Основы химической технологии и лесопереработки

Источники водоснабжения  химических производств

 

Общее количество воды на Земле составляет 1,4·10¹⁸ тонн. Большая часть этой воды находится в постоянном кругообороте под воздействием тепловой энергии солнца и теплоты земных недр. Природная вода подразделяется на атмосферную, поверхностные воды, подземные воды и морскую (океанскую) воду.

Атмосферная вода, выпадающая в виде дождя и снега, содержит минимальное количество примесей, главным  образом, в виде растворенных газов (кислорода, оксида углерода (II), азота, сероводорода), бактерий, а в промышленных районах также оксиды азота и серы и различные органические вещества.

Поверхностные воды представляют воды открытых водоемов: рек, озер, каналов, водохранилищ. В состав поверхностных  вод входят различные минеральные  и органические вещества, природа и концентрация которых зависят от климатических, геоморфологических, почвенно-геологических условий, а также от агро- и гидротехнических мероприятий, развития промышленности в регионе и других факторов.

К подземным водам  относятся воды артезианских скважин, колодцев, ключей и гейзеров. Для них характерно высокое содержание минеральных солей, выщелачиваемых из почвы и осадочных пород, и малое содержание органических веществ.

Морская вода представляет многокомпонентный раствор электролитов и содержит практически все элементы, входящие в состав литосферы. В ней растворены также различные газы.

В зависимости от солесодержания природные воды делятся на пресные (содержание солей менее 1 г/кг), солоноватые (содержание солей 1-10 г/кг), и соленые (содержание солей более 10 г/кг). Из общего объема гидросферы планеты запасы пресных вод составляют всего 0,03%, при этом источниками промышленного водоснабжения становятся, преимущественно, только речные воды, что связано со значительной протяженностью их береговой линии. В настоящее время на промышленные цели в РФ расходуется до 9% общего стока пресной воды, что составляет 700 куб. км в год.

Вода, используемая в  химической промышленности (технологическая  вода) должна удовлетворять по качеству определенным требованиям того или иного производства. Качество воды определяется совокупностью ее физических и химических характеристик, к которым относятся: цвет, прозрачность, запах, общее солесодержание, жесткость, окисляемость, реакция (рН), которые зависят от содержания в воде различных примесей. Для промышленных вод важнейшими из этих характеристик являются жесткость, окисляемость, реакция и содержание примесей различной дисперсности.

ЖЕСТКОСТЬЮ называется свойство воды, обусловленное присутствием в ней солей кальция и магния. В зависимости от природы анионов различают временную (устранимую, карбонатную) жесткость, зависящую от наличия в воде гидрокарбонат-ионов НСО₃^-, Ж_в, и постоянную (некарбонатную) жесткость, вызываемую присутствием хлорид-ионов Cl^-, нитрат-ионов NO₃^-  и сульфат-ионов SO₄^-2, Ж_п. Сумма временной и постоянной жесткости называется общей жесткостью воды:

Ж_о = Ж_в + Ж_п

Жесткость воды выражается суммой концентраций ионов кальция  и магния, содержащихся в 1 литре  воды, то есть в ммоль/л. По значению общей жесткости воды делятся на мягкую (Ж_о менее 2), средней жесткости (Ж_о = 2 – 10) и жесткую (Ж_о более 10).

Промышленная водоподготовка

 

Вредное влияние примесей, содержащихся в промышленной воде, зависит от их химической природы, концентрации, дисперсного состояния, а также технологии конкретного производства, использующего воду. Все вещества, присутствующие в воде, могут находиться в виде истинного раствора (соли, газы, некоторые органические соединения, в коллоидном состоянии (алюмо- и железосиликаты, некоторые гидроксиды, кремневая кислота, органические соединения типа лигнина и др.) и во взвешенном состоянии (глинистые, песчаные и известковые частицы).

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

ВОДОПОДГОТОВКОЙ называют комплекс операций по удалению из природной  воды вредных для производства примесей, содержащихся в ней в виде взвесей, коллоидных частиц, растворенных солей  и газов. В водоподготовку входят операции осветления, умягчения, дегазации, а в отдельных случаях обессоливания и для питьевой воды обеззараживания.

Схема промышленной водоподготовки приведена на рис 4.

ОСВЕТЛЕНИЕ воды достигается отстаиванием ее с последующим фильтрованием  через зернистый материал различной дисперсности. Для коагуляции коллоидных примесей и абсорбции окрашенных веществ, содержащихся в воде, к ней добавляют электролиты – сульфаты алюминия и железа.

ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ воды обеспечивается ее хлорированием или озонированием.

ДЕГАЗАЦИЯ – удаление из воды растворенных газов достигается химическим способом, при котором газы поглощаются  химическими реагентами.

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 и 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 (пермутит, цеолит и др.), в качестве анионитов искусственные смолы, например карбамидные.

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

Na₂[Кат] + Ca(HCO₃)₂ « Ca[Кат] + 2Na₂CO₃

и анионирование, например:

Ан[OH] + HCl « Ан[Cl] + H₂O,

где: [Кат] и [Ан] – не участвующая  в обмене матрица ионита.

Поскольку процесс ионного  обмена обратим, установление равновесия в системе означает прекращение  процесса обессоливания. При насыщении ионита он может быть регенерирован промывкой растворами для Н катионитов кислоты, Na катионитов хлорида натрия и для анионитов раствором щелочи.

Полное обессоливание  воды обеспечивается ее дистилляцией (термическое обессоливание) обычно после того, как вода предварительно очищена 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.

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

УМЯГЧЕНИЕМ называется обработка воды для понижения ее жесткости, то есть уменьшения концентрации ионов Ca⁺² и Mg⁺² 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:

Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃ + H₂O + CO₂

Этим методом удаляется  только временная жесткость.

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

3CaSO₄ + 2Na₃PO₄ = 3Na₂SO₄ + Ca₃(PO₄)₂

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

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ = 2CaCO₃ + 2H₂O,

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

CaSO₄ + Na₂CO₃ = CaCO₃ + Na₂SO₄

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.

 

Контрольные вопросы

1. укажите основные направления использования воды в химическом производстве. Приведите примеры.
2. В чем заключается рациональное использование водных ресурсов в химической промышленности?
3. Что такое водоворот, и с какой целью он используется?
4. Какие требования предъявляются к технологической воде?
5. Перечислите основные операции подготовки технологической воды.
6. Что такое жесткость воды, и какие методы существуют для ее уменьшения?
7. На чем основан процесс умягчения воды методом ионного обмена?

 

ПРОИЗВОДСТВО НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

ПРОИЗВОДСТВО СЕРНОЙ КИСЛОТЫ

 

О промышленном развитии страны можно судить по количеству серной кислоты, которую она потребляет.

Юстус Либих (1803 – 1873)

Общие сведения

 

Серная кислота –  один из основных многотоннажных продуктов химической промышленности. Ее применяют в различных отраслях народного хозяйства, поскольку она обладает комплексом особых свойств, облегчающих ее технологическое использование. Серная кислота не дымит, не имеет цвета и запаха, при обычной температуре находится в жидком состоянии, в концентрированном виде не корродирует черные металлы. В то же время, серная кислота относится к числу сильных минеральных кислот, образует многочисленные устойчивые соли и дешева.

Технологические свойства серной кислоты

 

В технике под серной кислотой понимают системы, состоящие  из оксида серы (VI) и воды различного состава: nSO₃^.mH₂O. При n = m = 1 это моногидрат серной кислоты (100%-ная кислота ), при m > n – водные растворы моногидрата, при m < n – растворы оксида серы (VI) в моногидрате (олеум):

H₂SO₄·(n – 1) SO₃ ¬ H₂SO₄ ® H₂SO₄ (m – 1) H₂O

олеум         моногидрат        водная кислота

Моногидрат серной кислоты  – бесцветная маслянистая жидкость с температурой кристаллизации 10,37^оС, температурой кипения 296,2^оС и плотностью 1, 85 г/cм³. С водой и оксидом серы (VI)  он смешивается во всех отношениях, образуя гидраты состава H₂SO₄ ^. Н₂O; H₂SO₄ ^. 2 H₂O; H₂SO₄ ^. 4 H₂O и соединения с оксидом серы (VI) состава H₂SO₄^. SO₃ и H₂SO₄ ^. 2SO₃.

Эти гидраты и соединения с оксидом серы имеют различные температуры кристаллизации и образуют ряд  эвтектик. Некоторые из этих эвтектик имеют температуру кристаллизации ниже нуля или близкие к нулю.

Эти особенности растворов  серной кислоты учитываются при  выборе ее товарных сортов, которые по условиям производства и хранения должны иметь низкую температуру кристаллизации.

Серная кислота смешивается  с водой в любых отношениях, при этом выделяется большое количества тепла. По этой причине следует всегда разбавлять серную кислоту, наливая ее в воду, а не наоборот. Эта кислота гигроскопична, т. е. способна поглощать влагу из воздуха. Поэтому ее используют для осушения газов, не реагирующих с нею,  пропуская их через серную кислоту.

Применение  серной кислоты и олеума

 

Высокая активность серной кислоты в сочетании со сравнительно небольшой стоимостью производства предопределили громадные масштабы и чрезвычайное разнообразие ее применения. Трудно найти такую отрасль народного  хозяйства, в которой не потреблялась бы в тех или иных количествах серная кислота или произведенные из нее продукты. Среди минеральных кислот серная кислота по объему производства и потребления занимает первое место. Мировое производство ее за последние 25 лет выросло более чем в три раза, составляя в настоящее время более 160 млн. т в год. Производство серной кислоты и олеума (в пересчете на моногидрат) в РФ составило: в 1998 г. 5,7 млн. т.

Области применения серной кислоты и олеума весьма разнообразны. Значительная часть ее используется в производстве минеральных удобрений (от 30 до 60% ), а также в производстве красителей (от 2 до 16%), химических волокон (от 5 до 15%) и металлургии (от 2 до 3%).

При помощи серной кислоты  производятся этиловый и другие спирты, некоторые эфиры, синтетические  моющие средства, ряд ядохимикатов для борьбы с вредителями сельского хозяйства и сорными травами. Разбавленные растворы серной кислоты и ее соли применяют в производстве искусственного шелка, в текстильной промышленности для обработки волокна или тканей перед их крашением, а также в других отраслях легкой промышленности. В пищевой промышленности серная кислота применяется при получении крахмала, патоки и ряда других продуктов. Транспорт использует свинцовые сернокислотные аккумуляторы. Наконец, серную кислоту применяют в процессах нитрования и при производстве большей части взрывчатых веществ. На рис. 5. представлено применение серной кислоты и олеума в народном хозяйстве.