охт (6sem) / методички митхт / Principals of technology

б) увеличение давления в процессах, протекающих с уменьше­

нием числа молей, и, наоборот, его понижение при возрастании числа

молей по мере протекания реакции;

В) вывод продуктов из сферы реакции.

)Lля СНИ1Кения сопротивления в процессах массопередачи про­

водят турбулизащпо газового потока, повышают линейную скорость,

проводят измельчение твердой фазы.

Однако, существует целый ряд процессов, для которых высокая

интенсивность приводит к нежелательным явлениям. Так, в сильно

экзотермических процессах она может привести к тепловому взрыву,

как и для некоторых цепных реакций. Например, в реакциях с боль­

шой скоростью полимеризации значительное увеличение конпентра­

ции не позволит остановить процесс на получении полимера с опре­

деленной молекулярной массой. Для процессов абсорбции с одно­

временно протекающей экзотермической реакцией увеличение по­

верхности контакта приведет к резкому увеличению температуры, и,

соответственно, рос1У равновесного парциального давления р* по­

глощаемого компонента. При этом уменьшится движущая сила про­

цесса: д= р - р*. Отсюда возникает необходимость поиска компро­

миссного решения, т.е. технологической соразмерности. Так, по­

следней стадией в производстве олеума является абсорбция SОз, При

этом протекают сильно экзотермические реакции:

4\

www.mitht.ru/e-library

Скорость процесса может быть описана уравнением:

r=К·F·(Рsоз-Р*sоз), (1.4)

где К - коэффициент абсорбции; F - поверхность контакта фаз;

Рsоз - парциальное давления SОз в газе, поступающем на аб­

сорбцию; р'sоз - парциальное (равновесное) давление SОз над

поглощающей жидкостью, зависящее от поглотителя и темпера-

туры процесса.

Оптимальным поглотителем была бы вода, над которой Р*sоз =

О. Однако, при этом выделилось бы такое количество теплоты, кото­ рое невозможно было бы отвести (увеличение концентрации SОз в

целевом продукте на 1% вызывает повышение температура в аппара­

те на 200 С). В результате перегрева вода переходит в пар и происхо-

,

дит образование сернокислотного тумана, который не улавливается в

абсорбционной системе и выбрасывается в выхлопную трубу, что

приводит к образованию и выпадению «кислых ДОЖдей». Поэтому

для орошения используют 18,5% олеум, закрепляя его до товарного

20%-го, а оставшийся непоглощенным SОз абсорбируют во втором

абсорбере. Таким образом, умышленно снижают движущую силу

массопередачи, но при этом применяют противоток, чтобы обеспе-

чить высокую движущую силу теплопередачи.

www.mitht.ru/e-library

Глава 4. ПРИНЦИП ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ХИМИЧЕСКИХ

ПРОИЗВОДСТВ

«- все связано со всем;

- все должно куда-то деваться;

- природа знает лучше;

- ничто не дается даром.•. ))

Барри Коммонер, ЭКОJlОГ

Основное содержание принципа экологической безопасности:

«НЕ НАВРЕДИ!»

Промышленные предприятия, в том числе химические, воздей­

ствуют на окружающую среду уже самим процессом функциониро­

вания. Промышленное строительство, прокладка инженерных и

транспортных коммуникаций и особенно расширение добычи полез­

ных ископаемых приводят к резкому возрастанию количеств терри­

торий с нарушенными почвами и рельефом. Техногенные нарушения

природной среды связаны с ландшафтными и экологическими на­

рушениями.

Кландшафтным нарушениям относятся:

-нарушение земельных угодий в результате прокладки трубо­

проводов, линий электропередач, дорог;

- отвод земляных участков под промышленные объекты и, со­

ответственно, изъятия их из сельскохозяйственного и рекреа­

ционного оборотов;

-выработанные пространства в результате добычи полезных

ископаемых;

43

www.mitht.ru/e-library

- отвальные площади и шлаконакопители.

Экологические нарушения ВКJПOчают:

-изменения гидрогеологии в регионе;

-загрязнение прилегаюших территорий, воздушного и водного

бассейнов.

Производство воздействует на все составляющие биосферы:

- аш.'Носфера: забирается воздух в качестве сырья и для других технологических нужд; выбрасываются с газами вредные вещества,

да и выброс безвредных веществ может нарушать экологическое рав­

новесие;

- гидросфера: забор воды в качестве сырья и для других техно­

логических нужд (например, в качестве охлаждающего агента в теп­

лообменниках); истощение континентальных гидроресурсов и их за­

грязнение;

- литосфера: истощение запасов природных ресурсов; загряз­

нение поверхности земли отходами производства и потребления; не­

возобновляемые ресурсы уничтожаются (например, ископаемое топ­

ливо), и:ти рассеиваются (например, метал:лы).

Основное негативное воздействие предприятий на окружающую

среду связано с образованием отходов, загрязняющих биосферу газо­

выми выбросами, сточными водами и твердыми отходами. К отходам

относятся вещества, которые утратили свои первоначальные качест­

ва, не соответствуют требуемым стандартам и не обладают потреби­

тельской ценностью. Однако, как говорил Д.И. Менделеев: « ...нет

отходов и отбросов, а есть сырье, не нашедшее своего хозяинФ>.

44

www.mitht.ru/e-library

Поэтому, как только отходы приобретают потребительскую цен­

ность, то переходят в разряд вторичных материальных ресурсов

(БМР) или вторичных энергетических ресурсов (БЭР).

Необходимо различать отходы и побочные продукты. Побоч­

ные продукты - стандартизированные вещества, получаемые попут­

но в процессе химического производства, имеющие потребительскую

ценность, но не являющиеся целевыми продуктами данной техноло­

гии. Например, отходящие газы обжига сульфидных руд, содержа­

щие S02, используются в производстве серной кислоты или серы.

Следует отметить, что биосфера функционирует по цикличе-

ским принципам, в то время как производственная деятельность

осуществляется по линейным принципам:

сырье -----.. производство -----.. потребление

1 1

отходы отходы

Интересно отметить, что химические предприятия выбрасыва­

ют меньше вредных веществ, чем предприятия металJIУРГИИ, ТЭЦ

или автотранспорт, но более токсичные и в гораздо большем ассор­

тименте. Кроме того, низкий кпд использования энергии в химико­

технологических системах (не более 40%), приводит к тепловым вы­

бросам, нарушающим экологическое равновесие в зоне функциони­

рования предприятия, а в глобальном масштабе - к тепловому за­

грязнению планеты.

45

www.mitht.ru/e-library

Рассеивание тепла влияет на температурный режим среды оби­

тания всего живого и может нарушить динамику происходящих в ней

процессов. Тепловые выбросы ХТС - это тепло дымовых газов; теп­

ло, выводимое оборотной водой и с воздушным охлаждением; потери

тепла в окружающую среду. Тепловые отходы образуются из-за не­

полноты использования тепловых и энергетических ресурсов. Реали­

зация принципа наилучшего использования энергии в ХТС (см. раз­

дел 3) позволяет сократить тепловые выбросы, но, поскольку все

процессы в ХТС необратимы, это приводит к снижению качества

энергии, определяемой коэффициентом ценности тепла: (Т - то)п,

где Т - температура источника тепла, а То - температура окружаю­

щей среды.

Наиболее сложным является утилизация именно низкопотенци­

ального тепла (потоки с температурой 100-200°С). Например, в дос­

таточно совершенной ХТС по производству азотной кислоты темпе­

ратура выхлопных газов, несмотря на предварительную утилизацию

их энергии, составляет 170°С.

На современном этапе основным направлением развития хими­

ческой промышленности является создание «безотходныХ>} произ­

водств.

В настоящее время под безотходной технологией понимают

такой принцип организации производства, при котором цикл: сырье­

вые ресурсы - производство - потребление - BJ\1P построен с рацио­

нальным использованием всех компонентов сырья, всех видов энер­

гии и без нарушения экологического равновесия:

46

www.mitht.ru/e-library

вторичные материальные (энергетические) ресурсы

Таким образом, безотходное производство - это производство С

замкнутыми материальными и энергетическими потоками.

Учитывая тот факт, что реализовать в абсолютном варианте это

невозможно, термин «безотходная технология» рассматривается в

качестве теоретического предела, идеальной модели, .которая может

быть реализована лишь частично. Отсюда появляется понятие - ма­

лооmxодная технология - способ производства продукции, при ко­

тором вредное воздействие на окружаюшую среду не превышает

уровня, допустимого санитарно-гигиеническими нормами (в частот­

ности, ПДК).

в настояшее время применяется, в основном, термин «чистое

nроuзводство» - это производство, которое характеризуется непре­

рывным и полным применением к процессам и продуктам природо­

охранной стратегии, предотвращающей загрязнение окружающей

среды таким образом, чтобы понизить риск для человечества и окру­

жающей среды. Например, такие современные производства, как

производство аммиака, азотной кислоты, серной кислоты (из серы),

47

www.mitht.ru/e-library

метанола, этанола, аммофоса и ряд других можно отнести к разряду

малоотходным технологиям.

Однако, следует иметь в виду, что, например, для производства

аммофоса путем взаимодействия аммиака с фосфорной кислотой не­

обходимо предварительно провести операции обогащения апатито­

вой руды и разложения полученного концентрат (СаS(Р04)зF) серной

кислотой:

СаS(Р04)зF + 5H2S04= 5CaS04 ~ + 3НЗР04 + HF.

При этом на каждом этапе обр~уется огромное количество отходов,

а проблема утилизации образующегося гипса (фосфогипса) является

одной из самых актуальных в технологии минеральных удобрений.

Это наглядный пример функционирования химического произ­

водства в единой системе и его ,следует учитывать при разработке

малоотходных технологий.

Главное требование к образующимся отходам - они должны

легко подвергаться регенерации, а переходя~ие в окружающую сре­

ду вещества должны быть ассимилированы экологическими систе­

мами. Примером образования подобного рода отходов является ката­

литическая очистка отходящих газов производства азотной кислоты.

Оксиды азота, остающиеся в отходящих после абсорбции газах, ВОС-

станавливаются метаном на аллюмопалладиевом катализаторе при

температуре 7000С:

4NO + СН4 = С02 + 2Н2О + 2N2 • ( - Ы111646 кДж)

Образующиеся при этом вещества легко включаются в соответст­

вующий природный цикл. К недостатку данного метода следует от-

48

www.mitht.ru/e-library

нести выброс большого количества СО2, что особенно актуально для

агрегатов большой единичной мошности. Замена метана на аммиак

позволит устранить это недостаток. Следует отметить, что допусти­

мые пределы воздействия на окружающую среду определяются ус­

тойчивостью соответствующих экоеистем. Под термином устойчи­

вость понимают способность системы сохранять свои свойства при

изменении параметров её функционирования. Величина воздействия,

которое данная система может перенести без вреда для себя, называ­

ют буферной емкостью системы. Воздействие, большее буферной

ёмкости, приведёт либо к перерождению системы, а в худшем случае

- к её гибели. Поэтому необходимо постоянно следить за последст­

виями воздействия производственных систем на окружающую среду

- проводить сё мониторинг*) и уменьшать, либо прекрашать это воз­

действие когда появляются первые признаки превышения буферной

ёмкости.

Суммарный баланс в сфере производства может быть выражено

следующим уравнением:

R = АО - У) + S,

где R - расход природных ресурсов, кг/с; А - количество отходов,

образующихея в сферах производства и потребления, кг/с;

У - средний коэффициент использования отходов (техноло-

*) Мониторинг - система наблюдений, оценки и прогноза со­

стояния природной среды или ее структурных элементов в связи с

воздействием определенного фактора или группы факторов.

49

www.mitht.ru/e-library

гически возможная и экологически целесообразная степень

использования отходов), кг/кг; S - количество получаемого

продукта, кг/с.

Как видно, для уменьшения расхода природных ресурсов необ­

ходимо понизить удельное количество отходов производства A(l-Y).

Это возможно либо за счет сокращения количества образующихся

отходов (А), либо за счет повышения среднего коэффициента ис­

пользования отходов (У). Какой путь выбрать определяет техниче­

ская возможность предприятия и экономическая целесообразность.

Чтобы сократить количество образующихся отходов, необходимо ус­ тановить причину их образования. Так, в химическом производстве основными причинами образования отходов являются:

- наличие примесей в сырье;

-протекание побочных реакций;

-неполнота протекания основного взаимодействия;

-образование побочных продуктов в основных реакциях.

Следовательно, для сокращения количества отходов и создания "чис­

тых" производств необходимо осуществлять максимальное совер­

шенствование ХТС при комплексном использовании сырья.

Необходимо отметить, что практически все сырьевые источники

многокомпонентны и в среднем, примерно, 30% стоимости состав­

ляют сопутствующие компоненты. При комплексном использовании

сырья основным производстненным операциям получения целевого

продукта сопутствуют дополнительные операции по извлечению

ценных, но не нужных основному производству веществ и перера-

www.mitht.ru/e-library