Понятие о химико-технологический процессе

Главным процессом, который происходит в химическом реакторе, есть, очевидно, химический, ведь именно вследствие его хода сырье и реагенты превращаются в целевой продукт. Химический процесс - это совокупность явлений химического превращения, которые сопровождаются физическими явлениями перенесения массы и энергии. Они являются основными видами перенесения в реакторе. Перенесение вещества и энергии можно проиллюстрировать на примере взаимодействия кислоты со щелочью с образованием соли и выделением теплоты. Продукт реакции диффундирует из зоны реакции в то пространство реакционного объема, где его концентрация есть меньшей или равняется нулю. Перенесение массы происходит вследствие градиента концентраций. Похожим есть и процесс перенесения энергии: теплота экзотермической реакции передается Из зоны с высшей температурой в зону с низшей. Движущей силой этого процесса есть градиент температур.

С другой стороны, реакция не может состояться, если молекулы реагентов не столкнутся да еще и при соответствующих условиях в среде, например, за определенной температуры. Это означает, что ход химического процесса в свою очередь есть зависимым от перенесения массы и энергии.

Итак, в химическом реакторе одновременно происходит совокупность взаимосвязанных между собой физических и химических явлений, которая называется химико-технологическим процессом (ХТП).

Он охватывает по обыкновению такие взаимосвязанные элементарные стадии: подведение реагирующих веществ в зону реакции; химические реакции; отвод образованных продуктов из зоны реакции.

По сложностью ХТП разделяют на такие уровни: молекулярный; малого объема; потока (рабочей зоны аппарата); реактора; химико-технолоґічної системы (ХТС).

Молекулярный уровень ХТП - наиболее низкий (простейший). Он состоит из химического взаимодействия молекул на расстояниях, соизмеримых с размерами молекул. На этом уровне изучаются лишь закономерности равновесия и химической кинетики для конкретных химических систем, т.е. анализируется лишь химическая стадия процесса, а первая и третья стадии к вниманию не берутся. На основании указанных закономерностей определяют количественную взаимосвязь между исходными реагентами и продуктами (основными и побочными) реакций.

Уровень малого объема - это некоторый условно выделенный элемент реакционного объема или среды макроскопического размера. Размеры такого элемента в виде сферы, куба, цилиндра могут приниматься от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Как отдельный элемент можно рассматривать условно выделенный объем реакционной среды, одно зерно катализатора, один элемент насадки в насадковому реакторе и т.п.. На уровне малого объема закономерности, которые присущи молекулярному уровню, дополняются закономерностями тепло- и масоперенесення. Итак, на этом уровне учитывают все стадии ХТП. Подведение реагентов в зону реакций и отвод продуктов из нее происходит преимущественно вследствие молекулярной или конвективної диффузии Поскольку элементы малого объема в реальных реакторах могут существенно отличаться по показателям, то этот уровень часто рассматривают и анализируют как теоретическую модель конкретного процесса.

Уровень потока (рабочей зоны аппарата) - это статистически усредненная совокупность элементов малого объема, например, поток редко- или газофазового реакционной среды, пласт катализатора, барботажний пласт и т.п.. Он получается интегрированием процессов, которые происходят на уровнях малого объема. На этом равные необходимо иметь в виду характер движения материальных потоков, т.е. гидродинамику. Подведение реагентов в зону реакции на этом уровне осуществляется преимущественно конвективною диффузией за интенсивного перемешивания реакционной среды, а также абсорбцией, хемосорбцией, конденсацией, растворением и т.п.. Отвод продуктов из зоны реакции осуществляется диффузией конвекцией и вследствие межфазных преобразований (десорбция, кристаллизация, осаждение и т.п.).

Для уровня потока составляют балансовые уравнения и выполняют материально-тепловые расчеты (например, для отдельного слоя многополочного контактного аппарата).

Уровень аппарата предусматривает моделирование процессов во всей совокупности зон реактора как единой системы, т.е. во всей его конфигурации. Эта конфигурация может быть сравнительно простоя, если реактор состоит лишь из одного сплошного рабочего объема, например, если он является пустотелым барботажним абсорбером. И она может быть довольно сложной, если охватывает, например, все слои катализатора в многополочном контактном аппарате или все тарелки барботажного реактора, где происходит хемосорбция. На этом уровне составления материального и теплового балансов является обязательным этапом моделирования. Математические модели уровня аппарата составляются как система уравнений преимущественно дифференциальных, которые учитывают химические превращения, явления переноса теплоты и вещества (разные виды диффузного перенеса).

Модель, которая описывает разные по природе явления, может оказаться сложной, многомерной, а потому ее тяжело рассчитывать и математически анализировать. Но поскольку указанные явления являются взаимосвязанными, то для упрощения математической модели при составлении балансовых уравнений их учитывают в одном уравнении материального или теплового балансов. Итак, они объединяються в двух уравнениях, которые отображают фундаментальные законы природы - законы сохранения массы и энергии.

Подведение реагентов в реактор, вывод продуктов из аппарата на этом уровне ХТП рассматривают как перемещение потоков веществ. Именно на этом уравне ХТП впервые особая роль отводится качественному конструированию реактора, выбора и взаимному размещению его структурных элементов. Глубокое понимание сущности физических и химических явлений, которые происходят в реакторе, дает возможность оптимально расположить отдельные структурные элементы реактора с целью эффективного (быстрого и полного) смешивания реагентов, разделения продуктов реакции, использования теплоты и т.п.. Например, для эффективного смешивания газообразных реагентов целесообразно применять эжектор; теплоту экзотермических процессов используют для подогревания холодных реагентов, которые поступают в зону реакции, выпаривания лишней воды, если реакция происходит в водной среде, или получения водяного пара.

Уровень химико-технологической системы (ХТС) есть интегральным, так как объединяет процессы во всех аппаратах (элементах ХТС) и технологических потоках, и наиболее сложным. Детально уровень ХТС рассматривается в разделе 4.48