2.2. Энергия в химической технологии

2.2.1. Человеческое общество и проблема энергии. Энергово­ору­же­н­ность общества является условием прогресса человечества, и уровень его материального благосостояния определяется количеством энергии, выраба­ты­ваемой на душу населения. Потребление энергии на Земле непрерывно возрастает. В 1975 г. оно составило 0,25Q, в 2000 г. – 0,8Q, а прогноз на 2100 г. предполагает колоссальную цифру – 7,3Q, где Q = 2,3 · 10¹⁴ кВт · ч.

Выявлена определенная зависимость между потреблением энергии на душу населения обществом и средней продолжительностью жизни. Для до­сти­жения устойчивой средней продолжительности жизни, равной 80 лет, по­требление энергии на душу населения составляет 7 · 10³ кВт · ч. Этот порог достигли или близки к нему такие страны, как Швеция, Япония, Израиль, ФРГ, США. В России же потребление энергии составляет 4 · 10³ кВт ^. ч, что соответствует продолжительности жизни менее 70 лет.

2.2.2. Использование энергии в химической технологии. Химическое производство – одно из самых энергоемких. Доля энергетических затрат в нем составляет 9 %, в то время как в среднем по промышленности она равна 2,5 %. При доле химической отрасли 6 % во всей промышленности она потребляет до 12 % всей вырабатываемой энергии.

В химической технологии энергия служит для проведения следующих операций:

– химических реакций;

– компрессии газов и жидкостей;

– нагрева материалов;

– проведения тепловых процессов, не связанных с химическими реак­циями (ректификация, испарение и др.);

– проведения механических и гидродинамических процессов (фильтро­вание, измельчение, сушка и т. д).

В химическом производстве используют электрическую, тепловую, топ­­­лив­ную, световую, ядерную и химическую виды энергии.

Электроэнергия необходима для электрохимических, электротерми­чес­ких, электромагнитных и электростатических процессов, а также для перено­са различных материалов и приведения в действие машин и механизмов.

Тепловая энергия применяется для высокотемпературной переработки сырья (обжиг, нагрев аппаратуры, реагентов и т.д.). Передачу тепла ведут за счет контакта нагреваемой системы с теплоносителем, в качестве которого наиболее распространены горячий воздух, топочные газы, горячая вода и во­дяной пар. Тепловая энергия, используемая в химической промышлен­ности, делится на высокопотенциальную (более 350 ^оС), среднепотен­циаль­ную (100–350 ^оС) и низкопотенциальную (50–100 ^оС).

Топливная энергия (энергия, полученная при сжигании топлива непо-средственно на технологических установках) применяется для производства тепла и электроэнергии в печах специального назначения.

Световую энергию применяют для проведения процессов фотосинтеза, например, при производстве хлороводорода и галогенопроизводных.

Химическая энергия находит применение в работе химических источ­ни­ков тока.

Ядерная энергия применяется для проведения радиационно-химических процессов (например, некоторых полимеризационных процессов, а также для анализа, контроля и регулирования технологических процессов.

В химической промышленности на долю электрической энергии при­ходится примерно 40 %, тепловой – 50 %, топливной – 10 %. Доля осталь­ных видов энергии составляет менее 1 %.

2.2.3. Источники энергии. Классификация источников энергии. Основными источниками энергии для промышленности служат горючие ископаемые и продукты их переработки, энергия воды, пара, биомасса и ядерное топливо. Незначительная доля приходится на энергию ветра, солнца, приливов и геотермальную энергию.

Объем энергии, вырабатываемой в настоящее время на планете составляет примерно 3 · 10¹⁴ кВт · ч в год.

Все энергетические ресурсы делятся на первичные и вторичные, во­зобновляемые и невозбновляемые, топливные и нетопливные. Невозоб­но­вляемые энергетические ресурсы связаны с горючими ископаемыми. Среди них каменный уголь, нефть, природный газ, торф, горючие сланцы, битуми­нозные пески. Остальные виды энергии являются возобновляемыми. К ним отно­сятся энергия солнца, ветра, приливов, био- и геотермальная энергии. Все перечисленные виды энергетических ресурсов являются первичными.

Вторичными энергоресурсами называют энергетический потенциал ко­нечных, побочных и промежуточных продуктов и отходов химического про­изводства, используемых для энергоснабжения установок, машин и меха­низмов. К ним относят теплоту экзотермических реакций, энтальпию отхо­дящих продуктов процесса, а также потенциальную энергию сжатых газов и жидкостей. Предприятия нефтеперерабатывающей, нефтехимичес­кой, газо­вой и хи­мической промышленности, а также металлургии распо­ла­гают наи­большими ресурсами вторичной энергии, главным образом, в виде тепловой. Схематично классификация источников энергии приведена на рисунке 2.1.

Рис. 2.1. Классификация энергетических ресурсов

2.2.4. Рациональное использование энергии в химической промы-шленности. Большая доля энергетических затрат в химической продукции требует рационального и экономичного подхода к использованию энергии. Критерием экономичности при этом является коэффициент использования энергии, равный отношению количества энергии, теоретически необходимой для производства единицы продукции, к фактически затраченной энергии:

= W_Т/W_П. (2.1)

В случае высокотемпературных эндотермических процессов этот коэф-фициент не превышает 0,7, т.е. свыше 30 % энергии теряется с продуктами реакции или путем теплопередачи через стенку в окружающую среду.

Существует ряд методов снижения тепловых потерь, которые сводятся к двум типам: разработке энергосберегающих технологий и экономичному ис­поль­зо­ванию энергии при существующей технологии.

К первому типу относятся следующие мероприятия:

– разработка новых энергоэкономных технологий;

– замена применяемых методов разделения на менее энергоемкие, на­при­мер, ректификацию на экстракцию и т. д.;

– создание комбинированных энерготехнологических схем, объединя-ющих технологические операции, протекающие с поглощением и выделе­нием энергии.

Ко второму типу энергосберегающих мероприятий относится:

– снижение тепловых потерь за счет эффективной теплоизоляции и у­м­е­нь­­шения излучающей поверхности аппаратуры;

– снижение потерь на электросопротивление в электрохимических про­цес­сах.

2.2.5. Новые виды энергии в химической технологии. В последние десятилетия в химическую технологию все более интенсивно внедряются новые виды энергии, полученные с применением плазмохимических про­цес­сов, ультразвука, фото- и радиационного воздействия, низковольт­ного электрического разряда, лазерного излучения. Эти экстремальные воздействия способствуют активации молекул реакционной системы, возни­кновению в ней возбужденных частиц и инициированию химического, в т. ч. с высокой селективностью, процесса. Эта область составляет новый раздел химии – химию высоких энергий (ХВЭ), изучающую состав, свойства и химические превращения в системах, содержащих возбужденные частицы.

Из перечисленных процессов наиболее перспективными и универсальными являются плазмохимические процессы. Они отличаются протеканием хими­чес­ких процессов в плазменном состоянии.

Различают низкотемпературную (10³–10⁴ К) и высокотемпературную (10⁶–10⁸ К) плазму. В химической технологии применяют низкотемператур­ную плазму. Исследования по применению плазмы в химической промышленности проводились более чем в 70 технологических процессах, некото­рые из которых внедрены в производство, в т. ч.:

– синтез тугоплавких соединений, таких как карбиды урана и тантала, нитриды титана, алюминия, вольфрама;

– восстановление металлов из оксидов и солей (железо, алюминий, воль­фрам, никель, тантал);

– окисление различных веществ (азот, хлороводород, оксид углерода, метан);

– пиролиз углеводородного сырья;

– одностадийный синтез из элементов (аммиака, цианистого водорода, гидразина, фторуглеводородов);

– синтез соединений, образующихся только в условиях плазмы, напри­мер, озона, дифторида криптона, оксида серы (II), оксида кремния (II).

В промышленных масштабах плазмохимические процессы применяют для производства ацетилена и водорода из природного газа, ацетилена, эти­ле­на и водорода из нефтепродуктов, диоксида титана и т.д.

Плазмохимические процессы отличаются очень малым временем контакта 10^–2–10^–5 с. При этом под временем контакта понимают истинное время реакции в секундах, рассчитываемое по формуле:

, (2.5)

где V – реакционный объем, м³

W_o – объем исходной смеси сырья, подаваемый в реактор в единицу времени, м³/с.

Небольшое время контакта определяет незначительные размеры реак­то­ра. Плазмохимические процессы легко управляемы, оптимизируются и мо­де­ли­ру­ют­­ся, и затраты энергии на их проведение не выше, чем в традиционных про­цессах.

Особое место в ряду перспективных источников энергии занимает водород. Его применение имеет ряд преимуществ:

– широкое распространение в земной коре (горючие ископаемые) и в виде практически неисчерпаемых водных ресурсов;

– высокое энергосодержание (в 3,5 раза выше, чем энергосодержание нефти);

– экологическая чистота продуктов сгорания (вода).

В России наиболее экономичный источник водорода – природный газ, из которого водород получают путем парокислородной или паровоздушной конверсии, базирующейся на следующих химических реакциях:

СН₄ + Н₂О СО + 3Н₂ – 206 кДж/моль; (2.6)

СН₄ + 0,5О₂ СО + 2Н₂ + 35 кДж/моль; (2.7)

2.3. Вода в химической промышленности

Вода – наиболее распространенное вещество на Земле. При этом основная масса воды сосредоточена в мировом океане, и это соленая вода, которая для промышленности практически непригодна без опреснения. Общая масса пресной воды на Земле составляет чуть больше 2,5 % масс. от мировых запасов (35 млн. км³). При этом почти 99 % пресной воды – это подземные воды и ледники вместе со снежным покровом.

Химическое производство – одно из крупнейших потребителей воды. Этот факт объясняется рядом достоинств воды, из которых можно выделить следующие:

– наличие комплекса ценных физических свойств (высокая теплоем­кость, малая вязкость, низкая температура кипения и др.);

– доступность и дешевизна;

– нетоксичность;

– удобство транспортировки и использования в производстве.

В химической промышленности вода используется в следующих на­прав­лениях.

1. Для технологических целей в качестве:

– растворителя, среды для проведения некоторых физических и механи­ческих процессов;

– промывной жидкости для газов;

– экстрагента и абсорбента;

– для перекристаллизации;

– для флотации;

– катализатора или инициатора каталитического процесса (взаимодействие щелочных металлов и водорода с хлором, алкилирование на катализаторе Фриделя – Крафтса проводят в присутствии следов воды).

2. В качестве теплоносителя в виде горячей воды и перегретого водя­ного пара и хладоагента.

3. В качестве сырья или реагента для производства разнообразной хи­ми­ческой продукции. Примеры – синтезы водорода, ацетилена, минеральных кислот, спиртов:

СН₄ + Н₂О СО + 3Н₂; (2.8)

СаС₂ + 2Н₂О = С₂Н₂ + Са(ОН)₂; (2.9)

Р₂О₅ + 3Н₂О = 2Н₃РО₄; (2.10)

СН₂ = СН_{2 газ} + Н₂О_газ С₂Н₅ОН_газ. (2.11)

Объемы потребления воды химическим производством зависят от типа производимой продукции и колеблются в широких пределах. Так для произ­водства азотной кислоты требуется 200 т_H2O / т продукции, вискозного волокна – 1200 т_H2O / т; аммиака – 1500 т_H2O / т; капронового волокна – 2500 т_H2O / т.

Колоссальный расход технологической воды с учетом большого объе­ма загрязненных сточных вод требует рационального подхода к ее использо­ванию в химической промышленности. Эти задачи решают следую­щими спо­собами:

– разработкой научно обоснованных норм расхода на технологические нужды;

– максимально полного использования отходов;

– заменой, где возможно, водяного охлаждения на воздушное;

– организацией замкнутых бессточных производств и водооборотных цик­лов.

Критерием эффективности водооборотного цикла является коэффици­ент использования воды:

К_в= . (2.12)

где V_а и V_сб – объемы забираемой из источника свежей воды и сбрасываемой в водоем сточной воды соответственно. В химической промышленности этот коэффициент составляет 0,8–0,9.

2.3.1. Основные показатели качества воды для химической техно­ло­гии. Вода, используемая в химической промышленности, должна удо­вле­т­во­рять по качеству определенным требованиям. Оно опре­де­ляется совокуп­ностью физических и химических характеристик, среди кото­рых сле­дует отметить следующие: жесткость, окисляемость, рН, доля примесей.

Жесткость – это свойство воды, связанное с присутствием в ней раст­воренных солей кальция и магния. Жесткость (Ж_о) характеризуют концентра­цией ионов Са²⁺ и Mg²⁺ и измеряют в миллимолях на литр воды. По значению Ж_о вода бывает мягкой (Ж_о< 2), средней жесткости (Ж_о = 2–10) и жесткой (Ж_о >10).

Окисляемостью называют свойство воды, связанное с присутствием в воде неорганических веществ, легкоокисляющихся соединений железа и се­ро­водорода, способных окисляться различными окислителями, и измеряется количеством КМпО₄ или эквивалентным количеством кислорода, затрачен­ным на окисление 1 л воды, т.е. миллиграмм на литр (мг/л).

Активная реакция воды характеризует ее кислотность или щелочность (рН). Она определяется присутствием в воде некоторых газов, таких как хлор, оксид углерода (II), гидрокарбонатов, силикатов, реже карбонатов и других, а также растворимых гуминовых кислот и веществ, вносимых в водоем промышленными стоками. Большинство природных вод имеют рН = 6,5–8.

Примеси в природных и сточных водах присутствуют во взвешенном, коллоидном или растворенном состоянии. Примеси во взвешенном состоя­нии – это эмульсии или суспензии. Они кинетически неустойчивы. Примеси в коллоидном состоянии – это гидрофильные и гидрофобные минеральные и органические коллоидные частицы.

2.3.2. Промышленная водоподготовка. Водоподготовкой называют комплекс мероприятий по улучшению качества воды для технологических це­лей. В нее включают операции по удалению механических примесей, умяг­чению, осветлению и дегазации.

Осветление – это отстаивание воды с последующей фильтрацией через зернистый материал. Для коагуляции коллоидных примесей и абсорбции окрашенных частиц к ней добавляют электролиты – сульфаты Al или Fe.

Обеззараживание воды проводят хлором или озоном.

Дегазацию (удаление из воды растворенных газов) ведут химическим способом, при котором газы поглощаются химическими реагентами (напри­мер, в случае диоксида углерода или сероводорода воду обрабатывают моно­эта­ноламином или раствором гашеной извести). Применяют также физичес­кие методы, например термическую деаэрацию на воздухе либо в вакууме.

Обессоливание применяют в тех производствах, где предъявляются по­вы­­ше­нные требования к товарным продуктам на содержание различных ме­тал­лов, имеющихся в воде. В качестве примера можно назвать производства химически чистых реактивов, полупроводниковых материалов, лекарств и т.д. Обессолива­ние ведут ионным обменом, дистилляцией, электродиализом. Наглядное пред­­ставление о методах водоподготовки дает рисунок 2.2.

ОЧИСТКА ВОДЫ

Обессоливание

Рис. 2.2. Методы очистки воды