Между физическими и химическими явлениями существуют глубокое единство. Молекулярные механизмы, которые приводят к химическим реакциям и таким процессам, как вязкое течение, диффузия, поглощение звука и электромагнитных волн, имеет большую общность [5].
Выбор вида физического воздействия, его характеристик и способ организации процесса химических превращений определяется многочисленными факторами. В общей задаче интенсификации химико-технологических процессов важным является устранение условий, при которых скорость химических реакций лимитируется процессами тепломассообмена. Одним из существенных факторов является агрегатное состояние реагентов, от которого зависит целевая передача энергии воздействия реагирующим молекулам, а также возможность смещения исходных веществ, разделения продуктов реакции и другие процессы [1].
В связи с этим можно выделить процессы в газовых средах, включая сюда и разнообразные аэродисперсивные системы, процессы в жидкостях (в том числе и в электрохимических системах) и процессы в других системах (твердых телах, полимерах и т.п.)
Интенсификация процессов может быть достигнута в результате повышения рабочих температур и давлений, устранения ограничений в передачи энергии от источника в химически реагирующую систему с использованием селективных катализаторов и воздействий, обладающих селективными свойствами, электромагнитного и газодинамического перемешивания веществ и других методов.
Повышение давления в химических процессах, начиная с некоторого уровня, становится нецелесообразным вследствие потерь тепла при неизотермическом сжатии. Повышение температуры до уровня температуры плазмы дает возможность проводить процессы в плазменных теплоносителях; другая группа процессов плазмохимии проходит в электоразрядной плазме.
В газовой фазе могут быть осуществлены разнообразные атомно-молекулярные процессы в результате резонансного взаимодействия индивидуальных молекул с фотонами. Этот круг вопросов рассматривается в фото - и лазерохимии. Однако необходимо отметить ограниченность объема обрабатываемого вещества лазерным лучом. Под действием лазерных излучений могут протекать разнообразнейшие процессы: от бимолекулярных реакций размещения и присоединения до диссоциации молекул на свободные радикалы или нейтральные фрагменты.
В жидкостях при воздействии мощных акустических полей в режиме кавитации происходят сложные физико-химические явления, в результате которых не только ускоряются отдельные химические реакции, но и происходят реакции, не идущие в других условиях.
Воздействие электрическим током в электрохимических производствах составляет основу электролитического производства многих химических продуктов [1].
Действие ионизирующих излучений приводит к многообразным химическим превращениям в газах, водных растворах неорганических и органических соединений, радиационным превращениям органических соединений и их смесей, интенсификации ряда технологических процессов. Эти вопросы относятся к быстроразвивающейся области химической технологии - радиационно-химической технологии.
В промышленной практике наиболее часто используют воздействие тех физических процессов, для которых достаточно хорошо разработаны теоретические основы и созданы технические средства их реализации.
Акустические методы интенсификации охватывают динамические воздействия на системы в виде упругих или квазиупругих колебаний и волн. Воздействия в зависимости от частоты относят к низко- или высокочастотным. В низкочастотном диапазоне, как правило, длина волны больше характерного размера системы или ее представительного структурного элемента л>l, а в высокочастотном - наоборот, л<l.
В качестве условной границы диапазонов чаще принято использовать частотный порог слышимости человеческого уха (15-16 кГц). Колебания ниже этого порога относят к звуковым и инфразвуковым (<1 ГЦ), а выше - к ультразвуковым и гиперзвуковым (>109Гц).
В технике часто вместо термина «колебания» используют термин «вибрация» для колебаний твердых тел и «пульсация» для колебаний жидкостей и газов. Аналогично делят и аппаратуру, реализующие эти колебания, на вибрационную [6] и пульсационную [7]. Подобное терминологическое разграничение весьма условно и далее такие воздействия рассматриваются как низкочастотные механические колебания.
Колебания и волны одной частоты называют гармоническими или, заимствуя термин из оптики, монохроматическими. Гармонические колебания являются теоретической абстракцией, реализуются же колебания и волны, спектр которых лежит в некоторой полосе частот от f1 до f2. Сопоставляя этот спектральный интервал с характерным частотным интервалом чувствительности системы, на которую производится воздействие, его можно отнести к узко- или широкополосному [8].
Акустическое воздействие может иметь модуляцию по амплитуде, частоте, фазе, длительности. Воздействие может быть не только детерминированным, но и носить случайный характер.
Уменьшение длительности воздействия и увеличение его амплитуды, а также ряд других механизмов приводят к появлению ударных волн. С учетом определенной специфики последние выделены в самостоятельную группу.
Электромагнитные методы интенсификации технологических процессов - это методы, в которых в качестве интенсифицируемого фактора служит энергия электромагнитного поля. Классификацию электромагнитных методов можно провести по различным характеристикам поля: временным, частотным, пространственным, силовым и энергетическим.
В зависимости от изменения характеристик поля (напряженности, индукции и других) во времени различают поля статические, квазистатические и переменные.
Статические поля описываются основными законами электро- и магнитостатики. В переменных полях можно выделить случай, когда длины электромагнитных волн много больше характерных размеров системы (л>>l ). Этот случай реализуется на промышленных частотах (в СССР и ряде стран 50 Гц, в США и Японии 60 Гц) и высоких частотах, так называемых токах высокой частоты (ТВЧ); диапазон ТВЧ до 300 МГц. Такие системы описываются в терминах теории электрических цепей с сосредоточенными параметрами.
Когда длина волны становится соизмеримой или меньше характерных размеров системы. Волновым процессом пренебрегать уже нельзя. Подобные системы и воздействия имеют распределенные по пространству характеристики, и электромагнитные волны этого диапазона относят к сверхвысокочастотным (СВЧ). Диапазон СВЧ составляет 0,3-30 ГГц.
К оптическим и радиационным отнесены воздействия электромагнитными волнами с длинами менее 10мм и потоками частиц больших энергий. Это соответствует спектру частот электромагнитных волн, начиная с 1010 Гц. инфракрасной, видимой, ультрафиолетовой области и рентгеновскому излучению, заканчивая гамма-излучением с частотой1019Гц.
В рассматриваемом диапазоне свет проявляет не только волновые свойства (дифракция, интерференция, поляризация и др.), но и квантовые или корпускулярные, такие как фотоэффект, излучение и поглощение атомов и др. В то же время движущиеся частицы проявляют волновые свойства (дифракция электронов). Этот корпускулярно-волновой дуализм материи лежит в основе квантовой механики.
Излучение электромагнитных волн может отличаться от других излучений такой характеристикой, как когерентность. Некогерентным является тепловое излучение нагретых тел и плазмы, когерентное излучение создается оптическими квантовыми генераторами - лазерами.
Радиационные воздействия включают как электромагнитные (рентгеновское и yизлучение), так и корпускулярное излучение (ускоренные электроны, быстрые заряженные частицы). Источниками радиационного воздействия служат радиоактивные изотопы и специальные ускорители частиц [1].
Интенсификация в химической промышленности связана с решением многоплановой комплексной научно-технической проблемы на принципиально новой основе.
Традиционная база для разработки процессов и аппаратов химической технологии сложилась много десятилетий назад и поэтому, как правило, не содержит последних достижений физики и смежных областей техники.
Различные физические воздействия активно используются в нефтепереработке. Они позволяют в значительной степени интенсифицировать химико-технологические процессы и получать результаты, не достижимые при традиционной технологии.
Список литературы
химический технология интенсификация
1. Кардашев Г.А. Физические методы интенсификации процессов химической технологии / Г.А. Кардашев. - М.: Химия, 1990. - 208 с.
2. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии / В.В. Кафаров. - М: Химия, 1985. - 448 с.
3. Половинкин А.И. Автоматизация поискового конструирования / А.И. Половинкин [и др.]; под ред. А. И. Половинкина. - М.: Радио и связь, 1981. - 344 с.
4. Капустин В.М. Конструктору о конструировании атомной техники / В.М. Капустин, Ю.В Махотенко. - М.: Атомиздат, 1981. - 190 с.
5. Шахпаронов М. И. Механизмы быстрых процессов в жидкостях / М.И. Шахпаронов. - М.: Высшая школа, 1980. - 352 с.
6. Городецкий, И. Я. Вибрационные массообменные аппараты / И.Я. Городецкий [и др.]; под ред. В. М. Олевского. - М.: Химия, 1980. - 192 с.
7. Карпачева С.М. Пульсационная аппаратура в химической технологии /
С.М. Карпачева, Б.Е. Рябчиков. - М.: Химия,1983. - 224 с.
8. Кардашев Г.А. Тепломассообменные акустические процессы и аппараты / Г.А. Кардашев, П.Е. Михайлов. - М.: Машиностроение, 1973. - 223 с.