Воздух и вода в химической промышленности

Использование воздуха.

Воздух в химической промышленности применяют в основном как сырье или как реагент в технологических процессах, а также для энергетических целей. Технологическое применение воздуха обусловлено химическим составом атмосферного воздуха: сухой, чистый воздух содержит азота 78.1%, кислорода 20.93%, аргона 0.93%, диокисда углерода 0.03% и незначительные количества гелия, ксенона, неона, криптона, водорода и др.

Чаще всего используют кислород воздуха в качестве окислителя: окислительный обжиг сульфатных руд цветных металлов, серосодержащего сырья при получении диоксида серы в сернокислотном, целлюлозно-бумажном производствах, неполное окисление углеводородов при получении альдегидов, кислот и др.

Кислород, выделяемый ректификацией жидкого воздуха, в больших количествах расходуется для кислородной плавки металлов, в доменном процессе и т.п.; при ректификации получают также азот и инертные газы, в основном, аргон. Азот используют в качестве сырья в производстве синтетического аммиака и других азотсодержащих веществ и как инертный газ.

Воздух, применяемый в качестве реагента, подвергается в зависимости от характера производства, очистке от пыли, влаги и контактных ядов.

Энергетическое применение воздуха связано, прежде всего, использованием кислорода, как окислителя для получения тепловой энергии при сжигании различных топлив. Воздух используется также как хладагент при охлаждении газов и жидкостей через теплообменные поверхности холодильников или в аппаратах прямого контакта. В других случаях нагретый воздух используется как теплоноситель для нагрева газов или жидкостей.

Использование воды, свойства воды.

Химическая промышленность – крупный потребитель воды. Вода используется почти во всех химических производствах для разнообразных целей. На отдельных химических предприятиях потребление воды достигает 1млн м3 в сутки. Превращение воды в один из важнейших элементов химического производства объясняется:

  • наличием комплекса ценных свойств (высокая теплоемкость, малая вязкость, низкая температура кипения);
  • доступностью и дешевизной (затраты исключительно на извлечение и очистку);
  • не токсичностью;
  • удобством использования в производстве и транспортировке.

В химической промышленности вода используется в следующих направлениях:

1. Для технологических целей в качестве

  • – растворителя твердых, жидких и газообразных веществ;
  • – среды для осуществления физических и механических процессов (флотация, транспортировка твердых материалов в виде пульпы);
  • – промывной жидкости для газов;
  • – экстрагента и абсорбента различных веществ.

2. Как теплоноситель (в виде горячей воды и пара) и хладагент для обогрева и охлаждения аппаратуры.

3. В качестве сырья и реагента для производства различной химической продукции (водорода, ацетилена, серной и азотной кислот).

Воды морей и океанов – источники сырья для добычи многих химических веществ: из них извлекаются NaCl, MgCl2, Br, I и др. продукты. Так, например, содержание элементов в водах океана составляет: К–3.8 *10-2%, V– 5*10-8%, Au –4*10-10%, Ag–5*10-9%. Приняв массу воды на планете–1.4*1018, получим соответственно содержание в ней Au– 5.6*106т.

Масштабы потребления воды химической промышленностью зависят от типа производства. Так, расходный коэффициент по воде (м3/т продукции) составляет: для азотной кислоты–200, аммиака–1500, синтетического каучука–1600. Например, завод капронового волокна расходует такое же количество воды, как город с населением 400тыс. человек. Общее количество воды на Земле составляет 1.386* 1018м3.

Природную воду принято делить на 3 вида, сильно различающихся по наличию примесей:

Атмосферная вода – вода дождевых и снеговых осадков, содержит минимальное количество примесей, главным образом, растворенные газы СО2, О2 Н2S, а в промышленных районах NOх, SОх. Почти не содержит растворенные соли.

Поверхностная вода – речные, озерные, морские воды, содержит различные минеральные и органические вещества, природа и концентрация которых зависят от климата, геоморфологических и гидротехнических мероприятий.

Подземная вода вода артезианских скважин, колодцев, ключей, гейзеров. Для нее характерно высокое содержание минеральных солей, выщелачиваемых из почвы и осадочных пород и малое содержание органических веществ.

Морская вода представляет многокомпонентный раствор электролитов и содержит все элементы, входящие в состав литосферы.

Вода, используемая в химической промышленности должна удовлетворять по качеству определенным требованиям. Качество воды определяется совокупностью физических и химических характеристик, к которым относятся: цвет, прозрачность, запах, общее солесодержание, жесткость, рН, окисляемость. Для промышленных вод важнейшими из этих характеристик являются солесодержание, жесткость, рН, содержание взвешенных веществ.

Жесткостьюназывается свойство воды, обусловленное присутствием в ней солей Са и Мg. В зависимости от природы анионов различают временную жесткость (устранимую, карбонатную), удаляемую при кипячении–Жв и постоянную (некарбонатную) – Жп. Сумма Жв и Жп называется общей жесткостью воды

Жо = Жв + Жп (1.2.4)

Принята следующая классификация вод по жесткости: мягкая (Са и Мg до 3 мгэкв/л), умеренно-жесткая(3-6 мгэкв/л) и жесткая (более 6 мгэкв/л).

Общее солесодержание или сухой остаток – это масса вещества, остающаяся после испарения воды и высушивания полученного остатка при 105-1100С в виде минеральных и органических примесей.В зависимости от солесодержания природные воды делятся на пресные (с/с менее 1г/кг), солоноватые (с/с от 1 до 10 г/кг) и соленые (с/с более 10г/кг.

Окисляемость воды обусловлена наличием в воде органических примесей и выражается массой кислорода, расходуемого на окисление веществ, содержащихся в 1кг воды.

Реакция воды – кислотность и щелочность воды определяются концентрацией ионов водорода или значением рН.

Водооборотные циклы химико-технологических производств являются важным фактором рационального использования водных ресурсов. В этих циклах осуществляется многократное использование воды без выброса загрязненных стоков в водоемы, а потребление свежей воды для ее восполнения ограничено только технологическими превращениями и естественными потерями.

Промышленная водоподготовка

Вредное влияние примесей, содержащихся в промышленной воде, зависит от их химической природы, концентрации, дисперсного состояния, а также технологии конкретного производства использования воды. Все вещества, присутствующие в воде, могут находиться в виде истинного раствора (соли, газы, некоторые органические соединения в коллоидном состоянии) и во взвешенном состоянии (глинистые, песчаные, известковые частицы).

Растворенные в воде вещества образуют при нагревании накипь на стенках аппаратуры и вызывают коррозионное разрушение ее. Коллоидные примеси вызывают загрязнение диафрагмы электролизеров, вспенивание воды. Грубодисперсные взвеси засоряют трубопроводы, снижают их производительность, могут вызвать их закупорку. Все это вызывает необходимость предварительной подготовки воды, поступающей на производство– водоподготовку.

Промышленная водоподготовка представляет собой комплекс операций, обеспечивающих очистку воды – удаление из нее вредных примесей, находящихся в молекулярно-растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии. Основные операции водоподготовки: очистка от взвешенных веществ отстаиванием и фильтрованием, умягчение, в отдельных случаях – обесцвечивание, нейтрализация, дегазация и обеззараживание.

Процесс отстаивания позволяет осветлять воду вследствие удаления из нее грубодисперсных веществ, оседающих под действием силы тяжести на дно отстойника. Отстаивание воды проводится в непрерывно- действующих отстойных бетонированных резервуарах. Для достижения полноты осветления и обесцвечивания декантируемую из отстойника воду подвергают коагуляции с последующим фильтрованием.

Коагуляция – высокоэффективный процесс разделения гетерогенных систем, в частности, выделение из воды мельчайших глинистых частиц и белковых веществ. Осуществляют коагуляцию введением в очищаемую воду небольших количеств электролитов Al2(SO4)3, FeSO4 и др. соединений, называемых коагулянтами.

Обеззараживаниеводы обеспечивается ее хлорированием или озонированием.

Дегазация – удаление из воды растворенных газов достигается химическим способом, при котором газы поглощаются химическими реагентами, например, в случае диоксида углерода:

СО2 + Са(ОН)2 = СаСО3 2О

или физическими способами – термической деаэрацией на воздухе или в вакууме.

Одной из основных и обязательных операций водоподготовки технологической воды является ее умягчение.

Умягчением называется обработка воды для понижения ее жесткости, т.е. уменьшения концентрации ионов кальция и магния различными физическими, химическими и физико-химическими методами.

При физическом методе воду нагревают до кипения, в результате чего растворимые гидрокарбонаты кальция и магния превращаются в их карбонаты, выпадающие в осадок:

Са(НСО3)2 = СаСО3 + Н2О +СО2

Этим методом удаляется только временная жесткость.

К химическим методам умягчения относятся фосфатный и известково-содовый, заключающийся в обработке тринатрийфосфатом или смесью гидроксида кальция и карбоната натрия. В первом случае протекает реакция образования нерастворимого трикальцийфосфата, выпадающего в осадок:

3СаSO4 + 2Na3PO4 = 3Na2SO4 + Ca3(PO4) 2

Во втором случае протекают две реакции. Бикарбонаты кальция и магния реагируют с гидроксидом кальция, чем устраняется временная жесткость:

Са(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2CaCO3 +2H2O

а сульфаты, нитраты и хлориды – с карбонатом натрия, чем устраняется постоянная жесткость:

СаSO4 + Na2CO3 = CaCO3 +Na2SO4

Обессоливание применяется в тех производствах, где к воде предъявляются особо жесткие требования по чистоте, например, при получении полупроводниковых материалов, химически чистых реактивов, фармацевтических препаратов. Обессоливание воды достигается методом ионного обмена, дистилляцией, электродиализом.

Метод ионного обмена основан на свойстве некоторых твердых тел (ионитов) поглощать из раствора ионы в обмен на эквивалентное количество других ионов того же знака. Иониты подразделяются на катиониты и аниониты. Катиониты содержат подвижные катионы натрия или водорода, а аниониты подвижные ионы гидроксила. В качестве катионитов применяют сульфоугли, алюмосиликаты, искусственные смолы, в качестве анионитов исскуственные смолы.

Соответственно процессы ионного обмена подразделяются на Н(Na)- катионирование, например:

Na2(Кат) + Са(НСО3)2= Са(Кат)2 +Na2CO3

и анионирование, например:

Ан(ОН)+ НСl +Н2О ↔(Ан)Сl +Н2О

где (Кат) и (Ан) – не участвующая в обмене матрица ионита.

Поскольку процесс ионного обмена обратим, установление равновесия в системе означает прекращение процесса обессоливания. Поглощающая способность ионита характеризуется его обменной емкостью, равной количеству ионов кальция и магния, которое может поглотить единица объема или массы ионита, выраженное грамм-эквивалентах: гэкв/м3 и гэкв/кг. От величины обменной емкости при данном объеме ионита зависит время рабочего цикла ионитовых фильтров. При насыщении ионита он может быть регенерирован промывкой растворами: для Н-катионитов – кислоты, Na-катионитов – хлорида натрия и для анионитов – раствором щелочи. В приведенных выше примерах работы анионитов при этом протекают реакции:

Са(Кат) + 2NaCl = Na2(Кат) + CaCl и (Ан)Cl + KOH = (Ан)ОН + КСl

Полное обессоливание воды обеспечивается ее дистилляцией (термическое обессоливание) обычно после того, как вода предварительно очистится с помощью ионитовых фильтров.

Вода последовательно проходит через катионитный и анионитный фильтры и поступает, распыляясь в дегазатор, где из нее удаляются растворенные диоксид углерода, кислород и другие газы. Для регенерации катионита в фильтр периодически подается кислота или раствор хлорида натрия, для регенерации анионита – раствор щелочи.

Электродиализом называется процесс диализа под воздействием электрического поля. При этом выделение солей из диализуемого раствора происходит в результате перемещения ионов через пористые мембраны, содержащие катионит у катода и анионит у анода, с последующим их разрядом на электродах.

Водоподготовка в химическом производстве представляет весьма трудоемкий процесс и требует больших капитальных и эксплуатационных затрат. На современных химических предприятиях доля капитальных затрат на водоподготовку составляет 10-15% общего объема расходов на производство химической продукции.

Современные схемы промышленной водоподготовки включают все основные операции: осветление в грубых и коагуляционных отстойниках, фильтрование через зернистый материал, умягчение методом ионного обмена, дегазацию.

Использование энергии в химической промышленности

В химической промышленности протекают разнообразные процессы, связанные или с выделением, или с затратой, или с взаимными превращениями энергии. В химической технологии процессы протекают как с выделением тепла – экзотермические реакции, так и с поглощением тепла –эндотермические реакции. Если реакция идет с выделением тепла и для поддержания температурных условий процесса используется тепло самой реакции, то такой процесс называется автотермическим. Например, окисление SО2 в SО3 идет по реакции

2SО2 2 =2SО3 +Q

Тепла, выделяемого при этом, достаточно для того, чтобы поддерживать в контактном аппарате необходимую температуру. Но многие экзотермические реакции протекают с недостаточным выделением тепла, необходимого для автотермичности процесса, и поэтому требуется дополнительный расход тепла.

Эндотермические реакции протекают с затратой тепла, взятого со стороны, причем расход этот часто бывает весьма значительным

Энергия затрачивается не только на проведение химических реакций, но и на осуществление вспомогательных операций – транспортировку материалов, измельчение, фильтрацию, сжатие газов и т. п. Поэтому все химические предприятия – потребители энергии. Показателем энергоемкости химического производства является расход энергии на единицу получаемой продукции. Определяется он количеством кВт/ч, ккал, кДж или же количеством топлива (т, кг, м3), затраченных на производство весовых или объемных единиц продукта, например, кВт*ч/т, т/т, кг/м3 и т.п. Расход энергии на получение различных химических продуктов не одинаков, имеются производства с высокой и низкой энергоемкостью. На химических предприятиях применяются различные виды энергии.

Электрическая применяется для проведения электрохимических (электролиз растворов и расплавов), электротермических (плавление, нагревание, синтез при высокой температуре), электромагнитных процессов. Широко используется превращение электрической энергии в механическую, необходимую для физических операций: измельчение, смешение, центрифугирование, работы вентиляторов, компрессоров. Средний расход электрической энергии на производство некоторых видов продукции: серной кислоты – 60-100кВт*ч/т, аммиачной селитры –7-15, суперфосфата – 2-10, аммиака – 2300-3500, фосфора –13000-20000кВт*ч/т. Источником электрической энергии являются энергия воды на ГЭС и превращение тепловой энергии в механическую, и затем механическую в электрическую, тепловые и атомные электростанции, электростатические превращения механической энергии в электрическую.

Тепловая энергия применяется для осуществления разнообразных физических процессов, не сопровождающихся химическими реакциями (нагревание, плавление, сушка, выпарка, дистилляция) и для нагрева реагентов при проведении химических реакций. Источником тепловой энергии служат топлива, при сжигании которых получаются топочные газы. Они используются или непосредственно как теплоносители или для получения пара и других теплоносителей. Например, средний расход пара при получении аммиачной селитры составляет 0.1 Мкал/т, едкого натра – 4.0Мкал/т, сульфата аммония –1.75 Мкал/т.

Внутриядерная энергия – энергия, выделяемая при различных превращениях атомных ядер или при синтезе ядер водорода в ядра гелия.

Химическая энергия используется в гальванических элементах и аккумуляторах, где она превращается в электрическую.

Световая энергия применяется для реализации фотохимических реакций, синтеза хлористого водорода из элементов.

Вторичные энергоресурсы (ВЭР), представляют собой энергетические отходы или побочные продукты производства – отходящие газы, жидкости, пар.

Источники энергии, используемые на химических предприятиях, могут быть различными.

Из всей потребляемой химической промышленностью энергии 40% составляет электрическая, 50%–тепловая, 10% –топливная.

Основным источником энергии, потребляемой химической промышленностью, являются горючие ископаемые и продукты их переработки, энергия воды, биомасса и ядерное топливо. Энергетическая ценность отдельных источников энергии определяется количеством энергии, которое можно получить при их использовании. Для топлива она характеризуется количеством кВт* ч, получаемых при полном использовании теплоты сгорания 1кг или 1м3 топлива. Например, каменного угля – 8 кВтч/кг, природного газа –10 кВтч/кг. Все энергетические ресурсы подразделяются на первичные и вторичные, возобновляемые и не возобновляемые, топливные и не топливные.

Важнейшим источником энергии является химическое топливо (ископаемые угли, торф, нефтепродукты, природный газ, технические газы), составляющее в балансе энергоресурсов химической промышленности до 70%. Структура потребления химического топлива: газ – 19.4%, твердое топливо – 30.9%, нефтепродукты – 47.2%.

Второе место по масштабам энергетического вклада занимает гидроэнергия ГЭС и ядерная энергия АЭС.

Основные принципы энергосберегающей технологии в химических производствах сводятся к совершенствованию технологи, улучшению использования энергоресурсов. Решение задач совершенствования технологии с целью энергосбережения можно разделить на следующие конкретные направления: выбор оптимального вида сырья; применение более эффективных катализаторов; использование менее энергоемких методов выделения готовой продукции; применение энерготехнологического комбинирования и энергосберегающего оборудования и улучшение его эксплуатации.

Влияние качества сырья на расход энергии заключается в том, что в химической промышленности один и тот же конечный продукт может быть получен из различных видов сырья. А каждая схема производства характеризуется своим расходом энергоресурсов. Так, при получении аммиака на основе газификации полукокса расход электроэнергии составляет 1780 кВт*час на 1т азота, а при применении природного газа -100 кВт*час на 1 т.

Повышение активности катализатора, его избирательности и стабильности приводит к понижению энергозатрат.

Тепло газообразных продуктов реакции или отходящих газов может быть использовано для предварительного нагрева материалов, поступающих в реакционные аппараты или для получения пара, необходимого в производстве. Для этой цели служат теплообменники, называемые рекуператорами и регенераторами тепла, и котлы-утилизаторы. В рекуператорах тепло отходящих газов передается газам, поступающим в реакционный аппарат, через стенку труб.

Котлы-утилизаторы применяют в тех случаях, когда тепло отходящих газов используется для получения пара.