§3. Швидкість і рівновага хіміко-технологічних процесів

Любий технологічний процес може протікати лише в певному технологічному режимі, який визначається сукупністю основних параметрів. Вони впливають на швидкість процесу, на вихід і якість готового продукту та інші показники. Кожному технологічному процесу властиві свої параметри. Для хіміко-технологічних процесів це температура, тиск, концентрація реагуючих речовин, каталізаторі його активність, спосіб і ступінь перемішування реагентів та ін. Для фізичних і механічних процесів основними параметрами є рідинотекучість, оброблюваність, зварюваність, подрібнюваність, ріжучі властивості інструменту та ін.

Параметри технологічних процесів визначають принцип конструювання відповідних апаратів, обладнання, вибір інструментів, способів впливу на сировину та ін. Всі вони взаємопов'язані і визначають один одного. Проте не всі параметри потрібно брати до уваги при проектуванні процесу. Вибирають основні.

Важливою характеристикою любого технологічного процесу є його швидкість. Вона визначається продуктивністю апаратів і їх кількістю в технологічній схемі. Якщо представити технологічний процес у вигляді трьох стадій — підведення реагуючих речовин в зону реакції, хімічна реакція і відведення із зони реакції одержаного продукту — то сумарна швидкість процесу визначається швидкостями цих стадій. Загальна швидкість такого процесу визначається швидкістю його найповільнішої стадії. Через те на практиці для прискорення любого технологічного чи виробничого процесу в першу чергу інтенсифікують швидкість найповільнішої стадії.

Хімічні реакції складають основу хіміко-технологічних процесів і відзначаються величезною різноманітністю фазового стану реагентів, умовами і механізмом протікання. Звичайно, хімічні перетворення речовин — це хімічні реакції, що ведуть до утворення основних і побічних продуктів. При оцінці швидкості взаємодії речовин враховуються не всі реакції, а лише ті, які мають відповідний вплив на якість і кількість одержуваних продуктів.

Багато хімічних перетворень протікають як в прямому так і в зворотному напрямках, що ускладнює оцінку швидкості процесу. За цією ознакою хіміко-технологічні процеси бувають зворотні і незворотні. Незворотні процеси протікають лише в одному напрямі, тобто утворюється кінцевий продукт не здатний розкладатися на вихідні речовини.

Всі зворотні процеси прямують до рівноваги, при якій швидкість прямого процесу (реакції) рівна швидкості зворотного процесу. При досягненні рівноваги сумарна швидкість процесу рівна нулю, а співвідношення між компонентами є незмінним. Лише зміною зовнішніх умов (температури, тиску, концентрації компонентів) можна порушити рівновагу і в системі відновляться процеси, доки не настане рівновага в нових умовах,

Напрямок змін у системі визначається принципом Ле-Шательє, згідно з яким у системі, виведеній із стану рівноваги, відбуваються зміни, спрямовані до послаблення дій, що виводять систему із рівноваги.

Так, наприклад, якщо зворотна реакція типу протікає із виділенням тепла, то відповідно до принципу Ле-Шательє для зрушення рівноваги вправо необхідно: знижувати температуру (відводити тепло), так як процес екзотермічний; підвищувати тиск, так як гомогенний процес в газовій фазі протікає із зменшенням об'єму (із 4 молекул азотоводневої суміші одержується 2 молекули аміаку), зменшувати концентрацію аміаку в системі (безперервно відводити аміак із зони реакції); підвищувати концентрацію азоту і водню.

Кількісно рівновага технологічних процесів вимірюється константою рівноваги, яка визначається відношенням константи швидкості прямої реакції до константи швидкості зворотної реакції. Звичайно константи рівноваги визначають дослідним шляхом або вибирають у спеціальних довідниках.

Як відомо, швидкість хіміко-технологічного процесу являє собою сумарну швидкість прямої, зворотної та побічних реакцій, а для гетерогенних процесів — також швидкість транспортування (дифузії) вихідних речовин у зону реакції та продуктів із зони. За цією ознакою розрізняють дифузійну, кінетичну та перехідну області. Для інтенсифікації процесу в цілому треба збільшити швидкість дифузії або хімічної реакції.

Високотемпературні процеси

Високотемпературними називають такі процеси, для яких основним режимом протікання є підвищена температура. Високотемпературні процеси є найбільш старими. Вони використовуються в металургії, в хімічній промисловості, промисловості будівельних матеріалів. До високотемпературних належать процеси термічної і хіміко-термічної обробки заготовок і деталей.

Регулювання температурного режиму — найбільш важливий і універсальний засіб збільшення швидкості процесу і підвищення виходу готового продукту. Більшість високотемпературних процесів протікають при температурах більше 90()°С. Проте є такі процеси, які протікають при значно нижчих температурах (300... 500°О, але їх відносять до високотемпературних, оскільки температура о головним фактором інтенсифікації цих процесів для одержання максимального виходу готового продукту з високими техніко-економічними показниками (перегонка нафти, деревини, напівкоксування та ін.).

Високотемпературні процеси доступні. легкі в управлінні, універсальні. Для їх протікання використовують печі різних конструкцій.