Лекции химическая технология. Курс лекций 3 Введение
 Скачать 1.06 Mb.
|
|
мягкую (Ж о < 2), среднюю (Ж о = 2 ÷ 10), жѐсткую (Ж о > 10) (в г/л). Окисляемость воды – масса кислорода (в мг/л), необходимая для окисления веществ, присутствующих в ней, обуславливается, в основном, наличием органических веществ и лишь в незначительной степени – быстроокисляющихся соединений железа, сероводорода, нитритов. Активная реакция воды, т.е. степень еѐ кислотности или щѐлочности, характеризуется концентрацией водородных ионов или значением рН. При рН = 7 вода считается нейтральной, при рН < 7 – кислой, при рН > 7 – щелочной. Обычно для большинства природных вод рН изменяется от 6,5 до 8,5. На химических предприятиях используют различную воду: речную, артезианскую, фильтрованную, коагулированную, охлаждѐнную, частично или полностью обессоленную, питьевую. Осветление воды осуществляется в основном методами осаждения примесей, выделяющихся из воды в виде осадка. Эти методы называются также реагентными, так как для выделения примесей воду вводятся специальные реагенты. К процессам осаждения, применяемым для осветления воды, относятся коагуляция, известкование и магнезиальное обескремнивание. Под коагуляцией понимают физико-химический процесс слипания коллоидных частиц и образования грубодисперсной микрофазы (флокул) с последующим еѐ осаждением. В качестве реагентов, называемых коагулянтами, обычно применяют сульфаты алюминия А1 2 (SО 4 ) 3 и железа FeSО 4 Известкование водыпроизводится для снижения бикарбонатной щѐлочности воды. Одновременно с этим уменьшаются жѐсткость, солесодержание, концентрация грубодисперсных примесей, соединений железа и кремниевой кислоты. Умягчением воды называется еѐ очистка от кальция и магния, создающих жѐсткость воды. Одним из наиболее эффективных способов умягчения воды является известковосодовый в сочетании с фосфатным. Процесс умягчения основывается на следующих реакциях: 1. Обработка гашѐной известью для устранения временной жѐсткости, удаления ионов железа и связывание СО 2 : Са(НСОз) 2 + Са(ОН) 2 → 2СаСО 3 ↓ + 2Н 2 О Мg(НСОз) 2 + 2Са(ОН) 2 → 2СаСО 3 ↓ + Мg(ОН) 2 ↓ + 2Н 2 О FеSО 4 + Са(ОН) 2 → Fе(ОН) 2 ↓ + СаSО 4 ↓ СО 2 + Са(ОН) 2 → СаСО 3 ↓ + Н 2 О 2. Обработка кальцинированной содой для устранения постоянной жесткости: 46 4 2 4 CaSO MgCl MgSO + 3 2 CO Na 4 2 3 3 4 2 3 2 SO Na CaCO NaCl MgCO SO Na MgCO 3. Обработка тринатрийфосфатом для более полного осаждения катионов Са 2+ и Мg 2+ : 3Са(НСО 3 ) 2 + 2Nа 3 РО 4 → Ca 3 (PO 4 ) 2 ↓ + 6NaHCO 3 3МgС1 2 + 2Nа 3 PO 4 → Мg 3 (PO 4 ) 2 ↓ + 6NaCl Растворимость фосфатов кальция и магния ничтожно мала, что обеспечивает высокую эффективность фосфатного метода. 7.7 Метод ионного обмена В настоящее время для умягчения, обессоливания и обескремнивания воды широко применяется метод ионного обмена. Его сущность состоит в том, что твѐрдое тело – ионит, поглощает из раствора электролита положительные или отрицательные ионы в обмен на эквивалентное количество других, одноимѐнно заряженных ионов. В соответствии со знаком заряда обменивающихся ионов различают катиониты и аниониты. Катиониты – нерастворимые в воде вещества, представляющие собой соли или кислоты с анионом, обуславливающим нерастворимость в воде. Аниониты – основания или соли с нерастворимым катионом. Аниониты содержат подвижную гидроксильную группу (ОН- аниониты). Важной характеристикой ионитов является обменная ѐмкость, показывающая способность ионита поглощать определенное количество ионов в данных условиях. Обменная ѐмкость определяет продолжительность рабочего цикла ионитовых фильтров. При достижении заданного предела обменной ѐмкости ионита проводят процесс его восстановления (ионный обмен, проводимый в обратном порядке). В основе катионного процесса умягчения лежат реакции обмена ионов натрия и водорода катионитов на ионы Са 2+ и Мg 2+ . Обмен ионов натрия называется Nа - катионированием, а ионов водорода - Н-катионированием: 2R/Na + + Ca 2+ ↔ R 2 /Ca 2+ + 2Na + 2R/Nа + + Мg 2+ ↔ R 2 /Mg 2+ + 2Na + где R - комплекс матрицы и функциональной группы без ионного обмена (его принято считать одновалентным). Обмен катионов при Н-катионировании протекает согласно реакциям: 2R/Na + + Ca 2+ ↔ R 2 /Ca 2+ + 2H + 2R/Nа + + Мg 2+ ↔ R 2 /Mg 2+ + 2H + R/H + + Na + ↔ R/Na + + H + При достижении катионитами заданного предела обменной ѐмкости их регенерируют промывкой раствором NаСl или кислоты Н 2 SO 4 Важная часть комплексного технологического процесса водоподготовки – удаление из воды растворѐнных газов. Наличие газов в воде объясняется их сорбцией и протеканием химических реакций в процессе различных стадий очистки. Основной способ удаления из воды растворѐнных газов – десорбция (термическая деаэрация).Принцип еѐ заключается в создании контакта воды с паром, в котором парциальное давление газа, удаляемого из воды, близко к нулю, что является необходимым условием десорбции. Этот процесс осуществляется в основном в деаэраторах (вакуумы), атмосферных, постоянного давления, которые по способу распределения воды и пара разделяются на струйные, плѐночные и барботажные. Интервал рабочего давления в вакуумных деаэраторах составляет 0,0075-0,05 МПа. 47 Для получения дистиллята, необходимого для производства химически чистых реактивов, лекарственных препаратов, применяется термическое обессоливание воды с помощью испарителей кипящего типа. При этом дистиллят производят в основном из воды, предварительно умягченной на ионитовых фильтрах. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 1.По каким признакам классифицируют сырьѐ химической промышленности? 2.Что такое вторичные материальные ресурсы? 3.Что такое обогащение сырья и зачем его выполняют? 4.Что является характерными особенностями химического производства? 5.Что такое сырьѐ? Какие виды сырья Вы знаете? 6.Для каких целей используются в химической технологии вода и воздух? 7.По каким признакам классифицируют природные воды? 48 Лекция 8 ВАЖНЕЙШИЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ПРОИЗВОДСТВА 8.1. Сырьевая база В синтезах сложных органических соединений различают исходные вещества, промежуточные продукты (полупродукты) и готовый продукт. Исходные вещества – простые углеводороды: метан, этилен, ацетилен, бензол, являющиеся основным сырьѐм органического синтеза, получаются при химической переработке газообразных, жидких и твѐрдых видов топлива. Полупродукты: окись этилена, фенол, нитробензол – образуются в результате предварительной химической обработки исходных веществ и в свою очередь могут служить сырьѐм для получения более сложных органических веществ. Связь исходного сырья можно представить схемой: ИСХОДНОЕ СЫРЬЁ → ПОЛУПРОДУКТ I → ПОЛУПРОДУКТ II → ПОЛПРОДУКТ III → ГОТОВЫЙ ПРОДУКТ Продукт нефтехимической и коксобензольной промышленности – бензол служит хорошим растворителем жиров, смол, каучука, серы. В тоже время он представляет собой исходное сырьѐ для получения нитробензола, анилина, хлорбензола, фенола, стирола и других химических продуктов и полупродуктов, используемых для изготовления красителей, синтетического каучука, пластмасс, лаков, фармацевтических препаратов. Из продукта окисления этилена окиси этилена, получают этиленгликоль, уксусный альдегид, диоксан, стирол и на их основе – синтетические смолы, каучуки, пластмассы, лаки, волокна, моющие средства и другие промышленные продукты. В настоящее время промышленность органического синтеза использует следующие основные виды сырья: природные и попутные газы; газообразные и жидкие углеводороды, получаемые при перегонке нефти, крекинге и пиролизе нефтепродуктов; твѐрдые парафиновые углеводороды и тяжѐлые нефтяные остатки; коксовый и сланцевый газы. Для органического синтеза в больших количествах используются и неорганические соединения: кислоты, щѐлочи, сода, хлор, без которых невозможно осуществление многих процессов. Как правило, любое сырьѐ необходимо предварительно очистить от влаги, механических примесей, сернистых соединений и других примесей и разделить, выделив индивидуальные углеводороды. Таким образом, получают очищенное сырьѐ, из которого дальнейшей переработкой можно получить те или иные полупродукты и целевые продукты. Используя разнообразные методы разделения исходных материалов, а также наиболее современные процессы их переработки, получают важнейшие соединения, являющиеся непосредственным сырьѐм органического синтеза: синтез-газ (смесь СО и водорода); насыщенные алифатические углеводороды (от метана до пентана); индивидуальные моноолефины (от С 2 и выше) и их смеси; диолефины: бутадиен, изопрен; ацетилен; ароматические углеводороды: бензол, толуол, ксилол. 8.2 Процессы органического синтеза Для производства продуктов органического синтеза используются типичные реакции органической химии: галогенирование, сульфирование, окисление, восстановление, гидрирование, дегидрирование, гидратация, дегидратация, нитрование, алкилирование, циклизация, изомеризация, конденсация, полимеризация. 49 Деление процессов органического синтеза и название их по видам реакций оправданы тем, что многие из них идут в кинетической области, т.е. общая скорость процесса υ определяется скоростью реакции и вычисляется по уравнению: υ = dG/dτ = kυΔC или υ = dx/ dτ = kΔC, в котором движущая сила процесса ΔC равна произведению концентраций реагирующих веществ в соответствии с кинетическим уравнением, определяющим порядок реакции, а константа скорости подчиняется уравнению Аррениуса. В процессах органического синтеза протекает не одна химическая реакция, а несколько параллельных и последовательных реакций. В результате, кроме целевого продукта, получаются ещѐ побочные продукты и отходы производства. Соответственно, константа скорости процесса k может быть сложной функцией констант скоростей нескольких реакций: k = f(k 1 , k 2 , k 3 , k 4 ,…), причѐм функциональная зависимость может сильно изменяться с повышением температуры, давления и концентрации реагирующих веществ и других параметров режима. Для процессов органического синтеза часто применяют селективные катализаторы, ускоряющие только основную реакцию. В газовых реакциях окисления, хлорирования, гидрирования и других движущую силу ΔC и скорость процесса увеличивают, варьируя температуру и давление, смещая тем самым равновесие в сторону целевого продукта. Наряду с катализаторами для увеличения константы скорости процесса в производстве органических полупродуктов используют инициаторы, фотосинтез, радиационное облучение. Под действием облучений можно проводить окисление парафиновых углеводородов, хлорирование бензола, полимеризацию полиэтилена, вулканизацию каучука. Образующиеся продукты обладают более ценными свойствами, чем полученные обычным путѐм. Процессы органического синтеза влияют на технологические схемы нефтеперерабатывающих заводов, вызывая глубокое переплетение топливного и химического производства. 8.3 Химико-технологический процесс получения уксусной кислоты Уксусная кислота CH 3 COOH является слабой кислотой. Образует многочисленные растворимые в воде соли (ацетаты) (например, ацетат натрия CH 3 COONa), этерифицируется спиртами с получением сложных эфиров. Уксусная кислота обладает высокой коррозионной активностью по отношению ко многим металлам, особенно при температуре кипения, что необходимо учитывать при выборе материалов для аппаратуры. Техническая уксусная кислота обладает большей коррозионной активностью, которая усиливается в контакте с воздухом. Из неметаллических материалов стойки по отношению к уксусной кислоте специальные сорта керамики и эмали, кислотоупорные цементы и бетоны, и некоторые виды полимерных материалов (полихлорвиниловые и фенолальдегидные пластмассы). Ингибитор коррозии в растворах уксусной кислоты — перманганат калия. В парах уксусная кислота обладает раздражающим действием на дыхательные пути, ПДК для нее составляет 5 мг/м 3 Уксусная кислота находит широкое и разнообразное применение во многих отраслях промышленности, главным образом, в органическом синтезе. Уксусная кислота используется: - в производстве красителей и фармацевтических препаратов; - для получения ацетона; - в производстве ацетилцеллюлозы и винилацетата; 50 - для получения монохлоруксусной кислоты (промежуточного продукта в производстве моющих средств); - в качестве растворителя и коагулянта латексов; - в пищевой и текстильной промышленности. Основную массу уксусной кислоты потребляют производства ацетилцеллюлозы и винилацетата. 8.4 История и промышленные методы уксусной кислоты Уксусная кислота - первая из органических кислот, которая стала известна человеку. Впервые она была получена И.Глаубером в 1648 г. и в концентрированном виде путем вымораживания еѐ водных растворов и разложением ацетата кальция серной кислотой Г.Шталем в 1666—1667 гг. Элементный состав уксусной кислоты был установлен Я.Берцелиусом в 1814 г. До начала 19 века уксусную кислоту производили исключительно из природного сыры обработкой древесины. Основная масса уксусной кислоты производится из ацетальдегида, окислением бутановой и бензиновой фракций. Первая установка по производству синтетической уксусной кислоты каталитическим окислением ацетальдегида была пущена на Чернореченском химическом заводе в 1932 г., а в 1948 г. было организовано еѐ промышленное производство. К 60-м годам уксусная кислота производилась также пиролизом ацетона через кетен, окислением узких фракций бензина, а также выделением из продуктов окисления твердого парафина. Производство уксусной кислоты окислением ацетальдегида Окисление ацетальдегида молекулярным кислородом представляет гомогенную каталитическую реакцию, протекающую в жидкой фазе и выражаемую общим уравнением: CH 3 CHO + 0,5O 2 = CH 3 COOH – ΔH. Реакция протекает по цепному механизму через стадию образования надуксусной кислоты: которая, являясь сильным окислителем, окисляет ацетальдегид до уксусного ангидрида: Уксусный ангидрид при достаточном количестве воды гидролизуется до уксусной кислоты: При получении уксусной кислоты в качестве катализатора используется раствор ацетата марганца, а в качестве окислительного газа применяется чистый кислород. Технологический процесс производства уксусной кислоты окислением ацетальдегида состоит из трех последовательных стадий: 51 - окисление ацетальдегида; - выделение непрореагировавшего ацетальдегида из паро-газа; - выделение уксусной кислоты из реакционной смеси и ее очистка. Основной аппарат технологической схемы — окислительная колонна. Товарным продуктом в этом методе является уксусная кислота концентрацией после двухкратной ректификации 97,5 - 98,5%. Выход уксусной кислоты составляет 92% при степени превращения ацетальдегида 0,98. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 1.Что представляют собой исходные вещества? 2.Какой схемой можно представить связь исходного сырья с готовым продуктом? 3.Какие реакции используют для производства продуктов органического синтеза? 4.Из каких последовательных стадий состоит технологический процесс производства уксусной кислоты окислением ацетальдегида? 52 Лекция 9 ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ 9.1 Введение Охрана окружающей среды есть комплексная система мероприятий, направленных на сохранение, рациональное использование и воспроизводство природных ресурсов, в том числе на сбережение видового многообразия (генофонда) флоры и фауны Земли, еѐ недр, водных ресурсов, атмосферного воздуха и, следовательно, на сохранение природных условий развития человеческого общества. С середины XX века воздействие человека на природу (антропогенный процесс), включая загрязнение таких жизненно важных для человека природных ресурсов, как атмосферный воздух, пресная вода и плодородная почва, запасы которых на планете ограничены, приобрело глобальный характер. Ежегодно создаются сотни тысяч тонн невстречавшихся ранее в биосфере химических соединений, многие из которых не поддаются биологическому и физическому разрушению. Масштабы загрязнения биосферы столь велики, что естественные процессы метаболизма и разбавляющая способность атмосферы и гидросферы в ряде районов мира не в состоянии нейтрализовать вредное влияние хозяйственной деятельности человека. Вследствие загрязнения биосферы нарушаются сложившиеся в ходе длительной эволюции природные системы исвязи в биосфере, подрывается способность природных комплексов к саморегуляции. Экологические нарушения проявляются в сокращении численности и видового разнообразия растений и животных, в снижении продуктивности рек, озер и морей, лесов и сельскохозяйственных угодий, деградации экосистем. Методы химической технологии широко применяют для охраны биосферы в чѐрной и цветной металлургии, ядерной энергетике, нефтехимической, электронной и других отраслях народного хозяйства. Существенным является также производство продукции, предназначенной для охраны окружающей среды. Это, в первую очередь, активные угли и другие адсорбенты, коагулянты, флокулянты, флотореагенты, катализаторы, ионообменные смолы, различные фильтры, термо-и химически стойкие материалы и ткани, нейтрализующие добавки (щелочи, кислоты, известь и известковое молоко, кальцинированная сода) и иные реагенты и материалы, необходимые для очистки промышленных выбросов и стоков, добычи и обогащения полезных ископаемых, в гидрометаллургии и других технологических процессах. Одним из перспективных направлений работы по очистке сточных вод и газовых выбросов является широкое внедрение мембранных методов. |