Тут есть жесткость воды

3.9.1. Вопросы для самоконтроля по теме «Принципы организации ХТП», «Технологическая документация», «Материальный баланс»

Что называют химико-технологической системой?

Изобразите и опишите структуру химического производства.

Какие функциональные элементы включает в себя химическое производство?

Каким требованиям должно удовлетворять химическое производство?

Что понимают под технологической схемой производства?

Что отображает функциональная или блок-схема производства?

Приведите примеры технологической и блок-схемы для различных производств (например, производство аммиака, карбамида, термическая переработка сланца и т.д.).

Какие виды технологических связей существуют между аппаратами ХТС?

В каких случаях в химических производствах целесообразно применять последовательное соединение реакторов?

Что даёт параллельное соединение реакторов? Когда его применяют?

Какая технологическая связь называется байпасом? В каких случаях применяют байпас?

Что такое рецикл? В каких случаях используют схемы с рециклом? Какой эффект даёт применение рециклов?

Принципы составления материального и теплового балансов.

Что понимают под технологическим режимом? Почему нужно строго соблюдать нормы технологического режима?

Что такое технологический регламент? Назовите и кратко охарактеризуйте основные разделы технологического регламента.

Задача 1. Составить материальный баланс производства этилового спирта методом прямой гидратации этилена. Состав исходной парогазовой смеси (в % по объёму): этилен – 60, водяной пар – 40. Степень гидратации этилена равна 5%. Расчёт вести на 1 тонну спирта.

Задача 2. Составить материальный баланс контактного аппарата для окисления аммиака в производстве азотной кислоты. Объём поступающей смеси 58500 м3/ч. Состав смеси (% объёмные): аммиак – 10,0, кислород – 19,0, азот – 71,0. Степень окисления аммиака равна 96,0%.

Задача 3. Составить материальный баланс и определить состав продуктов полного сгорания (в объёмных процентах) 1500 т мазута следующего состава (массовые %): углерод – 86,0, водород – 14,0. Расход воздуха на процесс горения теоретический.

Задача 4. Составить материальный и тепловой баланс процесса сжигания серы в печи производительностью 3000 кг/ч по сере. Степень окисления серы равна 95%. Коэффициент избытка воздуха α = 1,2.

140

4. ХИМИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ВОДОПОДГОТОВКИ

4.1.ПРИРОДНЫЕ ВОДЫ

Химический состав природных вод разнообразен. Воды Мирового океана отличаются от пресных степенью минерализации. В тоже время воды морей могут различаться как по химическому составу, так и по степени минерализации. Состав пресных вод зависит от условий его формирования. Сравнение качества воды различных водных объектов выполняется в соответствии с классификацией природных вод.

Классификация природных вод

В природных водах, используемых для бытовых целей, обычно присутствуют анионы и катионы, от которых в основном и зависят вкусовые и санитарно-гигиенические свойства воды. Поэтому природные воды в основном классифицируют по степени минерализации и по химическому составу.

Классификация по степени минерализации

Природные воды представляют собой собственно воду - химическое соединение кислорода и водорода - и растворенные в ней вещества, обусловливающие ее химический состав и свойства.

В воде растворяются твердые, жидкие и газообразные вещества, которые делятся на три группы:

хорошо растворимые (в 100 г воды растворяется более 10 г вещества);

плохо растворимые, или малорастворимые (в 100 г воды растворяется менее 1 г вещества);

практически не растворимые (в 100 г воды растворяется менее 0,01 г вещества).

Минерализацией называют сумму содержащихся в воде минерал веществ. Минерализацию пресных вод принято выражать в миллиграммах на литр (мг/л) или граммах на литр (г/л), соленых вод рассолов - в граммах на литр или процентах (%). В зависимости от практического применения существует несколько видов классификации природных вод по степени минерализации. Наиболее часто используется классификация, представленная в таблице 1.

Таблица 4.1.Классификация вод по степени минерализации

Классификация по химическому составу

В подавляющем большинстве случаев солевой состав природных вод определяется катионами Са2+, Мg2+, Nа+, К+ и анионами НСO3-, Сl- , SO42-. Эти ионы называются главными

ионами воды или макрокомпонентами; они определяют химический тип воды. Остальные ионы присутствуют в значительно меньших количествах и называются микрокомпонентами; они не определяют химический тип воды.

141

Классификация природных вод по химическому составу, предложенная О. А. Алекиным (рис. 4.1), считается наиболее приемлемой для вод, используемых в питьевых и хозяйственно-бытовых целях. В ее основу положены два принципа: преобладающих ионов и соотношения между ними.

Рис.4.1.Классификация природных вод по химическому составу

По преобладающему аниону воды делятся на три класса: гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные.

Воды каждого класса делятся, в свою очередь, по преобладающему катиону на три группы:

кальциевую,

магниевую

натриевую.

Каждая группа подразделяется на 4 типа по соотношению содержащихся в воде ионов (в

эквивалентах). При этом класс природных вод обозначается символом соответствующего аниона: С — НСО3-, S — SO42-, Сl — Сl-; группа: символом катиона: К+, Na+, Са2+, Мg2+; тип

- римской цифрой.

Факторы, влияющие на химический состав воды

Химический состав природной воды определяет предшествующая ему история, т.е. путь, совершенный водой в процессе своего круговорота. Количество растворенных веществ в такой воде будет зависеть, с одной стороны, от состава тех веществ, с которыми она соприкасалась, с другой - от условий, в которых происходили эти взаимодействия. Влиять на химический состав воды могут следующие факторы: горные породы, почвы, живые организмы, деятельность человека, климат, рельеф, водный режим, растительность, гидрогеологические и гидродинамические условия и пр.

Рассмотрим лишь некоторые факторы, влияющие на состав воды.

Почвенный раствор и фильтрующиеся через почву атмосферные осадки способны усиливать растворение пород и минералов. Это одно из важнейших свойств почвы, влияющее на формирование состава природных вод, является результатом увеличения концентрации

142

диоксида углерода в почвенном растворе, выделяющегося при дыхании живых организмов и корневой системы в почвах и биохимическом распаде органических остатков. Вследствие этого концентрация CO2 в почвенном воздухе возрастает от 0,033 %, свойственных атмосферному воздуху, до 1 % и более в почвенном воздухе (в тяжелых глинистых почвах концентрация CO2 в почвенном воздухе достигает иногда 5-10 %, придавая тем самым раствору сильное агрессивное действие по отношению к породам).

Другим фактором, усиливающим агрессивное действие фильтрующейся через почву воды, является органическое вещество - почвенный гумус, образующийся в почвах при трансформации растительных остатков. В составе гумуса в качестве активных реагентов прежде всего, следует назвать гуминовые и фульвокислоты и более простые соединения, например органические кислоты (лимонная, щавелевая, уксусная, яблочная и др.), амины и т.п.

Почвенный раствор, обогащаясь органическими кислотами и CO2, во много раз ускоряет химическое выветривание алюмосиликатов, содержащихся в почвах. Аналогично вода, фильтрующаяся через почву, ускоряет химическое выветривание алюмосиликатов и карбонатных пород, подстилающих почву. Известняк легко образует растворимый (до 1,6 г/л) гидрокарбонат кальция:

CaCO3 + H2O + CO2 ↔ Ca(HCO3)2

Соли попадают в водоёмы и в результате деятельности человека. Так, хлоридами натрия и кальция зимой посыпают дороги, чтобы растапливать лёд. Весной вместе с талой водой хлориды стекают в реки. Треть хлоридов в реках европейской части России привнесена туда человеком. В реках, на которых стоят крупные города, эта доля гораздо больше.

Рельеф местности косвенно влияет на состав воды, способствуя вымыванию солей из толщи пород. Глубина эрозионного вреза реки облегчает поступление в реку более минерализованных грунтовых вод нижних горизонтов. Этому же способствуют и другие виды депрессий (речные долины, балки, овраги), улучшающие дренирование водосбора.

Климат же, создает общий фон, на котором происходит большинство процессов, влияющих на формирование химического состава природных вод. Климат, прежде всего, определяет баланс тепла и влаги, от которого зависит увлажненность местности и объем водного стока, а следовательно, и разбавление или концентрирование природных растворов и возможность растворения веществ или выпадения их в осадок.

Огромное влияние на химический состав воды и его изменение с течением времени оказывают источники питания водного объекта и их соотношение. В период таяния снега вода в реках, озерах и водохранилищах имеет более низкую минерализацию, чем в период, когда большая часть питания осуществляется за счет грунтовых и подземных вод.

Это обстоятельство используют при регулировании наполнения водохранилищ и сброса из них воды. Как правило, водохранилища наполняют в период весеннего половодья, когда приточная вода имеет меньшую минерализацию.

4.1.1. Растворимые и слаборастворимые соли в природных водах

Катионный и анионный состав пресных вод, определяется наличием в осадочных породах хорошо растворимых минералов. Поэтому в воде присутствуют катионы К+ и Nа+ и анионы Сl-; и SO42-. В таблице 4.2. представлены ионы, наиболее часто встречающиеся в природных водах.

143

Таблица 4.2. Ионы, наиболее часто встречающиеся в природных водах

Ионы кальция и магния с карбонатным ионом CO32- (продукт второй ступени диссоциации угольной кислоты) образуют малорастворимые соединения - так называемые соли жесткости. Эти соединения представлены в природе в виде известняков, мелов, мраморов, кальцитов, доломитов и других минералов, содержащих карбонаты кальция и магния. В то же время гидрокарбонатные ионы HCO3-(продукт первой ступени диссоциации угольной кислоты) образуют хорошо растворимые соединения с ионами кальция и магния. Карбонатные ионы присоединяют ион водорода и превращаются в гидрокарбонатный ион:

СО32- + Н+—› НСО3-

При высоких концентрациях водородных ионов (высокой кислотности соответствует низкое значение рН - меньше 6) происходит растворение карбонатов, поэтому в природных водах

могут присутствовать гидрокарбонатные ионы, карбонатные ионы, а также катионы жесткости Са2+ и Мg2+

Между этими составляющими существует строгое равновесие, которое связано с содержанием в воде углекислого газа, катионов жесткости и гидрокарбонатных ионов. Угольная кислота имеет две ступени диссоциации:

Н2СО3—› Н+ + НСО3- НСО —› Н+ + СО32-

и существует, в основном, в виде углекислого газа, концентрация которого определяется парциальным давлением СО2 в атмосфере и его растворимостью в соответствии с таблицей растворимости газов. В зависимости от содержания в природной воде различных форм угольной кислоты природная вода имеет различное значение водородного показателя.

Правильно также и другое положение: концентрация водородных ионов определяет соотношение между гидрокарбонатными HCO32- и карбонатными CO32- ионами.

Динамическое равновесие между углекислым газом, анионами угольной кислоты, ионами кальция и нерастворимым карбонатом кальция в какой-то степени может быть пояснено рис.4.2.

144

Молярная концентрация соединений угольной кислоты, %

Рис.4.2. Динамическое равновесие между углекислым газом, анионами угольной кислоты, ионами кальция и нерастворимым карбонатом кальция

Из рис.4.2. видно, что при снижении кислотности раствора концентрация водородных ионов снижается, рН раствора повышается и приобретает щелочную реакцию. Гидрокарбонаты переходят в карбонаты, которые после взаимодействия с ионами кальция образуют растворимый карбонат кальция. Происходит осаждение кристаллической фазы карбоната кальция. И, наоборот, при повышенной кислотности воды карбонатные ионы переходят в бикарбонатные, что приводит к растворению карбоната кальция СаСО3.

4.1.2. Газы в природной воде

Если налить в стакан холодную воду из-под крана и поставить в тёплое место, на стенках появятся пузырьки газа. Газы были растворены в холодной воде и выделились при нагревании (поскольку растворимость газов при нагревании уменьшается). Это кислород, азот и углекислый газ. Растворимость газа в воде обычно падает с повышением температуры, что связано с повышением кинетической энергии молекул газа, способствующей преодолению сил притяжения молекул воды. Все природные воды представляют газовые растворы. Наиболее широко распространены в поверхностных водах кислород O2 и двуокись углерода CO2, а в подземных - сероводород H2S и метан CH4. Иногда CO2 в значительных количествах может насыщать также воды глубоких горизонтов. Кроме того, во всех природных водах постоянно присутствует азот N2.

Кислород (O2)

В природных водах присутствуют также растворенные газы. В основном это газы, которые диффундируют в воды из атмосферы воздуха, такие как кислород, углекислый газ, азот. Но в то же время в подземных водах или водах нецентрализованных источников водоснабжения, в минеральных и термальных водах могут присутствовать сероводород, радиоактивный газ радон, а также инертные и другие газы.

Кислород находится в природной воде в виде растворенных молекул. Кислород, являясь мощным окислителем, играет особую роль в формировании химического состава природных вод. Кислород поступает в воду в результате происходящих в природе процессов фотосинтеза и из атмосферы. Расходуется кислород на окисление органических веществ, а также в процессе дыхания организмов. Концентрация растворенного кислорода в природных водах колеблется в ограниченных пределах (от 0 до 14 мг/л, при интенсивном фотосинтезе, в

145

полдень, возможна и более высокая концентрация). Вследствие зависимости концентрации кислорода в поверхностных водах от целого ряда факторов его концентрация значительно меняется в течение суток, сезона и года. Так как потребление кислорода сравнительно мало зависит от суточных изменений солнечной радиации, а фотосинтез всецело определяется ею, то в течение дня происходит накопление кислорода, а в темное время суток расходование его. Кислород необходим для существования большинства организмов, населяющих водоемы. Как сильный окислитель кислород играет важную санитарно-гигиеническую роль, способствуя быстрой минерализации органических остатков.

Диоксид углерода (CO2) находится в воде главным образом в виде растворенных молекул газа CO2. Однако часть их (около 1 %) вступает во взаимодействие с водой, образуя угольную кислоту:

CO2 + H2O ↔ H2CO3

Обычно же не разделяют CO2 и H2CO3 и под диоксидом углерода подразумевают их сумму (CO2 + H2CO3). В природных водах источником диоксида углерода являются, прежде всего, процессы окисления органических веществ, происходящие с выделением CO2 как непосредственно в воде, так и в почвах и илах, с которыми соприкасается вода. К ним относятся дыхание водных организмов и различные виды биохимического распада и окисления органических остатков. В некоторых подземных водах важным источником диоксида углерода являются вулканические газы, выделяющие из недр земли, происхождение которых связано с дегазацией мантии и со сложными процессами метаморфизации осадочных пород, протекающими в глубинах под влиянием высокой температуры. Поэтому часто в подземных водах и источниках глубинного происхождения наблюдается высокое содержание диоксида углерода. Поглощение водой диоксида углерода из атмосферы имеет более важное значение для воды морей и океана и менее значимо для вод суши. Уменьшение содержания диоксида углерода прежде всего происходит при фотосинтезе. При очень интенсивном фотосинтезе, когда отмечается полное потребление газообразного CO2, последний может быть выделен из ионов HCO3-.

HCO3- ↔ CO32- + CO2

Диоксид углерода расходуется также на растворение карбонатов:

CaCO3 + CO2 + H2O ↔ Ca(HCO3)2

Наименьшая концентрация CO2 наблюдается в поверхностных водах, особенно минерализованных (моря, соленые озера), наибольшая - в подземных и загрязненных сточных водах. В реках и озерах концентрация CO2 редко превышает 20-30 мг/л.

Растворенный молекулярный азот (N2) - наиболее постоянный газ в природных водах. В высшей степени химически устойчивый и биологически трудно усвояемый, азот, будучи занесен в глубинные слои океана или подземные воды, меняется главным образом лишь под влиянием физических условий (температура и давление). Растворенный в поверхностных водах азот имеет преимущественно воздушное происхождение. Наряду с этим в природе широко распространен азот биогенного происхождения, возникающий в результате денитрификации.

Газ метан (CH4) относится к числу наиболее распространенных газов в подземных водах. В газовой фазе подземных вод почти всегда количественно преобладает азот, двуокись углерода или метан. Основным источником образования метана служат дисперсные органические вещества в породах. Метан и тяжелые углеводороды, нередко встречаются в значительных концентрациях в глубинных подземных водах закрытых структур, связанных с

146

нефтеносными месторождениями. В небольшой концентрации метан наблюдается в природных слоях озер, где он выделяется из ила при разложении растительных остатков, а также в океанических донных отложениях в районах высокой биологической продуктивности.

Газ сероводород (H2S) является одним из продуктов распада белкового вещества, содержащего в своем составе серу, и поэтому скопление его часто наблюдается в придонных слоях водоемов вследствие гниения различных органических остатков. В нижних частях глубоких озер и морей, где отсутствует водообмен, часто образуется сероводородная зона. При парциальном давлении сероводорода в атмосфере, равном нулю, длительное присутствие его в поверхностных водах невозможно. Кроме того, он окисляется кислородом, растворенным в воде. В реках сероводород наблюдается лишь в придонных слоях, главным образом в зимний период, когда затруднена аэрация водной толщи. Присутствие сероводорода в природных незагрязненных поверхностных водах - сравнительно редкое явление. Гораздо чаще сероводород присутствует в подземных водах, изолированных от поверхности и в сильно загрязненных поверхностных водах, в которых он служит показателем сильного загрязнения и анаэробных условий.

4.2.ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ ВОДЫ

Мутность и прозрачность

Мутность воды вызвана присутствием тонкодисперсных примесей, обусловленных нерастворимыми или коллоидными неорганическими и органическими веществами различного происхождения.

Мутность чаще всего измеряют в нефелометрических единицах мутности НЕФ (NTU) для небольших значений в пределах 0–40 НЕФ (NTU), например, для питьевой воды. В условиях большой мутности обычно применяется измерение единиц мутности по формазину (ЕМФ). Пределы измерений – 40–400 ЕМФ. Индикатор по НЕФ (NTU) – рассеивание излучения, по ЕМФ – ослабление потока излучения.

Таблица 4.3.Характеристика вод по прозрачности

Наряду с мутностью, особенно в случаях, когда вода имеет незначительные окраску и мутность, и их определение затруднительно, пользуются показателем «прозрачность». Мера прозрачности – высота столба воды, при которой можно наблюдать опускаемую в воду белую пластину определенных размеров (диск Секки) или различать на белой бумаге шрифт определенного размера и типа (шрифт Снеллена). Результаты выражаются в сантиметрах (таблица 4.3.).

Запах воды

Характер и интенсивность запаха природной воды определяют органолептически. По характеру запахи делят на две группы:

147

естественного происхождения (живущие и отмершие в воде организмы, загнивающие растительные остатки и др.) (таблица 4.4.);

искусственного происхождения (примеси промышленных и сельскохозяйственных сточных вод).

Таблица 4.4. Запахи естественного происхождения

Интенсивность запаха оценивают в шестибальной шкале. Характеристика вод по интенсивности запаха приведена в таблице 4.5.

Таблица 4.5.Характеристика вод по интенсивности запаха

Запахи второй группы (искусственного происхождения) называют по определяющим запах веществам: хлорный, бензиновый и т.д.

Вкус и привкус

Интенсивность вкуса и привкуса определяется также по шестибальной шкале – таблица 4.6..

Различают четыре вида вкусов: соленый, горький, сладкий, кислый.

Качественную характеристику оттенков вкусовых ощущений – привкуса – выражают описательно: хлорный, рыбный, горьковатый и так далее.

148

Таблица 4.6. Характеристика вод по интенсивности вкуса

Наиболее распространенный соленый вкус воды чаще всего обусловлен растворенным в воде хлоридом натрия, горький – сульфатом магния, кислый – избытком свободного диоксида углерода и т.д.

Цветность

Показатель качества воды, характеризующий интенсивность окраски воды и обусловленный содержанием окрашенных соединений, выражается в градусах платино-кобальтовой шкалы и определяется путем сравнения окраски испытуемой воды с эталонами.

Цветность природных вод обусловлена главным образом присутствием гумусовых веществ и соединений трехвалентного железа, колеблется от единиц до тысяч градусов – таблица 4.7.

Таблица 4.7. Характеристика вод по цветности

Минерализация

Минерализация – суммарное содержание всех найденных при химическом анализе воды минеральных веществ. Минерализация природных вод, определяющая их удельную электропроводность, изменяется в широких пределах. Большинство рек имеет минерализацию от нескольких десятков миллиграммов в литре до нескольких сотен. Их удельная электропроводимость варьирует от 30 до 1500 мкСм/см.

Минерализация подземных вод и соленых озер изменяется в интервале от 40–50 мг/л до сотен г/л (плотность в этом случае уже значительно отличается от единицы). Удельная электропроводимость атмосферных осадков с минерализацией от 3 до 60 мг/л составляет значения 10–120 мкСм/см. Природные воды по минерализации разделены на группы (таблица 4.8.). Предел пресных вод – 1 г/кг – установлен в связи с тем, что при минерализации более этого значения вкус воды неприятен – соленый или горько-соленый.

149