяє із вихідної сировини чи напівпродуктів отримати цільовий продукт.

Крім підготовки сировинних компонентів та виділення і очищення цільових продуктів, ХТП, як правило, включають три стадії: 1) подачу реагуючих компонентів у зону реакції; 2) хімічні реакції; 3) відведення із зони реакції отриманих продуктів. Стадія подачі компонентів повинна забезпечити їх надходження у необхідних співвідношеннях та максимально можливу гомогенізацію їх суміші. У багатофазних системах на цій стадії важливу роль відіграють процеси адсорбції— десорбції, возгонки-конденсації, плавлення та розчинення твердих речовин. Всі вони протікають під очевидним дифузійним контролем за важливої ролі змішування компонентів.

Хімічні реакції є серцевиною ХТП. Як правило, в системі протікає кілька послідовних чи паралельних реакцій з утворенням цільового та побічних продуктів. Останні можуть утворюватися як при основній реакції поруч із цільовим продуктом, так і внаслідок побічних реакцій між основними вихідними речовинами і домішками. При аналізі виробничих процесів враховують, як правило, лише ті реакції, які мають визначальний вплив на вихід та якість цільових продуктів.

Сумарна швидкість ХТП лімітується найповільнішою їх стадією. Якщо найповільнішою є подача компонентів чи відведення продуктів, то процес протікає у дифузійній області, а якщо хімічна взаємодія — то в кінетичній. Для прискорення процесів з дифузійним контролем застосовують їх інтенсифікацію перемішуванням, дисперуванням фаз, гомогенізацією сумішей, підвищенням температури або концентрації.

Для інтенсифікацій процесів, швидкість яких лімітується у кінетичній області, регулюються ті параметри, які найсильніше впливають на швидкість хімічної реакції: збільшують температуру, концентрацію, тиск або застосовують каталізатори.

Знання основних закономірностей ХТП та найважливіших параметрів регулювання їх швидкостей дає можливість встановити оптимальний технологічний режим найефективнішого проведення процесу з максимальним виходом продукту високої якості.

Технологічний режим — це сукупність основних факторів (параметрів), що впливають на швидкість хіміко-технологічних процесів, вихід та якість продукту.

Для більшості ХТП основними параметрами є: температура Т, тиск р, каталізатор і його активність, концентрації взаємодіючих речовин і їх дисперсність, спосіб і параметри змішування компонентів, рівень кислотності (рН) та окисно-відновного потенціалу (Еh)середовища реакції. Оптимізація технологічних параметрів забезпечує максимальну продуктивність праці і найкращі економічні показники.

Характер і значення параметрів технологічного режиму покладено в основу класифікації ХТП.

Найпростішою є класифікація ХТП за наступними критеріями: 1) видом вихідної сировини; 2) типом основної хімічної реакції; З) способом організації процесу; 4) кратністю обробки сировини.

За видом вихідної сировини ХТП поділяють на процеси по переробці мінеральної, рослинної і тваринної сировини.

За типом основної хімічної реакції ХТП поділяють на процеси, грунтовані на:

• простих і складних реакціях;

• оборотних і необоротних реакціях;

• гомогенних і гетерогенних реакціях;

• каталітичних реакціях;

• екзотермічних і ендотермічних реакціях;

• електрохімічних реакціях;

• фотохімічних реакціях;

• радіаційно-хімічних реакціях.

Прості реакції є одностадійними, а складні — багатостадійними.

Необоротні та оборотні реакції протікають в одному чи зустрічних напрямках відповідно.

Гомогенні і гетерогенні реакції протікають між речовинами, що знаходяться в одній чи різних фазах відповідно.

Каталітичні реакції протікають за участю каталізаторів.

Екзотермічні та ендотермічні реакції протікають з виділенням та поглинанням тепла відповідно.

Електрохімічні та фотохімічні реакції протікають під дією електроструму та оптичних випромінювань відповідно.

Радіаційно-хімічні реакції протікають під дією іонізуючих випромінювань.

За способом організації процесу ХТП можуть бути періодичними, безперервними і комбінованими (рис. 1).

У періодичних процесах (рис. 1а) сировину вводять в реактор окремими порціями, а після завершення циклу також дискретно виводять цільовий продукт.

Рис. 1. Схеми періодичних (а), безперервних (б) та комбінованих (в—д) ХТП, що відрізняються способом організації процесу

У безперервних процесах (рис. 16) сировину вводять в реактор постійним потоком. Після її перетворення в реакторі у цільовий продукт, останній також безперервно виводять з реактора.

Комбіновані процеси можуть характеризуватися різними комбінаціями безперервності та дискретності введення сировини і виведення продукту: періодичним введенням сировини та безперервним виведенням продукту (рис. 1в); безперервним введенням сировини та періодичним виведення продукту (рис. 1г); періодичним введенням одного компонента, безперервним — другого при безперервному виведенні продукту (рис. 1д) і т. п.

За кратністю обробки сировини ХТП розділяють на процеси з розімкнутою (відкритою), замкнутою (закритою) і комбінованою схемами (рис. 2).

Рис. 2. Схеми відкритих (а), закритих (б) і комбінованих (в) ХТП, що відрізняються кратністю обробки сировини

В процесах з відкритою схемою сировина за один цикл перебування в реакторі перетворюється на цільовий продукт (рис. 2а). В процесах із закритою схемою через недостатній ступінь перетворення на цільовий продукт для досягнення прийнятної повноти реакції необхідне багаторазове повернення відокремленої від продукту сировини, що не прореагувала, на вхід реактора (рис. 2 б ) в комбінованих процесах основна сировина може перетворитися на цільовий продукт за один цикл, а допоміжні матеріали використовуються багатократно (рис. 2в).

Крім різноманітних хімічних процесів, у хімічних виробництвах, особливо у підготовці вихідних компонентів і сировини, та у виділенні і очищенні цільового продукту, застосовують багато чисто фізичних та фізико-хімічних процесів. Найуживанішими серед них є:

• фізико-механічні (подрібнення і диспергування — сухе та мокре);

• теплові (нагрівання, охолодження, теплообмін шляхом теплопровідності, конвекції та теплового випромінювання);

• масообмінні (абсорбція і адсорбція — десорбція, перегонка і ректифікація, кристалізація, сушка).

Дата добавления: 2015-11-16