ОХТ(шпоры). УКлассификация технологических процессов механические и химические технологии промышленность неорганических веществ промышадность органических веществ (включая производство и переработку пищевых продуктов)
 Скачать 3.28 Mb.
|
|
Понятие жесткости воды. Способы умягчения воды. Жесткость воды - различают временную, постоянную и общую жесткость. Временная (устранимая) жесткость обусловлена наличием в воде бикарбонатов кальция и магния. Эти соли сравнительно легко удаляются из воды при кипячении, так как при этом они переходят в нерастворимые углекислые соли и выпадают в виде плотного осадка (Са, Mg) (НСО3)→ (Са, Mg)CО3 + Н2О + СО2 Постоянная жесткость воды обусловлена присутствием в воде хлоридов, сульфатов, нитратов кальция и магния. Эти соли при кипячении не удаляются из воды. Сумма временной и постоянной жесткости дает общую жесткость, измеряемую в миллиграмм-эквивалентах ионов кальция или магния, содержащихся в виде солей в 1 л воды. Жесткость воды равна единице, если в 1 л ее содержится 1 мг-экв ионов кальция, что соответствует 20,04 мг кальция или 12,16 кг магния. По жесткости (в мг-экв •л-1) природные воды подразделяют на очень мягкую (0—1,5), мягкую (1,5—3), среднюю (3—6), жесткую (6—10) и очень жесткую (более 10). Умягчение воды состоит в полном или частичном удалении из нее солей кальция и магния. Если из воды удаляются также катионы и анионы, т. е. удаляются все содержащиеся в ней соли, этот процесс называют обессоливанием воды. Умягчение и обессоливание воды являются основными процессами подготовки воды. Способы умягчения подразделяются на физические, химические и физико-химические. Физические способы предусматривают термическую обработку воды, или кипячение, дистилляцию и вымораживание. Химические способы умягчения воды заключаются в обработке ее растворами химических соединений. Наибольшее промышленное приме нение получили известково-содовый и фосфатный способы умягчения. Известково-содовый способ заключается в обработке воды сначала известковым молоком, а затем содой, при этом кальциевые соли превращаются в нерастворимый карбонат кальция, магниевые соли в гидроокись и карбонат магния: Са(НС03)2 + Са(ОН)2 = 2Н2О + 2СаС03 Mg(HC03) + 2Са(ОН)3 = Mg(OH)2 + 2Н2О + СаС03 СаС12 + Na2C03 = 2NaCl + СаС03 MgS04 + 2Na2C03 = Na2S04 + MgC03 Известково-содовый способ является наиболее распространенным и дешевым, но при этом достигается лишь сравнительно грубое умягчение воды (примерно до 0,3 мг*экв/л). Фосфатный способ состоит в обработке воды фосфатом натрия: 3Са(НС03)2 + 2Na3P04 = 6NaHC03 + Ca3(P04)2 3СаС12 + 2Na3P04 = 6NaCl + Са3(Р04)2 Растворимость фосфатов кальция и магния в воде ничтожно мала, это определяет высокую эффективность фосфатного способа (содержание солей снижается примерно до 0,03 мг*экв/л). Фосфатный способ достаточно дорогой способ умягчения, поэтому применяется главным образом в комбинированных схемах, в которых основная масса солеи удаляется из воды известковым молоком или содой, а доумягчение осуществляется с помощью фос фатов. Из физико-химических способов наиболее широкое практическое применение находят ионообменные способы, основанные на свойстве некоторых труднорастворимых твердых веществ, так называемых ионитов, обменивать свои ионы на ионы солей, рас творенных в воде. Иониты подразделяются на катиониты и аниониты. Катиониты содержат подвижные катионы натрия или водорода и соответственно называются Na-катионитами и Н-катионитами. Аниониты содержат подвижную гидро- ксильную группу (ОН-анионита- ми). В качестве Na-катионитов применяются алюмосиликаты: глауконит, цеолит, пермутит и др.; в качестве Н-катионитов применяются сульфированный уголь и другие вещества; к ОН-анионитам относятся искусственные смолы сложного состава, например карбамидные. Процессы очистки воды способом ионного обмена можно представить следующим образом. Катионный обмен с использованием алюмосиликата состава Na20 • А1203 • 2Si02 • Н20 протекает по уравнению: Na20[Kaт] + СаС12 = СаО[Кат] + 2МаС1 где [Кат] — неучаствующая в обмене часть молекулы (Na20 • А1203 • 2Si02 • Н20). В случае применения Н-катионита процесс протекает следующим образом: Н2[Кат] + CaS04 = Са[Кат] + H2S04 Н2[Кат] +Са(НС03)2 = Са[Кат] + 2Н20 + 2С02= С течением времени катиониты истощаются, их регенерируют промывкой раствором NaCl или кислотой. Анионный обмен можно представить в виде 2[Ah]ОH + H2S04 = [Ah]2S04 + 2Н20 Для регенерации анионита его промывают щелочью: [Ah]2S04 + 2NaOH = Na2S04 + 2[Ан]ОН К преимуществам ионитового способа по сравнению с известково-содовым относятся компактность и простота аппаратурного оформления, более глубокое умягчение воды (до 0,035 + +0,07 мг-экв-л-1), простота обслуживания и контроля и самое основное дешевизна.
Все химические процессы протекают с изменением энергии; выделением или ее поглощением, поэтому при оформлении химико - технологического процесса должно быть предусмотрено использование выделяющейся энергии для повышения экономичности процесса или подвод энергии, необходимой для осуществления данного процесса. Значительная доля энергии затрачивается на проведение различных вспомогательных операций; транспортирование материалов, их дробление или фильтрование, сжатие газов и др. В химической промышленности применяются разнообразные виды энергии: электрическая, тепловая, ядерная энергия, химическая и энергия света. • Электрическая энергия применяется прежде всего для приведения в движение электродвигателей, широко используемых при проведении различных физических операций: дробления, смешения, перекачивания (насосы, вентиляторы, компрессоры) и т. п. Электрическая энергия расходуется также для проведения электрохимических и электромагнитных процессов. Электрическую энергию производят гидроэлектростанции, тепловые и атомные электростанции. В последнее время успешно ведутся работы по непосредственному превращению тепловой энергии в электрическую. Тепловая энергия в химической промышленности применяется, во-первых, для осуществления разнообразных физических процессов, не сопровождающихся химическими реакциями: плавление, сушка, выпаривание, дистилляция и др., во-вторых, для нагрева ния реагентов при проведении химических реакций. Источником тепловой энергии обычно служит разнообразное топливо, при сжигании которого образуются топочные газы. Эти газы могут быть непосредственно использованы в качестве теплоносителей или же для получения водяного пара, перегретой воды и других теплоносителей. Для получения тепла используется также электрическая энер гия. Атомная энергия применяется для производства электрической энергии на атомных электростанциях. Химическая энергия выделяется обычно в виде тепла при проведении разнообразных экзотермических реакций. Использование этой энергии имеет большое практическое значение, особенно в производстве многотоннажных химических продуктов. Тепло, выделяющееся при протекании химического процесса, может быть использовано для получения водяного пара или превращено в электроэнергию. Химическая энергия преобразуется в энергию электрическую также в гальванических элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии представляют большой интерес, так как они обладают высоким коэффициентом полезного действия. Световая энергия находит все более широкое применение в химической промышленности для проведения разнообразных фотохимических реакций: синтеза хлористого водорода из элементарных веществ, при галоидировании органических соединений и Других процессов. Вторичные энергетические ресурсы представляют собой энергетические отходы или побочные продукты производства: отходящие газы, горячие жидкости, пар и др. Полноценное использование этого вида энергии имеет большое экономическое значение, так как влияет на снижение себестоимости готовой продукции.
Химическая промышленность является одной из самых энергоемких отраслей индустрии. Хотя производимая продукция составляет 5,7% общего объема производства промышленной продукции, количество потребляемой в химической промышленности электроэнергии равно примерно 12%. Ценность различных источников энергии определяется ее количеством, которое может быть получено при использовании этих источников. Для снабжения химической промышленности энергией могут быть использованы различные энергетические установки. Так, тепловую энергию в виде пара и горячей воды можно получать от ТЭЦ или котельных установок, электрическую энергию от кон денсационных тепловых электростанций (КЭС), гидростанций (ГЭС), а также от ТЭЦ и атомных электростанций (АЭС). В целом химическая промышленность потребляет за год тепловой энергии (в эквиваленте) больше, чем электрической. Подсчитано, что более 90% всех потребляемых энергоресурсов в химическом производстве получают сжиганием различных видов топлива (углей, природного газа, мазута, торфа, горючих сланцев) и около 10% приходится на долю гидроэнергии. Все это характеризует химическую промышленность с энергетической точки зрения как отрасль, которой необходимы в первую очередь источники дешевого топлива. В целях наиболее экономного использования топлива для промышленных и других нужд в стране все шире осуществляется централизованное теплоснабжение как предприятий, так и городов, причем ведущая роль в этом принадлежит теплофикации, т. е. отпуску тепла в виде пара или горячей воды от теплоэлектроцентралей. Большое значение для химической промышленности имеет природный газ, поскольку он может быть использован не только для энергетических нужд, но и в качестве сырья для получения самых разнообразных продуктов. Экономические показатели производства электроэнергии зависят от типа электростанции (тепловые, гидравлические, атомные), их мощности и района размещения. На тепловых электростанциях себестоимость электрической и тепловой энергии в основном зависит от затрат на топливо, составляющих 60-70% всех издержек производства. Себестоимость электроэнергии на твердом топливе значительно выше, чем на газообразном; соответствующие удельные капитальные вложения в электростанции и топливную базу примерно в 1,4 раза больше. В развитии энергетики в последние годы произошли коренные изменения, направленные на дальнейшее ускорение технического прогресса в этой отрасли. В теплоэнергетике начато строительство крупных электростанций с блоками большой единичной мощности. Расчеты показывают, что сооружение электростанций, оснащенных блоками по 800 МВт, обеспечивает по сравнению с 300-тысячными блоками экономию капитальных вложений в размере около 10%, удельный расход топлива уменьшается на 3-4%, а удельная численность эксплуатационного персонала почти в 3 раза. Мировые запасы урана и тория обладают энергией, превосходя щей во много раз потенциальную энергию разведанных запасов угля, нефти и природного газа вместе взятых. Поэтому чрезвычайно важное значение имеет использование атомной энергии в промышленных целях. За годы, прошедшие со времени пуска в опытную эксплуатацию первой в мире атомной электростанции (АЭС) в г. Обнинске под Москвой (июнь 1954 г.), были сооружены и вошли в эксплуатацию ряд крупных атомных электростанций мощностью до 1 млн. кВт. Так как источники топлива на базе углерода ограничены, использование атомной энергии стало ключевой проблемой для большинства стран. Источники химической энергии (выделяющейся в виде тепла при протекании реакции) приобретают большое практическое значение в химической промышленности. В последние годы создаются энерготехнологические химические производства, в которых одно временно с химическими продуктами получают товарную энергию, выдаваемую потребителям в виде энергетического пара или электроэнергии. При этом вся потребность в энергии самого химического производства полностью покрывается за счет использования энергии химических реакций. Например, при получении 1 т серной кислоты из серы выделяется 5 МДж тепла, а общая потребность в электроэнергии в процессе получения 1 т серной кислоты составляет около 100 кВ*ч или 0,36 МДж, т. е. всего лишь около 7% выделяющегося тепла химических процессов. В настоящее время уже освоены такие энерготехнологические системы при производстве серной кислоты, аммиака и др. В дальнейшем большое значение приобретут такие источники энергии, как солнечная, энергия ветра, приливов и отливов, тепла земных недр.
Химические предприятия потребляют большие количества энергии, поэтому энергетические затраты существенно влияют на технико-экономические показатели процессов. Критерием экономичного использования энергии служит коэффициент использования энергии ηэ, определяемый по уравнению: ηэ = Wт/Wпр*100% где Wт и Wпр соответственно количество энергии, затрачиваемое теоретически и практически на получение единицы продукта. Во многих производствах этот коэффициент очень низкий, что свидетельствует о непроизводительном расходе энергии. Поэтому большое практическое значение имеют мероприятия, направленные на повышение ηэ. Из всех видов потребляемой в химической промышленности энергии первое место принадлежит тепловой энергии. Степень использования тепла в химико-технологическом процессе определяется тепловым коэффициентом полезного действия η, выражаемым уравнением: ηэ = Qт/Qnp*100% где Qт и Qnp — соответственно количество тепла, теоретически н практически затрачиваемое на осуществление химической реакции. Использование вторичных энергетических ресурсов (отходов) повышает коэффициент использования энергии. Энергетические отходы могут быть использованы в химической и других отраслях промышленности для выработки электрической и тепловой энергии в утилизационных установках; отработанный пар и горячая вода обычно расходуются непосредственно (без преобразования в другие энергоносители) для отопления и горячего водоснабжения. Особенно большое значение в химической промышленности имеет утилизация тепла продуктов реакции, выходящих из реакционных аппаратов, для предварительного нагревания материалов, поступающих в эти же аппараты. Такой нагрев осуществляют в аппаратах, называемых регенераторами, рекуператорами, теплообменниками. Реагенты поступают в теплообменник, где нагреваются за счет тепла горячих продуктов, выходящих из реакционного аппарата, и затем подаются в реактор. По этой схеме теплообмен между горячими и холодными продуктами происходит через стенки трубок теплообменника, аппараты такого типа называют рекуператорами (теплообменниками). Регенераторы также применяются для утилизации тепла газов; они представляют собой периодически действующие камеры, заполненные насадкой (обычно насадкой служат решетки из кирпича). Для создания непрерывного процесса необходимо иметь по крайней мере два регенератора. При организации такой периодической работы регенераторов обеспечивается постоянный подогрев холодного газа за счет тепла отходящего горячего газа. Тепло газообразных продуктов реакции и отходящих газов часто используют для производства пара в так называемых котлах утилизаторах. Тепло отходящих продуктов на химических заводах может быть также использовано для сушки, выпаривания, дистилляции и других процессов.
Обезвреживание сточных вод. Производственные и бытовые сточные воды загрязнены различными органическими и неорганическими примесями, которые при сливе в водоемы отравляют их. Существует законодательство предусматривающее строгую санитарную охрану естественных водоемов, поэтому спуск промышленных сточных вод в водоемы производится в соответствии с санитарными правилами, в которых определено предельно допустимое содержание веществ в сточных водах. Если концентрация примесей в сточных водах превышает предельно допустимое содержание, такие воды подвергают специальной очистке. При этом содержащиеся в воде примеси либо разрушаются, либо переходят в безвредную форму, либо их извлекают для последующего использования в качестве сырья. Многие отечественные химические комбинаты имеют очистные установки, на которых достигается настолько высокая степень очистки сточной воды, что ее можно вновь возвратить в производство. В результате создается замкнутый цикл по воде, свежая вода по ступает в процесс только в таком количестве, чтобы восполнить ее потери, неизбежные при любом производстве. Очистка сточных вод химических предприятий и последующее их использование является крупной народнохозяйственной проблемой. Поскольку количество промышленных сточных вод все время растет, чистая вода превращается в один из дефицитных видов природных богатств, особенно в районах, где широко развита химическая промышленность. Создание надежных способов очистки загрязненных промышленных стоков является весьма сложной проблемой и далека от решения многих производств. Основное направление работ по существенному улучшению очистки промышленных сточных вод яв ляется сооружение очистных сооружений на каждом промышленном предприятии, что позволит резко уменьшить или даже полностью ликвидировать сброс сточных вод после их очистки в реки и озера. Внедрение оборотного цикла водоснабжения, замкнутой системы водопотребления с минимальным добавлением свежей воды является одним из наиболее рациональных направлений использования воды в промышленности. Отработанная вода после очистки и извлечения из нее полезных веществ должна возвращаться на предприятие для повторного использования. Таким образом, внедрение системы водооборота в химических производствах может привести не только к резкому уменьшению вредных для водоемов сточных вод, но позволит усовершенствовать технологию производства, улучшить технико-экономические показатели. Способы обезвреживания сточных вод подразделяются на механические, физико-химические, химические и биологические. Механические способы включают отстаивание и фильтрацию; эти способы используются для удаления взвешенных частиц; к физико-химическим способам относятся аэрация, адсорбция, экстракция, выделение примесей в осадок и др.; химические способы осно ваны на разрушении вредных примесей, их нейтрализации, осаждении различными реагентами и др.; биологические способы обезвреживания применяются, главным образом, для очистки сточных вод населенных пунктов с помощью некоторых микроорганизмов. Вода, применяемая в качестве хладоагента, обычно не изменяется по составу, а только нагревается, поэтому после использо вания такую воду охлаждают в специальных водоемах или в градирнях, а затем возвращают обратно на производство (оборотная вода). В последние годы особенно остро поставлена проблема обезвреживания сточных вод, так как одновременно с развитием промышленности возрастает и объем сточных вод. При этом в отдельных случаях сильно загрязненные сточные воды, попадая в реки, губят все живое и создают антисанитарные условия жизни. Кроме работ по очистке производственных сточных вод, большое значение имеют проводимые в химической промышленности мероприятия по замене водяного охлаждения воздушным. Его широкое внедрение позволит отказаться от эксплуатации многих водооборотных циклов и существенно снизить расход свежей воды. Созданы и разраба тываются проекты многих других химических производств с ис пользованием воздушного охлаждения. Обезвреживание отходящих газов. Содержание вредных примесей в отходящих газах должно быть таким, чтобы после смешения этих газов с атмосферным воздухом концентрация вредных примесей в приземном слое воздуха не превышала предельно допу стимой концентрации (ПДК). Отходящие газы обычно выводятся в атмосферу через трубы, по выходе из которой эти газы смешиваются с атмосферным воздухом и концентрация вредных примесей в воздухе становится более низкой, чем в отходящих газах. Естественно, что чем выше труба, тем больше будут разбавлены отходящие газы воздухом и соответственно, тем ниже будет концентрация вредных примесей в приземном слое воздуха. Если высота трубы слишком большая и, следовательно, очень дорогая, отходящие газы подвергают специальной очистке, а затем уже выводят в атмосферу через трубу соответствующей высоты. Таким образом, выбор пути достижения ПДК определяется экономическими соображениями - ПДК должны быть обеспечены при минимальных затратах, что достигается либо установкой достаточно высокой трубы, либо специальной очисткой отходящих газов. Однако технико-экономический анализ и опыт эксплуатации показывают, что в большинстве случаев наиболее экономичный путь состоит в том, чтобы основной технологический процесс проводился при условиях, обеспечивающих низкое содержание вредных примесей в отходящих газах. При этом отпадает необходимость в специальной очистке отходящих газов. Способы очистки зависят от состава, свойств и концентрации вредных примесей в отходящих газах. Эти способы весьма разнообразны, наиболее часто применяется абсорбция и адсорбция примесей различными реагентами и адсорбентами. |