Окислительно-восстановительные реакции происходят с изменением степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ. При окислении веществ степень окисления элементов возрастает, при восстановлении – понижается.

Первоначально окислением называли только реакции веществ с кислородом, восстановлением – отнятие кислорода. С введением в химию электронных представлений понятие окислительно-восстановительных реакций было распространено на реакции, в которых кислород не участвует.

В неорганической химии окислительно-восстановительные реакции формально могут рассматриваться как перемещение электронов от атома одного реагента (восстановителя) к атому другого (окислителя). При этом окислитель восстанавливается, а восстановитель окисляется. При протекании реакций в гальваническом элементе переход электронов осуществляется по проводнику, соединяющему электроды элемента, и изменение энергии Гиббса в данной реакции может быть превращено в полезную работу. В отличие от реакций ионного обмена окислительно-восстановительные реакции в водных растворах протекают, как правило, не мгновенно.

При окислительно-восстановительных реакциях атомы в высшей степени окисления являются только окислителями, в низшей – только восстановителями; атомы в промежуточной степени окисления в зависимости от типа реакции и условий ее протекания могут быть окислителями или восстановителями. Многие окислительно-восстановительные реакции – каталитические.

Как и любая другая химическая реакция может быть реализована в стандартном реакторе, по правилу одна реакция один аппарат. Аппараты включаются последовательно друг за другом в цепочку.

Измельчение

Измельчение – разрушение твердых тел до требуемых размеров. По размеру (крупности) измельченного продукта различают: грубое (300–100 мм), среднее (100–25 мм) и мелкое (25–1 мм) дробление; грубый (1000–500 мкм), средний (500–100 мкм), тонкий (100–40 мкм) и сверхтонкий ( < 40 мкм) помол. Цель дробления – получение кускового продукта необходимой крупности и гранулометрического, или фракционного, состава, подготовка к помолу. Цель помола – увеличение дисперсности твердого материала, придание ему определенных гранулометрических состава и формы частиц (остроугольные, скатанные, чешуйчатые и т. п.), дезагрегирование. Измельчение способствует: улучшению однородности смесей, ускорению и повышению глубины протекания гетерогенных химических реакций (в производстве минеральных удобрений, ультрамарина и др.); повышению интенсивности сочетаемых с ним других технологических процессов (перемешивание, сушка, обжиг, химические реакции); снижению применяемых температур и давлений (например, при варке стекла); улучшению физическо-механических свойств и структуры материалов и изделий (твердые сплавы, бетон, керамика, огнеупоры и т. п.); повышению красящей способности пигментов и красителей, активности адсорбентов и катализаторов; переработке полимерных композиций, включающих высокодисперсные наполнители (например, сажу, слюду, химические и иные волокна), отходов производства, бракованных и изношенных изделий (резиновые шины, термо- и реактопласты и др.) и т. д. Основные характеристики процесса: изменение дисперсности; степень измельчения – отношение среднего размера кусков (зерен) исходного материала к среднему размеру кусков (зерен, частиц) измельченного продукта; удельные энергетические затраты (в кВт.ч на 1 т продукта).

Операция носит вспомогательный характер, имитируется с помощью аппарата Измельчитель. Имеет физический характер и может быть опущена для упрощения моделирования процесса по согласованию с преподавателем.

Выщелачивание

Выщелачивание – извлечение одного или нескольких компонентов из твердых тел (руд, концентратов, промежуточных продуктов, иногда отходов производства) водным раствором, содержащим щелочь, кислоту или другой реагент, а также с использованием определенных видов бактерий; частный случай экстрагирования из твердой фазы. Обычно выщелачивание сопровождается химической реакцией, в результате которой извлекаемый компонент переходит из формы, не растворимой в воде, в растворимую.

В гидрометаллургических схемах переработки рудного сырья выщелачивание обычно проводят после измельчения руды и ее обогащения. Иногда перед выщелачиванием руды и концентраты обжигают в окислительной атмосфере (на воздухе) или в присутствии добавок (CaO, CaSO₄, H₂SO₄, сульфатов, хлоридов, фторосиликатов и др.), что способствует вскрытию минералов и переводу их в иные, легкорастворимые хим. соединения. Вслед за выщелачиванием. проводят разделение жидкой и твердой фаз путем отстаивания, фильтрации и др. методами.

Как и любая другая химическая реакция может быть реализована в стандартном реакторе, по правилу одна реакция один аппарат. Аппараты включаются последовательно друг за другом в цепочку.

Центрифугирование

Центрифугирование – разделение в поле центробежных сил жидких дисперсных систем с частицами размером более 100 нм. Используют для выделения составляющих фаз (жидкая – фугат или фильтрат, твердая – осадок) из двухкомпонентных (суспензии, эмульсии) и трехкомпонентных (эмульсии, содержащие твердую фазу) систем.

Различают два метода центрифугирования: центробежное осаждение и фильтрование. Центрифугирование проводят в центробежных машинах – центрифугах и жидкостных центробежных сепараторах.

Центробежное осаждение включает осветление, сгущение, а также осадительное центрифугирование. Осветление – удаление твердой фазы из суспензий с содержанием частиц не более 5 % по объему; используют для очистки, например, нефтяных масел. Сгущение – процесс, при котором частицы дисперсной фазы группируются в относительно малом объеме дисперсионной среды; позволяет осуществлять концентрирование суспензий (например, водная суспензия каолина). Осадительное центрифугирование –разделение суспензий с содержанием твердой фазы более 5–10 % по объему; применяют преимущественно для обезвоживания твердых компонентов (например, CaSO₄).

Для центрифугирования применяем аппарат центрифуга, при настройке которого указываем отделяемую твердую фракцию.

Сушка

Сушка – удаление жидкости (чаще всего воды, реже иных жидкостей, напр. летучих органических растворителей) из веществ и материалов тепловыми способами. Осуществляется путем испарения жидкости и отвода образовавшихся паров при подводе к высушиваемому материалу теплоты, чаще всего с помощью так называемых сушильных агентов (нагретый воздух, топочные газы и их смеси с воздухом, инертные газы, перегретый пар). Сушке подвергают влажные тела: твердые – коллоидные, зернистые, порошкообразные, кусковые, гранулированные, листовые, тканые и др. (эта группа высушиваемых материалов наиболее распространена); пастообразные; жидкие – суспензии, эмульсии, растворы.

Цель сушки – улучшение качества веществ и материалов, подготовка их к переработке, использованию, транспортированию и хранению. Данный процесс часто является последней технологической операцией, предшествующей выпуску готового продукта. При этом жидкость предварительно удаляют более дешевыми механическими способами, окончательно – тепловыми.

Вспомогательный процесс, осуществляется в аппарате печь или просто путем задания более высокой температуры потока, может быть опущена по согласованию с преподавателем.

6.10 Обжиг (Прокалка)

Обжиг (прокалка) – термическая обработка материалов с целью направленного изменения их физических свойств и химического состава. При этом исходный материал сначала нагревают до определенной температуры, выдерживают при ней и затем охлаждают с заданной скоростью. Обжиг применяют для термической подготовки руд и их концентратов к послед. переработке, для получения конечных хим. продуктов и изделий (ртути, сурьмы, извести, керамики, эмалей, красок и др.). Различают обжиг с получением порошка и обжиг со спеканием.

При обжиге могут протекать процессы дистилляции, пиролиза, диссоциации, синтеза новых соединений из исходных, спекания, кальцинации (например, разложение NaHCO₃) в сочетании с различными химическими реакциями.

Если обжиг сопровождается химической реакцией, проводим его в стандартном реакторе при повышенной температуре.

Гидролиз

Гидролиз – обменная реакция между веществом и водой. Количественно гидролиз характеризуют константой гидролиза (константой равновесия реакции гидролиза) К_Г и степенью α_г, представляющей собой отношение числа частиц ионов или молекул, подвергшихся гидролизу, к общему числу частиц, введенных в раствор.

При гидролизе солей образуются основания и кислоты. В большинстве случаев это обратимая реакция.

При гидролизе галогенангидридов образуются две кислоты — кислородсодержащая и галогеноводородная; реакция в большинстве случаев идет необратимо.

Гидролиз. органических соединений широко используется для получения спиртов, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот из их производных или галогензамещенных углеводородов.

Гидролиз ускоряется в присутствии кислот и оснований, а также ионов металлов, способных прочно связываться с одним из продуктов и смещать тем самым равновесие реакции.

Подбор соответствующих условий и катализаторов позволяет избирательно расщеплять отдельные связи в молекулах, содержащих несколько группировок, способных гидролизоваться.

Как и любая другая химическая реакция может быть реализована в стандартном реакторе, по правилу одна реакция один аппарат. Аппараты включаются последовательно друг за другом в цепочку.

Библиографический список

1. http://www.xumuk.ru/ – сайт о химии

2. Dipl.-Ing. Wolfgang Schmidt «CHEMCAD 5.0.THE NEW AND QUICK GENERATION OF PROCESS SIMULATION» статья на официальном сайте CHEMCAD http://www.chemstations.net/documents/articles.htm

3. Томаш Гартман «Управление производством: Моделирующая программа ChemCad» – статья в журнале «THE CHEMICAL JOURNAL» http://tcj.ru/no01/page44.html

4. «Компьютерное моделирование энерго- и ресурсосберегающих химических производств» – статья в Международном журнале"Программные продукты и системы" http://nauka2002.ru/programmnye-produkty-i-sistemy-vypusk-4/komputernoe-modelirovanie-energo--i-resursosberegaushih-himicheskih-proizvodstv/6/

5. CHEMCAD, CHEMCAD Batch Version 5.2 User Guide and Tutorial. Официальное руководство пользователя и руководство к обучению.