книги / Общая химическая технология.-1

В качестве коагулянтов используют чаще всего соли поливалентных металлов: Al2(SO4)3, Fe2(SO4)3, FeCl3 и др. Эти соли, растворяясь в воде, разрушают двойной электрический слой, имеющийся на поверхности взвешенных частиц. Кроме того, коагулянты как соли, образованные сильными кислотами и слабыми основаниями, в воде гидролизуются. Этому способствует щелочная среда, для создания которой воду слегка подщелачивают. Образующиеся при этом гелеобразные осадки гидроксидов алюминия и железа (Al(OH)3 и Fe (OH)3) способствуют слипанию взвешенных частиц с образованием крупных хлопьеобразных осадков.

Флокулянты – высокомолекулярные органические вещества, на концах молекул которых имеются радикалы. Растворяясь в воде, эти молекулы своими радикалами склеивают отдельные частицы в крупные агрегаты – флокулы. В качестве флокулянтов чаще всего используют полиакриламиды (ПАА) различной молекулярной массы, карбоксилметилцеллюлозу (КМЦ) и активную кремниевую кислоту.

Очень часто коагулянты и флокулянты используют совместно. Для уменьшения вязкости воду иногда подогревают. Например, при нагреве воды до 35–40 °С вязкость ее снижается практически в 2 раза. Такой прием экономически оправдан, например, для

осветления питательной воды паровых котлов.

Для интенсификации осаждения в последнее время взамен обычных гравитационных отстойников начали использовать отстойные центрифуги с фактором разделения до 1000 и более единиц. Однако эти центрифуги довольно сложны и требуют больших энергозатрат.

Конечной стадией осветления является фильтрование. В качестве фильтрующих материалов чаще всего используют слой зернистых материалов. Это может быть песчано-гравийная смесь (ПГС), кварцевый песок, дробленый антрацит, керамзит, перлит (вспученный вулканический песок) и др.

Химические методы водоподготовки применяются для умягчения воды. Умягчение воды – это очистка воды от солей жестко-

41

сти. Наиболее старым методом умягчения является известковосодовый метод. Он осуществляется в две основные стадии и позволяет снизить общую жесткость до 0,2−0,3 мг-экв/л.

На первой стадии устраняется временная жесткость путем обработки воды гашеной известью Са(ОН)2. Поэтому этот процесс называется еще известкованием воды. При этом удаляются также ионы железа и растворенный углекислый газ:

Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 → 2СаСО3↓ + 2Н2О, Мg(НСО3)2 + 2Са(ОН)2 → 2СаСО3↓ + Mg(ОН)2 + 2Н2О, FeSO4 + Ca(OH)2 → Fe(OH)2↓ + CaSO4↓,

CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + H2O.

Если вода используется только в качестве хладагента, то процесс умягчения на этой стадии завершается.

Вторая стадия применяется, если требуется устранение и постоянной жесткости. Например, при приготовлении питательной воды для паровых котлов, в которых производится нагрев более 100 °С, ее дополнительно обрабатывают кальцинированной содой

(Na2CO3):

MgSO4 + Na2CO3 → MgCO3↓ + Na2SO4,

MgCl2 + Na2CO3 → MgCO3↓ + 2NaCl,

CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3↓ + Na2SO4 .

Третья стадия используется иногда для дополнительного повышения степени умягчения воды. Воду обрабатывают тринатрийфосфатом (Na3PO4):

3Са2+ + 2Na3PO4 → Са3(РО4)2↓ + 6Na+, 3Mg2+ + 2Na3PO4 → Mg3(РО4)2↓ + 6Na+.

Образующиеся фосфаты кальция и магния практически нерастворимы и поэтому полностью кристаллизуются, выделяются в осадок и обеспечивают очень высокую степень умягчения (Жо

42

понижается от 0,2−0,3 до 0,01мг-экв/л). Однако тринатрийфосфат довольно дорог.

Образующиеся осадки отделяют от воды в отстойниках, для ускорения осаждения воду обрабатывают флокулянтами.

Достоинство известково-содового метода заключается в его универсальности, т.е. пригодности практически для всех видов вод.

Недостатки метода – повышенный расход реагентов, громоздкость используемых отстойников, относительно низкая эффективность умягчения, невозможность обессоливания воды.

Физико-химические методы водоподготовки являются более современными. В настоящее время для умягчения и обессоливания воды все больше используется новый, более прогрессивный, метод ионного обмена. Он основан на способности специальных твердых веществ – ионитов – поглощать из воды положительные ионы (катионы) или отрицательные ионы (анионы) в обмен на другие одноименно заряженные ионы. В соответствии со знаком поглощаемых ионов различают катиониты и аниониты.

Катиониты (R–/Na+ или R–/H+) – это нерастворимые в воде вещества, имеющие неподвижный анион R–, обусловливающий его нерастворимость. Другое название этого радикала – матрица.

Катион (Na+ или H+), напротив, очень подвижен и способен вступать в реакции обмена с содержащимися в воде катионами. В зависимости от катиона различают Na-катионит и H-катионит. К катионитам относятся специально синтезированные вещества: алюмосиликагели, сульфоуголь, а в последнее время − синтетические смолы.

Аниониты (R+/OH–) – это также нерастворимые соединения с твердым катионом (R+) и подвижной гидроксильной группой, которая легко вступает в реакции обмена с анионами, содержащимися в воде. К таким соединениям относятся искусственные смолы сложного состава.

Важнейшей характеристикой ионитов является обменная емкость, которая показывает способность поглощать определенное

43

количество ионов из раствора. При достижении заданного предела ионной емкости проводится регенерация ионита.

Обмен ионов натрия, содержащихся в катионите, называется процессом Na-катионирования воды. Этот процесс используют для умягчения воды по реакциям:

2R–/ Na+ + Ca2+ R−2 / Ca2+ + 2Na+,

2R–/ Na+ + Mg2+ R−2 / Mg2+ + 2Na+.

Обмен ионов водорода в Н-катионите носит название Н-катио- нирование воды и применяется для обессоливания воды. При этом в воду переходят ионы водорода, которые подкисляют ее, и рН снижается:

2R–/H+ + Ca2+ R−2 /Ca2+ + 2H+,

2R–/H+ + Mg2+ R−2 /Mg2+ + 2H+.

Н-катионирование воды обязательно сочетается с ее последующим анионированием. Поглощение анионов из растворов анионитами протекает по реакции:

R+/ОH– + Cl– R+/Cl– + OH–,

2R+/ОH– + SO24− R+2 / SO24− + 2OH–.

В результате этого вода насыщается гидроксид-ионами, и она

нейтрализуется:

Н+ + ОН– → Н2О.

Все эти реакции обратимые, что позволяет производить регенерацию ионитов после их насыщения ионами, содержащимися в воде.

Регенерацию Na-катионитов обычно осуществляют промывкой их растворами поваренной соли NaCl или сульфата натрия

Na2SO4.

Регенерацию Н-катионита проводят промывкой разбавленными растворами серной или соляной кислот, а регенерацию анионитов – раствором NaOH.

44

На рис. 4 приведена принципиальная схема обессоливания и деаэрации воды.

Рис. 4. Принципиальная схема обессоливания и деаэрации воды: 1 − катионитовая колонна; 2 − анионитовая колонна; 3 − «головка» деаэратора; 4 − аккумулятор обессоленной и деаэрированной воды; 5 – насос

Исходную воду предварительно осветляют, фильтруют и обезжелезивают. Обезжелезивание воды проводят пропуская через нее воздух. При этом происходит реакция:

2Fe2+ + 1,5O2 + 3H2O → 2Fe(OH)3↓.

Образующийся осадок гидроксида железа отделяют от воды. Проходя через катионитовую 1 и анионитовую 2 колонны, вода обессоливается. Как правило, процесс проводят в несколько ступеней (в две или даже три). Далее вода поступает в «головку» деаэратора 3, где ее нагревают при помощи острого водяного пара. При этом из воды удаляются растворенные кислые газы, в основном кислород и углекислый газ.

Для улучшения контакта воды с острым паром в «головке» имеются форсунки, разбрызгивающие воду на специальные тарелки, которые ее дополнительно диспергируют.

Деаэрированная вода стекает в аккумулятор (накопитель) 4 и оттуда перекачивается насосом 5 потребителям.

45

Основное применение такая вода находит в тепловых электростанциях и парокотельных цехах для получения водяного пара.

Растворенные газы, содержащиеся в воде, при испарении полностью переходят в пар. Повышая коррозионную активность пара, они одновременно резко ухудшают его теплофизические свойства (снижают коэффициент теплоотдачи к теплопередающим поверхностям). Это происходит потому, что при конденсации водяные пары превращаются в воду и выводятся из теплообменника через специальные конденсатоотводчики. Содержащиеся в паре примеси газов не конденсируются, накапливаются внутри теплообменника и ухудшают теплообмен. Поэтому теплообменники в этом случае необходимо часто «продувать», т.е. выпускать накопившиеся газы вместе с паром в атмосферу.

Кроме того, деаэрация, как уже указывалось, позволяет уменьшить коррозионную активность воды и водяного пара.

Если количество растворенных газов невелико, то используют химическую деаэрацию воды, связывая их, например, сульфитом натрия (Na2SO3), гидразином и другими реагентами.

В последнее время взамен ионного обмена начали использовать еще более современный метод обессоливания – метод обратного осмоса. Он заключается в пропускании воды через специальные мембраны (молекулярные сита). Молекулы воды, имеющие очень маленький радиус, проходят через мембраны, а ионы растворенных солей задерживаются.

2.1.4.Атмосферный воздух

вхимической промышленности

Общая масса воздуха в атмосфере Земли – 5100 триллионов тонн. В воздухе содержится большое количество компонентов (об. %): 78,16 азота, 20,90 кислорода, 0,93 аргона и 0,1 инертных газов (гелий, неон, криптон, ксенон), а также пары воды, СО2, взвешенные капельки воды и пыль. Для упрощения в технологических расчетах условно принимают, что воздух состоит из 79 % азота и 21 % кислорода. Средняя молекулярная масса воздуха

46

принимается равной 29, а плотность при нормальных условиях

1,293 кг/м3.

Воздух используется в химической промышленности, в основном, как сырье или как реагент в технологических процессах, а также как окислитель при сжигании топлива.

Из воздуха путем низкотемпературной ректификации выделяют чистый кислород, азот и инертные газы (в основном, аргон). Кислород используется взамен воздуха для интенсификации процессов окисления (так называемое кислородное дутье). Азот применяют в синтезе аммиака как сырье или как инертный газ. Перед употреблением воздух в зависимости от характера производства подвергают специальной очистке, отделяя пыль, влагу, катализаторные яды, углекислый газ и т.д. Например, в производстве азотной кислоты забор воздуха осуществляется за пределами предприятия по специальному воздуховоду длиной несколько километров и на высоте около 60 м.

Большое количество воздуха расходуется при сжигании топлива в топках, для повышения КПД топок воздух подогревают теплом отходящих топочных газов.

Сжатый воздух используют для перемешивания жидкостей в барботажных аппаратах, для распыливания жидкости в форсунках и т.д.

В последние годы широкое применение находят аппараты воздушного охлаждения (АВО). Использование АВО позволяет резко сократить расход охлаждающей воды.

2.2. Энергетическая база химической промышленности

В химической промышленности используют электроэнергию, тепловую и механическую энергию. По расходу тепловой энергии химическая промышленность занимает второе место после металлургии, а по расходу электрической энергии – третье после металлургии и тяжелого машиностроения.

47

Тепловую энергию высоких (400–450 °С и более) параметров используют для обжига сырья и полуфабрикатов, нагревания их до высоких температур и других целей. Ее получают путем сжигания угля, нефти или газа непосредственно на технологических установках. Такую энергию на большие расстояния не транспортируют.

Тепловую энергию средних (100–450 °С) и низких (менее 100 °С) параметров используют для нагрева сырья и полуфабрикатов до меньших температур, а также для бытовых целей (для отопления). Для этих целей чаще всего применяют водяной пар (250– 300 °С) и горячую воду, а также высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ).

Электроэнергию используют в электрохимических производствах для освещения, а также для получения механической энергии (в электродвигателях).

Механическую энергию применяют для проведения физических процессов (транспортирование, дробление, классификация и т.д.).

2.2.1. Классификация топливно-энергетических ресурсов

Основными видами энергетических ресурсов являются:

–горючие ископаемые (уголь, нефть, природный газ, торф, сланцы и др.), а также продукты их переработки;

–энергия ветра, энергия воды, биомасса и атомная энергия. Мировые запасы угля оцениваются в 11200 млрд т, нефти –

в740 млрд т, природного газа – в 630 млрд т.

Энергоресурсы разделяют:

–на топливные (уголь, нефть, природный газ и др.) и нетопливные (гидроэнергия, энергия ветра, энергия солнца);

–на возобновляемые (солнечная энергия, гидроэнергия, энергия ветра) и невозобновляемые (уголь, нефть).

Вторичные энергоресурсы (ВЭР) – это энергетический потенциал реакций, физическое тепло продукции и др. Использование ВЭР в настоящее время является очень актуальным.

48

2.2.2. Технологические характеристики топлива

Наиболее важными характеристиками топлива являются теплота сгорания и жаропроизводительность.

Теплота сгорания (теплотворная способность) – это коли-

чество тепла, выделяющегося при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м3 газообразного топлива, при условии

охлаждения продуктов горения до начальной температуры процесса (Дж/кг, Дж /м3).

В свою очередь, различают низшую (Qpн) и высшую (Qрв) теплоты сгорания.

Низшая теплота сгорания – это количество тепла, выделяющегося при сгорании 1 кг или 1 м3 топлива с образованием водяного пара. Например:

СН4 + 2О2 → СО2 + 2Н2О(пар) + Qрн .

Высшая теплота сгорания – это количество теплоты, выделяющееся при сгорании 1 кг или 1 м3 топлива с образованием воды. Например:

СН4 + 2О2 → СО2 + 2Н2О(вода) + Qрв .

Для достижения Qрв топочные газы нужно охладить ниже точки росы. При этом выделяется дополнительное количество тепла, равное количеству тепла конденсации водяного пара. Для углеводородного топлива, богатого водородом, например природного газа, эта разница довольно велика (≈ 10–15 %).

Несмотря на это, при тепловых расчетах топок у нас в стране, в отличие от развитых стран (Германия, Япония и др.), все еще используют Qрн. Это объясняется тем, что при конденсации водяных паров наблюдается интенсивная коррозия теплообменных поверхностей. Особенно нежелательно применять Qрв при расчетах в случаях, когда в топливе имеются сернистые примеси. При сжигании образуется SO2, а при соединении его с водой – коррозионноактивная сернистая кислота (Н2SO3).

49

Для углеродного сырья, например угля, количество выделяющихся водяных паров относительно невелико, и поэтому Qрв ≈ Qрн .

Величину Qрн можно рассчитать по формуле Менделеева:

Qрн = 339,3С + 1256Н – 109(О – S) – 25,2 (9H + W),

где С, Н, О и S – содержание соответствующих элементов в топливе, мас. %;

W – содержание влаги в исходном топливе, мас. %. Теоретический расход воздуха на сжигание топлива

Gтеор = 0,116С + 0,348Н + 0,60135(S – O).

Фактический расход воздуха несколько выше:

Gфакт = α Gтеор,

где α – коэффициент избытка воздуха, зависящий от конструкции топки и топочно-горелочных устройств (форсунок), α ≈ 1,06…1,2.

Чем меньше требуемый избыток воздуха, тем выше коэффициент полезного действия топки.

Жаропроизводительность – это максимальная температура горения, развиваемая при полном сгорании топлива без избытка воздуха (α = 1), в условиях, когда все тепло полностью расходуется на нагрев образующихся продуктов сгорания (адиабатические условия).

Различают топлива с высокой (Тmах > 2300 К) и пониженной (Тmах < 2300 К) жаропроизводительностью.

К первой группе относятся нефть, мазут, природный газ, каменный уголь, кокс, древесный уголь; ко второй – дрова, торф, бурый уголь, сланцы и др.

2.3.Химическая технология

иохрана окружающей среды

Значительное место в решении проблемы охраны окружающей среды принадлежит современным технологиям очистки и утилизации всех вредных выбросов и отходов. В настоящее время ве-

50