книги из ГПНТБ / Фурмер, И. Э. Общая химическая технология учеб. пособие

ипостоянная жесткость, так как все соли кальция и магния переходят

внерастворимый осадок в виде карбоната кальция СаС03 и гидрооки­

си магния Mg(OH)2.

Для умягчения воды применяют фосфат натрия Na3P 0 4, который переводит соли кальция и магния из раствора в нерастворимый оса­ док фосфатов кальция и магния (устраняется временная и постоянная

свойстве некоторых труднорастворимых веществ — ионитов обменивать свои ионы на ионы солей, растворенных в воде. Например, ионит алю­

за и др., способных разрушать (корродировать) аппаратуру, осуще­ ствляют, продувая воду воздухом. Растворенные газы переходят из воды в воздух и вместе с ним удаляются. Этот процесс называют так­

химических предприятий содержат загрязнения в виде кислот, щело­ чей, солей, всевозможных органических веществ, часто ядовитых для растительных и животных организмов. Сбрасывать такие воды в прилегающие к заводу водоемы недопустимо. Действующее в СССР

законодательство предусматривает строгую санитарную охрану ес­ тественных водоемов. Спуск промышленных сточных вод в водоемы производится в соответствии с санитарными правилами. При очистке сточных вод разрушают имеющиеся в них вредные примеси и перево­ дят их в безвредную форму или извлекают для последующего исполь­ зования в качестве сырья.

Ввиду многообразия химических производств загрязненность сточ­ ных вод может быть самой различной.

Существуют следующие способы очистки и обезвреживания сточ­ ных вод:

м е х а н и ч е с к и е — отстаивание и фильтрование, проводи­ мые для удаления взвешенных частиц;

31

вод населенных пунктов с помощью некоторых микроорганизмов, например хлопьевидных колоний бактерий и низших организмов, со­ держащихся в активном иле. Органические примеси в результате жизнедеятельности микроорганизмов превращаются в углекислый газ, нитраты, воду и окислы.

Потребление воды на больших химических комбинатах измеряется миллионами кубометров, поэтому во многих производствах отработан­ ная вода, например вытекающая из холодильников, вновь использу­ ется в производстве. Такая вода называется о б о р о т н о й . Оборот­ ную воду охлаждают в специальных водоемах (прудах), иногда пред­ варительно разбрызгивая ее, или подают сверху в деревянную башню с насадкой из решеток и реек. Стекая вниз по насадке, вода охлаждает­ ся движущимся навстречу холодным воздухом. Такие башни назы­ вают градирнями.

§ 4. Энергетика химической промышленности

Химические производства потребляют значительные количества энергии. Энергия затрачивается не только на проведение химических реакций, но также на транспортировку материалов, дробление и измельчение твердых веществ, фильтрацию, сжатие газов и др.

В фабрично-заводской стоимости химической продукции затраты энергии составляют около 10%, что свидетельствует о высокой энерго­ емкости химических производств.

Виды энергии. В химической промышленности применяются элек­ трическая, тепловая, химическая, световая, внутриядерная энергия

ивторичные энергетические ресурсы.

Эл е к т р и ч е с к а я энергия необходима для разложения под

действием электрического тока (электролиза) растворов и распла­ вов, нагревания реакционных смесей до высокой температуры (элект­ ротермические процессы), превращения ее в механическую энергию, используемую для транспортировки материалов, дробления, сжатия

газов и т. д.

Т е п л о в у ю энергию применяют для нагрева, сушки, выпарки,

дистилляции и т. д.

Х и м и ч е с к а я э н е р г и я используется в гальванических элементах и аккумуляторах, где она преобразуется в электрическую

32

высокую температуру, используют для нужд предприятий и тем са­ мым сокращают потери энергии в окружающую среду.

Источники энергии. Для производства химических продуктов в качестве источников энергии используют уголь, нефть, горючие слан­

ных химических реакций, к общему количеству затраченного тепла.

Во многих производствах этот коэффициент невысок. Так, в про­ цессе обжига известняка, при котором при 900° С протекает реакция

СаС03 = СаО + С02 ^ (III, 7)

коэффициент использования тепловой энергии составляет около 65%. При этом 25% тепла теряется с продуктами, выходящими из аппара­ та (СаО и С02), и 10% — в окружающую среду. Вследствие этого перед химическими предприятиями ставится задача использования тепла выходящих из реакционных аппаратов газов, жидкостей и

Тепло отходящих нагретых газов используют чаще всего для пред­

варительного нагревания материалов, поступающих в реакционные аппараты, или для получения пара, необходимого в производстве. Для этой цели служат теплообменники, называемые рекуператорами

ирегенераторами тепла, и котлы-утилизаторы.

Ре к у п е р а т о р (рис. 6) — обычно цилиндрический аппарат 2,

внутри которого помещены плиты 1 с развальцованными в них труба-

Горячие газы,

\

Охлажденные газы

ми. Горячие газы, выходящие из реакционного аппарата, проходят, например, по трубкам 3 регенератора; холодные газы, которые долж­ ны быть поданы в реакционный аппарат, движутся в межтрубном пространстве. В результате теплообмена через стенки трубок прохо­ дит охлаждение горячих газов и нагрев холодных.

Р е г е н е р а т о р — периодически действующая камера, запол­ ненная насадкой (рис. 7). Вначале через камеру 1 пропускают горячие газы, выходящие из реакционного аппарата. Газы соприкасаются с насадкой 2, отдают ей тепло и охлаждаются; насадка при этом нагрева­ ется. Затем прекращают подачу горячих реакционных газов и через горячую насадку начинают пропускать холодные газы, которые далее должны поступать в реактор. Холодные газы отбирают тепло от на­ садки и нагреваются; насадка при этом охлаждается. Затем через ох­ лажденную насадку продувают горячие газы и т. д.

Для создания непрерывного процесса устанавливают, по крайней

34

мере, два регенератора. В этом случае, когда одна камера работает на нагревание насадки, т. е. через нее пропускают горячие газы, в другой камере пропускают холодный газ, т. е. насадка отдает тепло холодному газу. Через некоторый промежуток времени происходит автоматическое переключение потоков газов.

Рис. 8. Схема котла-утилизатора:

1 — вентиль, 2 — влагоотделитель, 3 — корпус котла, 4 — трубы, 5 — штуцер

изображена одна из конструкций котла-утилизатора. Горячие газы движутся по трубам 4, находящимся в корпусе котла 3. Вода посту­ пает в межтрубное пространство котла через штуцер 5. Полученный пар выводится через влагоотделитель 2 и вентиль 1.

Тепло отходящих газов иногда применяют для нагревания возду­ ха или воды, идущих на отопление заводских зданий и для других целей (горячая вода для душевых, парникового хозяйства и др.).

Энергию сжатых газов или жидкостей, выходящих из реакцион­ ных аппаратов, используют для приведения во вращение колес газо­ вых и водяных турбин, смонтированных на одном валу с насосом и электродвигателем, и тем самым уменьшают расход электрической энергии, которой питают электродвигатель.

Потери тепла в окружающую среду через стенки реакционного аппарата уменьшают, покрывая наружные стенки аппаратов тепло­ вой изоляцией или футеруя внутренние стенки материалами, плохо

проводящими тепло. При выборе конструкции аппарата следует от­ давать предпочтение аппаратам с минимальной поверхностью тепло­ отдачи в окружающую среду.

К о н т р о л ь н ы е в о п р о с ы ,

1.На какие группы подразделяют сырье для химической промышленности?

2.Почему необходимо обогащать сырье?

3.Назовите методы обогащения твердых горных пород.

4.На каком принципе основано гравитационное обогащение?

8.Приведите пример комплексного использования сырья.

9.Какую воду называют жесткой и каким образом понижают жесткость

воды?

утилизаторы?

ГЛАВА IV

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

§ 5. Понятие о химико-технологическом Процессе

и в ы д е л е н и я ц е л е в ы х п р о д у к т о в .

Всякий химико-технологический процесс должен отвечать опреде­ ленным требованиям. Прежде всего химико-технологический процесс стремятся проводить в таких условиях, которые позволяют получить м а к с и м а л ь н ы й в ы х о д п р о д у к т а — т. е. наибольшее количество продукта из взятого количества сырья. Очень важно, что­

исходных веществ можно переработать в аппарате в продукты за один час, т. е. с повышением скорости процесса увеличивается производи­ тельность аппаратуры. И, наконец, не менее важно, чтобы получаемый продукт был д е ш е в ы м и обладал в ы с о к и м к а ч е с т в о м .

Для удовлетворения перечисленных выше требований процесс необходимо проводить в оптимальных условиях.

Оптимальные условия ведения процесса — это наиболее выгодное соче­ тание основных показателей процесса (температуры, давления, концен­ трации исходных реагентов и т .д.), позволяющее получить наибольший выход продукта с большой скоростью и снизить расходы сырья, энергии, топлива, затраты на строительство и эксплуатацию аппаратуры> затраты труда на производство продукта. В оптимальных условиях должны быть проведены все три стадии технологического процесса. Выбрать оптимальные условия невозможно без знания основных зако-

36

номерностеи, которым подчиняются химико-технологические про­ цессы.

Подготовка сырья. Требования, предъявляемые к сырью, зависят от вида химического производства. В одних случаях удобно перераба­ тывать сырье в твердом виде, в других — в виде раствора, расплава или газа. Для одних химико-технологических операций целесообраз­ нее перерабатывать твердое сырье в виде мелких, для других — в виде более крупных кусков. Часто переработка сырья становится возможной лишь после повышения концентрации полезного компо­ нента в нем (концентрирования сырья). Существует и ряд других требо­

ряда связанных между собой элементарных процессов: подвода реагентов в зону реакции, химических реакций и отвода полученных продуктов из зоны реакции. Например, для осуществления процесса сжигания угля в кислороде воздуха необходимо, чтобы молекулы кислорода имели возможность подойти из пространства, заполненного воздухом, к поверхности твердых частичек. Там при взаимодействии

Образовавшийся углекислый газ С02 удаляется с поверхности твер­ дой частички угля (рис. 9).

Если воздух вокруг твердой частички угля неподвижен, то подвод кислорода к ней и отвод углекислого газа могут осуществляться толь­ ко за счет беспорядочного движения молекул газа, т. е. п о с р е д с т- в о м м о л е к у л я р н о й д и ф ф у з и и . В движущейся среде, когда воздух потоком перемещается вокруг частичек угля, перенос вещества (02 и С02) осуществляется не только молекулярной диффу­ зией, но и самой средой в направлении ее движения, т. е. к о н в е к-

37

ц и е й. При интенсивном перемешивании реагирующих веществ конвективный перенос называют также т у р б у л е н т н о й д и ф ­ ф у з и е й .

Многие химические процессы являются многофазными, т. е. со­ стоящими одновременно из нескольких фаз. Фаза — однородные ча­ сти системы, одинаковые по составу, физическим и химическим свой­ ствам и ограниченные от других частей системы поверхностью раздела. Участвующие в реакции вещества могут находиться в следующих фазах: твердой — Т, газовой — Г или жидкой — Ж-

Примером многофазного процесса служит приведенный выше про­ цесс окисления угля кислородом воздуха. В этом процессе имеются две фазы: газовая (Г) и твердая (Т). В газовой фазе находится один из исходных реагентов — кислород и продукт реакции — углекис­ лый газ, а в твердой фазе второй реагент — углерод. Примером двух­ фазного процесса с участием газа и жидкости (Г—Ж) является про­ цесс поглощения серного ангидрида S 03 водой:

Есть процессы, в которых имеются все три фазы: твердая, жидкая газообразная. В многофазных процессах подвод реагентов в зону реакции и отвод продуктов из зоны реакции связаны с переносом ве­ щества из одной фазы в другую. Так, в последнем примере химическая реакция поглощения серного ангидрида водой может осуществиться лишь при условии, что S 03 из газовой фазы перейдет в жидкую, а затем уже вступит в реакцию. Такие процессы перехода вещества из одной

фазы в другую называются м а с с о п е р е д а ч е й .

В большинстве случаев в результате химических превращений не получают чистого продукта. Он может быть смешан с частично непро­ реагировавшим сырьем, а если по реакции получается не один продукт, а несколько, то целевой (нужный нам) продукт будет смешан с рядом побочных продуктов, которые в данном процессе не используются. Поэтому целевой продукт необходимо выделить из смеси продуктов.

Выделение целевых продуктов. Последняя стадия технологиче­

стоящие из жидкостей, кипящих при разных температурах. Если, например, нагреть и частично испарить жидкость, состоящую из эти­ лового спирта и воды, то спирт будет легче испаряться, чем вода, так как он кипит при более низкой температуре. Поэтому спирта в парах будет больше, чем в исходной жидкой смеси. Если эти пары отделить, снова охладить и превратить в жидкость (сконденсировать), то содер­ жание спирта в ней также будет больше, чем в исходной смеси. При повторении тех же операций (испарения и конденсации) с обогащен­ ной спиртом жидкостью можно получить продукт с еще большим со­ держанием спирта. Именно такой процесс и происходит при ректифи­ кации, когда в ректификационной колонне при подогреве жидкости

38

многократно повторяются частичное испарение смеси и конденсация паров.

А б с о р б ц и я — поглощение газа жидкостью — применяется для разделения газовых смесей, в состав которых входят газы, поразному поглощающиеся жидкостью. Процесс связан с переходом вещества из газовой фазы в жидкую. Его осуществляют в абсорбцион­ ных колоннах, где газовую смесь приводят в соприкосновение с жид­ костью. Жидкость подбирают так, чтобы она поглощала только те газы, которые нужно выделить из смеси. Остальные газы, неспособные

газовой смеси азота с водородом, смесь пропускают через колонну, в которую подают воду. В воде растворяется только углекислый газ, и из колонны выходит очищенная от углекислого газа смесь, состоя­ щая из азота и водорода.

Процесс, при котором для разделения газовых или жидких смесей используют не жидкий, а твердый поглотитель, называют а д- с о р б ц и е й . Этот процесс разделения характеризуется переходом вещества из газовой или жидкой фазы в твердую.

К р и с т а л л и з а ц и е й можно выделить вещество из раство­ ра или расплава в твердом виде. Подбирают такие условия, при ко­ торых снижается растворимость вещества, вследствие чего оно из жидкой фазы выделяется в виде кристаллов.

При в ы п а р и в а н и и разделение веществ происходит за счет перехода одного из веществ в паровую фазу из жидкости.

§ 6. Классификация химических реакций

Особо важное место в химической технологии занимает изучение самой существенной стадии химико-технологического процесса — химических превращений. Химические реакции, протекающие в про­ мышленных процессах, весьма разнообразны. Их классифицируют по различным признакам.

По у с л о в и я м п р о в е д е н и я реакции подразделяются на: 1) изотермические, протекающие при постоянной температуре, и неизотермические, при которых температура процесса непостоянна;

2)протекающие при постоянном или переменном объеме (давлении)-,

3)адиабатические (без подвода тепла извне или отвода тепла в окру­ жающую среду) и неадиабатические (когда имеется теплообмен с ок­ ружающей средой).

По ф а з о в о м у с о с т о я н и ю р е а г е н т о в реакции де­ лят на гомогенные (однородные) и гетерогенные (неоднородные). В го­ могенных реакциях все взаимодействующие вещества находятся в одной фазе — газовой (Г), жидкой (Ж) или твердой (Т). Примером гомогенной реакции, протекающей в газовой фазе, является окисление окиси азота N 0 кислородом:

39