Химические процессы, используемые в технологии
Химические или как их еще называют, химико-технологические процессы, нашли широкое применение практически во всех отраслях промышленного производства.
Традиционно химическую технологию подразделяют на технологию неорганических и технологию органических веществ.
Любой химико-технологический процесс можно разделить на ряд взаимосвязанных стадий:
· подвод реагирующих веществ в зону химической реакции;
· осуществление химического превращения (химических реакций);
· отвод полученных продуктов из зоны реакции.
Подвод реагирующих веществ осуществляется, как правило, с использованием физических процессов (механических, гидромеханических, тепловых, массообменных).
Вторая стадия химико-технологического процесса непременно является собственно химическим превращением (химической реакцией), в ходе которого происходит глубокое изменение структуры, состава и свойств веществ, участвующих в нем.
Отвод отходов из зоны реакции может совершаться аналогично, как и подвод веществ в зону реакции, в том числе диффузией, конвекцией и переходом вещества из одной фазы (газовой, твердой, жидкой) в другую. При этом общая скорость технологического процесса определяется скоростью одного из трех составляющих элементарных процессов, протекающего медленнее других.
Основой классификации химико-технологических процессов является:
· способ организации процесса;
· кратность обработки сырья;
· вид используемого сырья;
· агрегатное состояние веществ, участвующих в реакции;
· тепловой эффект химической реакции;
· направление протекания;
· тип основной химической реакции;
· условия протекания.
По способу организации химико-технологические процессы могут быть периодическими, непрерывными и комбинированными. При этом комбинированные процессы могут характеризоваться непрерывным поступлением сырья и периодическим отводом продукта или наоборот.
По кратности обработки сырья различают процессы с открытой, закрытой (циркуляционной) и комбинированной схемами. В процессах с закрытой схемой требуется неоднократный возврат непрореагировавшего сырья в зону химического взаимодействия до того момента, как оно превратится в конечный продукт.
По виду используемого сырья химико-технологические процессы условно подразделяют на процессы, использующие минеральное сырье или сырье животного, растительного происхождения.
По агрегатному состоянию веществ, участвующих в химической реакции, различают гомогенные и гетерогенные химико-технологические процессы.
Гомогенными процессами называют такие, в которых все реагирующие вещества находятся в одной какой-нибудь фазе: газовой (г), твердой (т), жидкой (ж). В этих процессах реакция обычно протекает быстрее. В целом, механизм всего технологического процесса в гомогенных системах проще, соответственно проще и управление процессом. По этой причине на практике часто стремятся к гомогенным процессам, т.е. переводят реагирующие компоненты в какую-либо одну фазу.
Вгетерогенных процессахучаствуют вещества, находящиеся в разных состояниях (фазах), т.е. в двух и трех фазах.
К гетерогенным процессам относятся, например, горение (окисление) твердых веществ и жидкостей, растворение металлов в кислотах и щелочах и др.
По тепловому эффекту химической реакции различают экзотермические и эндотермические процессы.
Химические процессы, которые протекают с выделением теплоты, называются экзотермическими. Химические процессы, протекающие с поглощением теплоты, называются эндотермическими. Количество выделяемой или поглощаемой при этом теплоты называют тепловым эффектом процесса (теплотой процесса).
По направлению протекания химико-технологические процессы подразделяют на обратимые и необратимые.
Теоретически все химические реакции обратимы. В зависимости от условий они могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях.
В необратимых процессах равновесие в реакциях полностью смещается в сторону продуктов реакции, а обратная реакция, как правило, не протекает.
Во всех обратимых процессах устанавливается равновесие, при котором скорости прямого и обратного процессов уравниваются, в результате чего соотношение между компонентами во взаимодействующих системах остаются неизменными до тех пор, пока не изменятся условия протекания процесса. В случае изменения таких параметров, как температура, давление или концентрация реагирующих веществ, равновесие нарушается, и процесс начинает протекать в том или ином направлении до наступления нового равновесия.
Если на систему, находящуюся в термодинамическом равновесии, воздействовать извне, изменяя какой-либо из параметров, определяющих положение равновесия, то в системе усилится то из направлений процесса, которое ослабляет влияние произведенного воздействия. Например, повышение давления смещает равновесие в сторону меньшего объема.
В зависимости от типа основной реакции химико-технологические процессы подразделяют на процессы разложения (диссоциации), нейтрализации, замещения, обмена, окисления, восстановления, присоединения (синтеза).
Процессы разложения, наиболее характерные для технологии органических веществ, сопровождаются образованием более простых, чем исходное сырье веществ.
Процессы нейтрализации между веществом, имеющим свойства кислоты и веществом, имеющим свойства основания, приводят к образованию веществ, теряющих характерные свойства обоих соединений.
Процессы замещения и обмена сопровождаются замещением (обменом) атомами (группами атомов) между реагирующими веществами, при этом степень окисления элементов не меняется.
Окислительно-восстановительные процессы протекают с одновременным повышением и понижением степеней окисления элементов и сопровождаются передачей электронов.
Процессы присоединениясопровождаются синтезом более сложных по сравнению с исходными веществами.
По условиям протекания химико-технологические процессы подразделяют на электрохимические, каталитические, фотохимические, радиационно-химические.