Кимёвий технология Ўзбекистон республикаси олий ва ўрта махсус талим вазирлиги н. Каттаев, М. Мухаммадиев, Х. Мирзохидов

Изотермик реакторлар реакцион хажмнинг барча нукталарида бир хил узгармас хароратга ега бўлади, яьни 27-расмдаги I егри чизикка асосан бундай реакторларнинг бутун реакцион хажми- фазаси вакт бирлигида t_a=t_урт бўлади. (t_урт - уртача харорат). Ишлаб чикариш учун изотермик режимга нисбаттан самарадорли бўлиб, у жараённи оптимал хароратга якинлашиш имкониятини беради ва реакторни афтоматизаторлаш афтоматизациялаш имкониятини яратади.
Изотермик режим аппаратдаги реагентларни каттик аралаштириш ва муаллак турувчи катлам (кайновчи ёки купик катлам) ҳосил килиш йули билан яратилади.
Дастлабки моддаларнинг реакцион бушликка тушиши дархол,
екзотермик реакторларда харорат ортади, ендотермик реакторларда еса пасаяди. Бундай холларда эндотермик эффектни, иссиклик бериш , экзотермик жараёнларни еса ундан иссикликни олиш (чикариш) йули билан коплаш оркалиизотермик режимга якинлаштириш мумкин.Бунда реактор баландлигининг бутун хажмида иссиклик бериш ва олиш интенсивлиги 26-расмдаги эгри чизик буйича узгаради.Экзотермик режим , дастлабки модда ларнинг концентратцияси кам булганда. Масалан, газларни чукур тозалашда, хамда кичик иссиклик эффектига эга булган реокцияларда амал килади.
Политермик реактор деб, реокция иссиклиги жараёндан иссикликнинг олиниши ёки берилиши билан ёки асосий жараён иссиклик эффектига тескари ишорали булган кушимча жараённинг иссиклик эффекти билан ёки асосий жараён иссиклик эффектига тескари ишорали булган кушимча жараённинг иссиклик эффекти билан кисман копланадиган реакторларга айтилади. Политермик реакторларга, реокцион аралашмани аралаштириш даражаси кам булган ва реакцион хажм ичида иссиклик алмаштиргичлари кам булган апаратлар мисол бўлади, масалан, кувирсимон контакт апаратлар, бундай апаратларда экзотермик жараёнларни амалга оширилганда харорат апаратнинг баландлиги Н буйича 2-чи характерли эгри чизик ҳосил килиб узгаради.
Реакцияга киришаётган массанинг массанинг гидродинамик режими буйича. (рагентларнинг аралаштириш даражаси буйича) узлуксиз ишловчи (окимли) реакторлар икки типга булинади: идеал сикиб чикариш ва тулик (идиал) аралаштириш реакторлари.
Идеал сикиб чикариш реакторларининг характерли томони шундаки, реагентлар охисталик билан, аралаштирилиб, яъни тинч оким билан апаратнинг бутун узун буйидан утади.
Шахта типидаги идиал сикиб чикариш реакторининг ишлаш принципи(28 расмда берилган). Бу аппарат ичи буш, узун кувурсимон бўлиб, ичида чанбара урнатилган бўлиб, уларнинг устида каттик донадор модда тулгазилган бўлади. Одатда каттик модданинг баландига аппарат диаметридан катта бўлади. Каттик модда каватида газ утиб у билан реакцияга киришади. Бундай реакторларда дастлабки моддаларнинг концентрацияси аппарат баландлигига томон логорифмик эгри чизик буйича камайиб боради. Купчилик катталитик реокциялар: газогенераторлар, охак ва бошка моддаларни куйдириш печлари, домналар ва бошкалар шундай принципда ишлайди. Экзотермик жараёнларда реакторнинг харорат режими адиабатик бўлади. Насакдкали минораларнинг ишлаш принципи хам суюкликларга газларни суюкликлардан десорбцияланишда юкоридагига якин бўлади.
Идиал сикиб чикакриш кувурсимон апарати политермик режимда ишлайди. Бундай апаратлар эндотермик катталитик жараёнлар учун масалан, метанни сув буги билан конверсиялаб, синтез газ (CO+Н₂) ишлаб чикаришда ишлатилади. Бунда конверсия кувурчалар ичидаги каттализатор юзасида боради, кувурлар орасидаги бушликда эса реакциянинг эндотермик эффектини коплаш учун табий газ ёкилади.
Тулик аралаштириш реакторида апаратга тушган газ ёки суюкликнинг хар кандай элементар хажми дархол реактор хажмининг хамма жойидаги моддалар билан аралашади. Окимнинг гирдоблилиги (турбулентлиги) туфайли (турбулентлик деб, шундай харакатга айтиладики, унда газ ёки сюкликнинг барча массаси бир томонга гирдобсимон харакат килган холда аралашади) аппарат баландлиги ва кундаланг кесимига томон тугри чизикли харакат тезлигига нисбатан, бир неча марта каттадир. Бундай апаратларда реакторнинг бутун хажмида барча моддаларнинг концентратция ва бошка моддага айланинш даражаси, реокция тезлиги, хароратси ва бошка параметрлари бир хил ва охирги холатига тенг бўлади.
Ичида аралаштиргичи булган кайновчи каватли катталитик реакторларда (30-расм) газ ва майда заррачали каттализатор, варракли аралаштиргичнинг таъсири билан биргаликда, кайновчи каватнинг гирдобли харакати туфайли интенсив аралашади.
Суюк фазада аралаштирувчи курилмаси булган реакторларда, тулик аралаштириш режимига етарли даражада якинлашишга эришилади(31-32 расмларга каранг). Каттик моддаларни суюкликларда суспензиясини ҳосил килувчи реакторларда (33- расм) хам юкоридагидек натижага эришиш мумкин. Бундай реакторлар ишлаб чикаришнинг купгина тармокларида кенг кулланилади. Масалан, кимёвий, нефтикимёвий, озик-овкат, саноатларида, хамда рангли металлар, курилиш материаллар ва бошкаларни ишлаб чикаришда аралаштириш ва сикиб чикариш реакторларнинг харорат режимлар таккосланган. 34,б-расмда эса турли типдаги реакторларда дастлабки моддаларнинг тайёр махсулотга айланиш даражасининг вактга богликлиги курсатилган. Изотермик аралаштириш реакторларида(2-чизик)адиабатик идеал сикиб чикариш реакторларига караганда (1-чизик)бошлангич харорат tб хар иккаласида хам бир хил бўлади, жараённинг уртача хароратси анча юкори бўлади. Демак.С.Аррениус тенгламаси (1.28)ёки (1.29) тенгламага мувофик реакциянинг тезлик константаси хароратнинг ортиши Билан экспонентциал ортиб борсада (купайтма шаклида). Реакциянинг тезлик константаси аралаштириш реакторларида эса иссиклик эффекти катта булганда, сикиб чикариш реакторларига караганда куп марта (5-6 марта ) катта булиши мумкин. Реагентларни тулик аралаштириш режимига якин булган саноат реакторларида тупланган совутиш манбаъалари булмаслиги сабабли (одатда сикиб чикариш реакторларида айникса деворида совутиш манбаълари тупланган бўлади ) тезлик константаси кушимча равишда ортади. Бундан ташкари аралаштирганда диффузион каршиликни йукотганлиги сабабли хам тезлик константаси анчагина ортади. Натижада аралаштириш реакторида талаб килинган тайёр махсулотга айланиш даражасига эришиш учун, керак бўладиган реакция вакти τ, сикиб чикариш режимида ишловчи реакторга нисбатан кам булиши мумкин (34(б)- расм).
Аммо аралаштириш реакторларида реакцияга киришаётган моддаларнинг концентрацияси охирги холатга Cg,a тенг, яъни минимал бўлади(Cg - дастлабки концентрация). Демак, тайёр махсулотга айланиш даражаси юкори булган битта реакторда реакциянинг харакатлантирувчи кучи ΔCa сикиб чикариш реакторига нисбатан куп марта кичик булиши мумкин. Шунинг учун битта катта реактор урнига одатда бир неча кетма-кет реакторлар урнатилади (35а- расм), ёки бир корпусга бир неча пагоналар (токчалар ) урнатилади (36-расм). Бунда хар бир реакторда дастлабки моддаларнинг концентрациясини узгариши ва тайёр махсулотга айланиш даражаси унчалик катта булмайди(35б-расм), аммо, тайёр махсулотга айланиш даражаси жами (кетма-кет уланган реакторларнинг хаммасини биргаликда, кушиб хисоблаганда)1-4 синик чизикларда курсатилганидек сикиб чикариш режимидагидан (1-эгри чизик) кам булмайди. Чунки кетма-кет уланган реакторларда реакцион аралашмаларнинг таркиби бир реакторда иккинчисига утган сайин узгариб боради(35а- расм).
Агар битта аралаштириш реакторининг узида тайёр махсулотга айланиш даражасини максимумга кутариш зарурияти тугулса у пайтда жараён tб да (34 расм 2¹-чизиги) ёки 2ва 2¹ чизиклари оралигида кандайдир изотермада утказилади, аммо бунда вакт t¹ a₂ ортади ва реактор хажми V катта бўлади.
Политермик режимда ишловчи сикиб чикариш реакторларнинг иссик алмаштиргичлари аппарат ичида бўлиб (курилиши анча мураккаб) у тайёр махсулотга айланиш даражасини ошириш имкониятини яратади,(3- чизик) аммо барибир изотермадагидан паст (34 расм 2¹-чизиги)бўлади.
Аралаштириш реакторларида реакцияга киришувчи массани аралаштириш учун кушимча энергияда сарфланади, шунинг учун хам улар ΔC нинг камайишидан кура К нинг ортиши катта булгандагина иктисодий нуктаи назардан максадга мувофик бўлади, яъни жараённинг умумий тезлигини олганда, сикиб чикариш реакторларига нисбатан анча юкоридир.
Купчилик ишлаб чикариш реакторлари, реакция махсулотини реагентлар билан кисман, ёки локал (маълум бир жойини) аралаштириш режимида ишлайди, реал яъни амалда ишлатиладиган реакторлар тулик аралаштириш ва идеал сикиб чикариш реакторларининг уртасидаги оралик бир холатни эгаллайди. Бунга мисол килиб : барботажли (каттик аралаштирувчи) апаратлар (37-расм) , суюкликни сатратувчи апаратлар(38- расм) турли хилдаги печлар,(39-40 расмлар) катталитик реакторларни(36-расм) курсатиш мумкин. Ушбу реакторларнинг типлари идеал сикиб чикаришнинг мураккаб математик ва кнетик моделлаш, хамда диффузион моделлаш (жараённинг тезлигига диффузион тормозланишнинг таъсирини хисобга олувчи моделлаш усули) тенгламаларига асосланиб хисобланади.
Турли кимёвий – технологик жараёнларга таъсир этувчи хар хил факторларни тавсифлаб тушунтириб берувчи математик тенгламаларни чикариш ва улардан хисоблашларда хамда жараёнларни ва реакторларни оптималлаштиришда (энг макбул ёки энг яхши натижа берадиган холатга келтириш) фойдаланишга математик моделлаш дейилади. Ишлаб чикаришни комплекс ангоматлаштириш учун нафакат реакторларни балки барча кимёвий – технологик системаларни хисоблаш ва моделлаш зарур.
Кимёвий – технологик система (КТС). Хом ашёни(дастлабки материалларни) кайта ишлаб тайёр махсулотга айлантириш учун физиковий ва кимёвий жараёнлар амалга ошириладиган, узаро таъсиротда яъни бир-бирисига боглик булган апаратларнинг биргаликда хаммасига КТС деб аталади.
Бу бўлимгача кимёвий технологик айланишлар амалга ошадиган алохида апаратлар ва жараёнларни куриб утдик ва уларни интенсивлаш йуллари курсатиб утилди. Амалиётда реал кимёвий ишлаб чикаришлар, хомашёни кайта ишлаб истеъмол махсулотларига ва ишлаб чикариш воситаларига айлантиришга мулжалланган, бир-бириси билан узаро узвий боглик булган бир-канча технологик апаратларнинг умумийлиги яъни биргалигидан иборат бўлади. Бу мураккаб комплекс бўлиб, купчилик холларда апаратлар ишининг оптимал параметрлари бир-бириси билан мос келмайди. Масалан, сульфат кислота ишлаб чикариш жараёни бир неча кетма-кет боскичлардан иборат бўлиб, уларнинг харорат ва гидродинамика шароитлари турлича бўлади:

1. 
   Колчеданни куйдириш кайновчи каватли печларда (тулик аралаштиришга якин режимда) 700^о С хароратда олиб борилади.
   
2. 
   Куйинди газларни тозалаш 30^оС хароратда насадкали минораларда (идиал сикиб чикаришга якин режимда) ва электрофильтрларда амалга оширилади.
   
3. 
   Олтингугур(IV) оксидини, (VI) оксидгача оксидлаш 440-600^оС хароратда контакт апаратларида (масалан, токчали контакт апарати, кайсиким, уни ячейкали модель деб караш мумкин) олиб борилади.
   
4. 
   SO₃ ни абсорбциялашда 50^о С хароратда насадкали минораларда амалга оширилади.
   

Демак, бутун бир ишлаб чикариш корхонасининг оптимал фаолият курсатиши факат битта ёки иккита апаратнинг оптимал ишлаши билангина характерланмайди. Шунинг учун хам технологик жараённинг айрим элементларини текшириш билангина чекланиб колмай, шу билан бир каторда кимёвий технологик системани яхлит(бутунлигича) текшириш зарур.
КТС таркибига кирувчи жараёнлар ва уларга тааллукли апаратларни тартиб билан бирин-кетин характерлаб беришга, технологик схема дейилади.
Ишлаб чикаришнинг кимёвий технологик системаси ва схемасини икки типга: очик занжирли ва циклик (айланма) типга булиш кабул килинган.
Очик занжирли схемадаги апаратлардан реакцияга киришаётган барча компонентлар ёки узаро таъсиротда булган фазолардан бири факат бир марта утади. Агар битта апаратнинг тайёр махсулотга айлантириш даражаси кичик булса , у вактда бир неча бир хил тузилишга эга булган апаратлар кетма-кет ишга туширилади, масалан , реакторлар батареясини курсатиш мумкин (41-расмда КТС очик занжирли схемаси газ фазали жараёнда курсатилган.)
Очик занжирли схема мунозанат шартларига мувофик реакцион аралашмадан тайёр махсулотни ажратиб олмасдан тайёр махсулотга айланиш даражаси юкори булишига эришиш мумкин булганда ишлаб чикаришда кулланилади.
Мувозанат унуми катта булмаган жараёнлар циклик схема буйича амалга оширилади. Бунда реакцион аралашма реакцион зона оркали хар галл утганда тайёр махсулот аралашмадан ажратиб олинади. Жараённинг тезлиги шунинг учун хам катта бўлади.
Циклик система реакцион аралашмани ёки гетероген жараёнда фазолардан бирини токим тайёр махсулотга айланишнинг мулжалланган даражасига эришмагунча бир апаратнинг узига куп марталаб кайта-кайта киритилишини таъминловчи системадир. Циклик схемага мисол килиб аммиак синтезини, мотор ёкилгиси синтезини ва бошкаларни курсатиш мумкин. Бунда бир цикл мобайнида (хом ашё реактор ичидан бир марта утганда) дастлабки модданинг маълум бир кисми тайёр махсулотга айланади, аммо аралашмадан тайёр махсулот ажратиб олингач реакцион аралашма яна реакторга кайтариб критилади. (чикариб юборилмайди) бу жараён дастлабки модданинг амалда хаммаси тайёр махсулотга айлангунча давом этади. Циркуляцияланувчи (айланиб келувчи) аралашмага бир цикл мобайнида тайёр махсулотга айланиш учун сарф булган хом ашёга тенг микдорда тоза хом Аше кушилади.
Курама технологик система хам кулланилади. Бунда реакцияга киришаётган фазаларда бири навбат билан аппаратлардан бир марта утади, бошкалари эса системанинг баъзи апаратлари оркали циркуляцияланади яъни кайта-кайта утказилади. Саноат ишлаб чикариши тараккиётининг асосий йуналишларидан бири циклик КТС ни ишлаб чикишдир, кайсиким, бу система очик занжирли системага нисбатан анча ихчам, кам капитал маблаг талаб килади ва чикиндисиз ишлаб чикаришга якинлашишга имкон беради. Аммо, асосий дастлабки моддаларнинг концентрацияси кам булганла иктисодий нуктаи назардан очик занжирли система афзал хисобланади.