Изучение химико-технологического процесса позволяет найти оптимальные условия его проведения и интенсификации, улучшить технико-экономические показатели. Одним из главных факторов, обеспечивающих нормальное функционирование процесса, является технологический режим производства, представляющий собой совокупность большого числа технологических параметров.
По общепринятой технологической классификации, основанной на параметрах производства, все химические процессы делятся на: высокотемпературные, низкотемпературные некаталитические, каталитические (проходящие под повышенным или пониженным давлением), электрохимические, биохимические, радиационно-химические, плазмохимические, фотохимические и другие. Здесь за основу классификации выбраны параметры, оказывающие решающее влияние на процесс.
Помимо указанных параметров для подобных процессов большое значение имеет их непрерывность, цикличность и энергоёмкость, а для улучшения технико-экономических показателей процесса очень важным оказывается направление движения материальных и тепловых потоков, агрегатное состояние взаимодействующих веществ, тепловой эффект реакции.
По направлению движения тепловых и материальных потоков в аппаратах различают прямоточные, противоточные процессы и процессы с перекрестным и смешанным током.
В прямоточном процессе тепловые или материальные потоки движутся параллельно друг другу в одном и том же направлении. При наличии разделяющей стенки такой вариант процесса используется для теплообмена, в результате которого более горячий поток охлаждается и отдаёт теплоту более холодному потолку.
При отсутствии разделяющей перегородки прямоток может использоваться как для теплообмена (например, сушка материалов горячими газами), так и для смешивания газов, паров и жидкостей (например, разбавление серной кислоты водой, смешивание аммияка или паров метилового спирта с воздухом перед их окислением на катализаторе). В отдельных случаях смешивание и теплообмен происходят одновременно.
В противоточных процессах тепловые или материальные потоки движутся в противоположных направлениях. Теплообмен через стенку при противотоке протекает более интенсивно, чем при прямотоке. При прочих равных условиях осуществление такого процесса требует меньшей поверхности теплопередачи, что способствует уменьшению габаритов теплообменников, снижению их материалоёмкости.
Противоточное движение потоков без разделяющей их стенки широко используется в технологии для интенсификации таких типовых процессов, как улавливание и очистка газов жидкими и твердыми поглотителями, разделения жидких многокомпонентных смесей ректификацией и экстракцией, очистка и избирательное разделение многокомпонентных и жидких смесей твердыми поглотителями.
Обычно перечисленные процессы совмещаются с процессами теплообмена и проводятся в одном и том же аппарате. Это снижает себестоимость продукции за счет использования более компактного и интенсивного работающего оборудования, способствует сокращению производственных площадей.
В процессах с перекрестным током тепловые и материальные потоки движутся перпендикулярно друг другу.
При смешенном токе один из потоков движется в одном направлении, а другой – как прямотоком, так и противотоком.
Перекрестный и смешанный токи широко используются для интенсификации тепловых процессов, связанных с нагреванием, охлаждением, выпариванием веществ и конденсацией паров.
По агрегатному состоянию все системы взаимодействующих веществ и соответствующие им технологические процессы делятся на гомогенные и гетерогенные. Система – это любая группа веществ, находящихся во взаимодействии, а фаза – совокупность однородных частей системы, одинаковых по составу, химическим и физическим свойствам и отграниченных от других частей поверхностью раздела.
Гомогенными системами называются такие системы, в которых все реагирующие вещества находятся только в какой-либо одной фазе: газовой – Г, жидкой – Ж или твердой Т. В отличие от гомогенных в гетерогенных системах вещества находятся в разных агрегатных состояниях. Например, одно – в газообразном, второе – в жидком, третье – в твердом состоянии. На практике гетерогенные системы отличаются большим разнообразием количества фаз и числа сочетаний между ними. Различают двухфазные гетерогенные системы типа Г – Ж, Г - Т, Т – Т, Ж – Т и несмешивающиеся Ж1 – Ж2 (например, «вода – масло»), а также многофазные системы (например, Г –Ж –Т, Г – Ж – Т1 – Т2 и другие).
В гомогенных системах взаимодействие веществ и реакций между ними происходит обычно быстрее, чем в гетерогенных, из-за отсутствия границы раздела фаз. Наличие границы раздела резко замедляет скорость переходов компонентов из одной фазы в другую.
По тепловому эффекту химические процессы подразделяются на экзотермические и эндотермические.
Экзотермическими процессами называются процессы, при которых теплота выделяется, а эндотермическими – процессы, при которых теплота поглощается.
Обычно тепловой эффект проявляется при сгорании веществ, образовании нового химического соединения, либо изменении агрегатного состояния вещества при его растворении, плавлении, испарении или конденсации. Примером экзотермических процессов может быть конденсация водяного пара, растворение многих ангидридов кислот в воде, сжигание простейших веществ (серы, фосфора) и т.д. Примером эндотермических процессов является получение водяного пара нагреванием воды, выплавка чугуна из руд и т.д.
Отличительной особенностью эндотермических процессов является высокий расход топлива и электроэнергии для подвода теплоты в зону обработки, в то время как экзотермические процессы характеризуются значительным расходом охлаждающего теплоносителя (воды, воздуха и др.) для отвода теплоты. В промышленности большая экономия топлива, охлаждающих теплоносителей и электроэнергии достигается совмещением экзотермических и эндотермических эффектов в одном технологическом процессе.
Многие химические превращения протекают как в прямом, так и в обратном направлении. По этому признаку различают обратимые и необратимые реакции. Необратимые реакции в отличие от обратимых протекают лишь в одном направлении.
Все обратимые реакции стремятся к равновесию, при котором скорости прямого и обратного процессов уравновешиваются. При достижении равновесия суммарная скорость процесса оказывается равной нулю, а соотношение между компонентами – неизменным. Лишь изменением внешних условий, например температуры, давления, концентрации компонентов, можно нарушить равновесие и направить протекание процесса в том или ином направлении до наступления нового равновесного состояния.