5. Технология подготовки промышленной воды. Методы умягчения и обессолевания воды. Очистка сточных вод.

Водоподготовка промышленных вод. Промышленные воды не должны содержать различных примесей больше допустимой нормы, которая устанавливается в зависимости от назначения. Например, вода для прямоточных паровых котлов не должна содержать оксид углерода (IV) и кислород, вызывающий сильную коррозию труб котла Вода высокой степени очистки необходима для производства полупроводников и люминофоров. Основные виды водоподготовки промышленных вод: коагуля­ция, отделение взвешенных примесей отстаиванием и фильтровани­ем, умягчение, обессоливание, дистилляция, деаэрация. Процессы коагуляции, отстаивания и фильтрации аналогичны применяемым для водоподготовки питьевых вод. В цехах водоподготовки про­мышленных предприятий обычно применяют вертикальные скоростные фильтры, в которых необходимый напор воды создается на­сосами или высоко расположенными баками с водой.

Умягчение и обессоливанш воды. Умягчение воды заключа­ется в частичном или полном удалении из нее катионов накипеобразователей (Са²+ и Mg²+). Если из воды удаляют все соли, то этот процесс называется обессоливанием воды.

Способы умягчения воды делятся на физические, химичес­кие и физико-химические. Фи­зические методы — это кипяче­ние, дистилляция и выморажи­вание. В первом случае устраняется лишь временная жест­кость:

Са (НСО₃)₂=СаСО₃+Н₂О + СО₂|

Дистилляция и вымораживание обеспечивают обессоливание воды. Химические способы умягчения заключаются в связывании ионов кальция и магния реагентами в нерастворимые или легко удаляемые соединения. В промышленности применяют следующие способы умягчения воды: известковый, содовый, натронный, фосфатный. Обрабатывая воду гашеной известью, устраняют времен­ную жесткость, удаляют ионы железа и связывают оксид углерода (IV):

Са (НСОзЬ + Са (ОН)₂ = 2СаСО₈ + 2Н₂О

Mg (НСО₃)₂ + Са (ОН)₂ = СаС0₃ + Mg (ОН)₂ + Н₂О + СО₂

FeSO₄ + Са (ОН)₂ = Fe (OH)₂ + CaSO₄

4Fe (OH)₂ + О₂ + 2Н₂О = 4Fe (OH)_B

С0₂ + Са (ОН)₂ = СаСОз + Н₂О

При действии на воду кальцинированной содой или едким натром достигают устранения временной и постоянной жесткости:

Mg (HCO₃)₂ + 4NaOH = Mg (OH)₂ Са (НСО₃)₂ + 2NaOH - СаСО₃

Na₂CO₃ = СаСО₃ + 2NaCl Na₂CO₃ = СаСО₃ '+ Na₂SO₄

Обработка воды фосфат натрием также ведет к связыванию ионов, образующих накипь в виде нерастворимых солей:

ЗСа (НСО₃)₂ + 2Na₃PO₄ = Са₃ (РО₄)₂ + 6NaHCO₃

3CaSO₄ + 2Na₃PO₄ = Са₃ (РО„)-, + 3Na₂SO₄

3MgCl₂ + 2Na₃P0₄ = Mg_s (PO₄)₂ + 6NaCl

Эффективность умягчения воды возрастает от известкового к фос­фатному при одновременном существенном увеличении стоимости этого процесса. Поэтому на практике применяют и комбинирован­ные способы, в которых основная часть ионов жесткости связыва­ется дешевыми реагентами — известковым молоком или содой, доумягчение осуществляется фосфатом натрия. Известково-содовый метод дает возможность снизить жесткость до 0,3 мг-экв/л, а фос­фатный — до 0,03 мг-экв/л.

В настоящее время из-за простоты, высокой эффективности и экономичности широкое распространение получил физико-химиче­ский метод. Он основан на способности некоторых нерастворимых синтетических материалов обменивать свои ионы на ионы, присут­ствующие в воде. Такие вещества называются ионитами и подраз­деляются соответственно на катиониты и аниониты. Катиониты обычно содержат подвижные катионы натрия (Na-катионит) или водорода (Н-катионит). Аниониты содержат подвижные гидроксо-группы (ОН-анионит). В качестве Na-катионитов применяют различные алюмосиликаты: глауконит, цеолит, пермутит и др.; в качестве Н-катионитов используют сульфированный уголь и синте­тические смолы. ОН-аниониты — это высокомолекулярные веще­ства, например карбамидные смолы. При умягчении воды Na-катионитами удаляют накипеобразователи:

Na₂ (Кат) + Mg (НСО₃)₂ = Mg (Кат) + 2NaHCO₃ Na₂ (Кат) + CaSO₄ = Са (Кат) -f Na₂SO₄,

где (Кат) — неучаствующая часть катионита. в обмене. Общее соле-содержание воды в этом случае меняется незначительно. Катионо-обмен осуществляют в ионообменнике. Поскольку реакции ионо-обмена обратимы, то ионит регенерируют пропусканием концентри­рованного раствора, содержащего исходный ион. В частности, Naкатионит регенерируют концентрированным раствором поварен­ной соли. Для полного удаления из воды всех солей (обессиливания) ее последовательно пропускают через фильтры с Н-катионитом и ОН-анионитом:

2Н (Кат) + CaSO₄ = Са (Кат)₂ + H₂SO₄

Н (Кат) + NaCl = Na (Кат) + НС1

2 (Ан)ОН + H₂SO₄ = (Ан)₂5О₄ + 2Н₂О

(Ан)ОН + НС1 = (Ан)С1 + Н₂О

Регенерируют катионит кислотой, а анионит — щелочью.

Деаэрация (дегазация) — удаление из воды растворенных га­зов физическими и химическими методами. При физическом спо­собе воду нагревают до кипения, что вызывает сильное уменьшение растворимости газов и их выделение. При кипении воды вследствие увеличения парциального давления паров до атмосферного пол­ностью удаляются кислород и оксид углерода (IV). Деаэ­рацию осуществляют и нагреванием воды в вакууме. Химическая дегазация заключается в добавлении к воде реагентов, связываю­щих кислород и оксид углерода (IV). При химическом умягчении воды удаляется оксид углерода (IV), -а для связывания кислорода в воду добавляют сильные восстановители (сульфит натрия, гидра­зин):

Для обескислороживания небольших порций воды чаще применяют цугунно-стружечные фильтры. При прохождении воды через слой железных стружек кислород взаимодействует с железом, образуя нерастворимый оксид железа (III):

4Fe + ЗО₂ = 2Fe₂O₃

С поверхности стружек оксид железа (III) удаляют при промывке фильтров водой, пропуская ее через фильтр в противоположном направлении с большой скоростью.

Полное обессоливание, деаэрация и обезвреживание воды дости­гается также ее дистилляцией. В производстве особо чистых ре­активов, лабораторной практике, фармакологии, для заряда акку­муляторов применяют дистиллированную воду. В связи с нехват­кой пресной воды все шире используют технологию опреснения морских и солоноватых подземных вод, например гиперфильтра­цию, электродиализ, дистилляцию, вымораживание.

Общемиро­вое недопотребление на промышленные и бытовые нужды составляет около 9% суммарного стока рек или 600—700 км³ в год. Из этого объема безвозвратно расходуется примерно 150 км³, а около 500 км³ в год сточных вод сбрасывается в реки, озера и моря. На разбавле­ние их перед сбросом в водоемы с учетом существующей очистки расходуется около 40% устойчивого стока рек мира Поэтому человечество стоит не перед прямым исчерпыванием водных ресурсов, а перед проблемой качественного истощения пресных вод. Чтобы решить эту сложную задачу рацио­нального использования водных ресурсов, необходим новый под­ход к разработке технологических схем, предусматривающий мини­мальный расход свежей воды на каждом процессе и научно обосно­ванные нормы расхода воды на каждом химическом предприятии, а также широкое внедрение бессточных и замкнутых систем Задача сокращения расхода воды химическими предприятиями решается в трех основных направлениях: широкое применение оборотного водоснабжения, замена водяного охлаждения воздуш­ным, очистка сточных вод и их повторное использование.

6. Химико-технологические процессы и их классификация. Типы технологических схем. Анализ процесса и выбор химико-технологической схемы. Равновесие в химико-технологическом процессе и оценка возможности его смещения.

В процессе химического производства исходные вещества (сырье) перерабатываются в конечный (целевой) продукт. Химико-технологическим процессом (ХТП) называется сочетание связанных друг с другом и проводимых в определенных последовательности химических, физико-химических, физических и механических операций.

Описание и графическое изображение всех операций, протекающих в технологических системах называется технологическая схема.

Прямая технологическая цепь:

Сырьё → 1. подготовка сырья → 2. химическая переработка сырья → 3. выделение целевого продукта → непрореагировавшее, сырьё, сырьё, побочное сырьё.

Циклическая технологическая схема:

Сырьё → 1. подготовка сырья → 2. химическая переработка сырья → 3. выделение целевого продукта → непрореагировавшее, сырьё, сырьё, побочное сырьё.

В каждом аппарате могут протекать различные химические процессы – гидравлические (перемешивание, движение жидкостей), тепловые (нагрев, охлаждение), диффузионные. Технология подразделяется на механическую и химическую. Деление это весьма условно. Обычно один процесс выделяют больше, чем другой. Механическая технология рассматривает процессы в которых изменяется форма, внешний вид, иногда физические свойства перерабатываемого сырья. Химическая технология – в которой изменяется химическое состояние сырья органического или неорганического происхождения.

Классификация химических процессов (из уч. Соколова):

-по фазовому составу реакционной системы на гомогенные и гетерогенные;

- по механизму взаимодействия реагентов на гомолитические и гетеролимтические;

- по протеканию во времени на обратимые и необратимые;

- по знаку теплового эффекта на экзотермические и эндотермические;

- по использованию катализатора на каталитические и некаталитические;

- по значению температуры на низкотемпературные и высокотемпературные;

- по типу контакта реагента в гетерогенной системе;

- по виду реакции на простые (одностадийные) и сложные (многостадийные).

Именно от типа химической реакции, подпадающих под эти виды классификации, зависит выбор конструкции аппаратов и параметров ХТП.

Равновесие в системе. Выход целевого продукта химического процесса в реакторе определяется степенью приближения реакционной системы к состоянию устойчивого равновесия. Устойчивое равновесие отвечает следующим условиям:

- неизменность равновесного состояния системы во времени при постоянстве внешних условий;

- подвижность, то есть самопроизвольное восстановление равновесия после снятия внешнего воздействия;

- динамический характер, то есть установление и сохранения равновесия вследствие равенства прямого и обратного процессов;

- возможность воздействия на состояние равновесия как со стороны прямой, так и обратной реакции;

- минимальное значение энергии Гиббса в изобарно-изотермических процессах. Изменение изобарно-изотермического потенциала равно разности между изменениями его для конечных продуктов реакции и исходных реагентов.

Для оценки состояния равновесия в реакторе обычно используют равновесную степень превращения (равновесный выход продукта). Равновесной степенью превращения – степень превращения исходных веществ и продукты реакции, отвечающая состоянию устойчивого равновесия системы.

Смещение равновесия в сторону образования целевого продукта может быть достигнуто изменением температуры, давления и концентрации реагентов и продуктов реакции.

1. Влияние температуры: для эндотермических реакций повышение температуры, сдвигает равновесие в сторону образования продуктов реакции, то есть увеличивает равновесную степень превращения, а в случае экзотермической реакции – наоборот, что согласуется с принципом Ле–Шателье.

2. Влияние давления: а) объём газообразной системы уменьшается (ΔV< 0), например, в реакции СО + 2Н₂ ↔ СН₃ОН. В этом случае повышение давления смещает равновесие в сторону образования продуктов реакции;

б) объём газообразной системы увеличивается (ΔV>0). СН₄ ↔ С + 2Н₂. В этом случае смещение равновесия в сторону образования продуктов реакции достигается понижением давления;

в) объём газообразной системе не изменяется СО + Н₂О ↔ СО₂ + Н₂. В этом случае изменение давления не влияет на равновесную степень превращения, а только на скорость реакции.

3. Влияние концентрации. Изменение концентрации (парциального давления) реагирующих веществ и продуктов реакции существенно влияет на состояние равновесия системы. При этом повышение концентрации исходных веществ смещает равновесие в сторону образования продуктов реакции и повышает равновесную степень превращения. Аналогично влияет уменьшение концентрации продуктов реакции, то есть выход их из равновесной системы.

Знании равновесной степени превращения и её зависимости от различных факторов химического процесса позволяет рассчитывать равновесный состав продуктов процесса, оценивать влияние различных условий на состояние равновесия системы в химическом реакторе, определять тепловой режим и другие параметры процесса.