Промислова підготовка води

Використання повітря у хімічній промисловості.

Повітря – сировина, реагент в технологічних процесах, використовується для енергетичних цілей.

Склад повітря: N₂ – 78,1%; O₂ – 20,93%; Ar – 0,93%; CO₂»0,03% і незначні кількості Н₂, СН₄, О₃, NO.

Найчастіше повітря використовують як окислювач: окислювальний випал сульфідних руд, для отримання SO₂ i SO₃ у виробництві сірчаної кислоти, окислення аміаку у виробництві азотної кислоти.

На основі різниці температур кипіння (N₂: -196,8ºC; O₂: - 182,9ºC; Ar: -85,7ºC; СО₂ – сублімує) отримують кисень, який використовується при кисневому плавленні металів, в доменному процесі і та ін., азот для виробництва аміаку та інших азотовмістких сполук, аргон – інертний газ.

Повітря, що використовується як хімічний реагент, піддають у залежності від характеру виробництва очищенню від пилу, вологи і контактних отрут. Для цього повітря пропускають крізь промивні башти з різними поглиначами (вода, луги, етаноламіни), мокрі та сухі електрофільтри, апарати з сорбентами, що поглинають вологу та інші речовини і та ін.

Енергетичне використання повітря пов’язане перш за все з використанням кисню як окислювача для отримання теплової енергії при спаленні палив. Повітря використовують як холодоагент при охолодженні рідин та газів через теплообмінні поверхні холодильників або в апаратах прямого контакту (охолодження води в градирнях), при грануляції розплавів деяких сполук (отримання аміачної селітри).

В інших випадках нагріте повітря використовують як теплоносій для нагрівання рідин та газів. В пневматичних барабанних змішувачах використовують стиснене повітря при перемішуванні рідин та пульпи (флотація); в форсунках – для розпилення рідин в реакторах і топках.

4. Використання води у хімічній промисловості.

Вода – сировина, хімічний реагент, розчинник, тепло- і холодоагент. Наприклад, з води отримують водень різними способами, водяну пару для теплової енергетики; вода є реагентом у виробництві органічних продуктів – спиртів, оцтового альдегіду, фенолу та при проведенні інших реакцій гідратації і гідролізу.

Вода – дешевий, доступний, не горючий розчинник.

Як теплоносій вода використовується в різних системах теплообміну – в екзотермічних та ендотермічних процесах.

Теплота фазового переходу рідина-пара води значно вища, ніж для інших речовин, тому пара води, що конденсується, є найбільш розповсюдженим теплоносієм. Водяна пара і гаряча вода мають значні переваги перед іншими теплоносіями: висока теплоємність, простота регулювання температури у залежності від тиску, висока термічна стійкість. Вода – охолоджувач для відведення теплоти в екзотермічних процесах. Для економії використовують оборотну воду (що використана і знову повертається у виробництво).

Види води.

Природні води містять різні домішки мінерального й органічного походження. Мінеральні – гази азот, кисень, вуглекислий газ, сірководень, метан, аміак, розчинені у воді солі, кислоти й основи, які знаходяться у вигляді катіонів і аніонів: Na⁺, K⁺, NH₄⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, HCO₃^-, Cl^-, SO₄^2-, HSiO₃^-, F^-, NO₃^-, CO₃^2- та інші. До органічних домішок відносяться колоїдні частинки білкових речовин. Склад і кількість домішок залежить від походження води. Розрізняють атмосферні, поверхневі та підземні води.

Атмосферна вода – вода дощових та снігових опадів. Має невелику кількість домішок. Містить розчинені гази, а солі майже повністю відсутні.

Поверхневі води – води річок, озер, морів – відрізняються різноманітним складом домішок: гази, солі, основи, кислоти. Найбільшим вмістом мінеральних домішок відрізняється морська вода.

Підземні води – води артезіанських свердловин, криниць, гейзерів – характеризуються різноманітним складом розчинених солей, котрий залежить від складу ґрунтів та гірських порід; домішки органічних речовин повністю відсутні.

Якість води визначається її фізичними і технічними характеристиками, такими як прозорість, колір, запах, температура, загальний вміст солей, твердість, здатність до окислення і реакція середовища.

Така характеристика води, як твердість – визначення, види твердості, розрахунки, пов’язані з нею, –детально розглядалась в курсі загальної хімії.

Промислова підготовка води.

Це комплекс заходів, які забезпечують очищення води – видалення з неї шкідливих домішок, які знаходяться в молекулярно-розчиненому, колоїдному і зваженому стані. Основні операції підготовки води – очищення від зважених домішок відстоюванням і фільтруванням, пом’якшення, а в окремих випадках і знезараження.

Відстоювання води проводять у безперервнодіючих відстійних бетонованих резервуарах. Для досягнення повного освітлення декантовану (злиту через верх) з відстійника воду піддають коагуляції. Коагуляція – це процес поділу гетерогенних систем, зокрема, природної води, виділенням з неї колоїдно-дисперсних частинок глини, піску, карбонатних та інших порід, а також речовин органічного походження, наприклад, білків. Сутність процесу коагуляції полягає у введенні у воду коагулянтів, найчастіше – різних електролітів.

Іон-коагулянт, який має заряд, протилежний зарядові колоїдної частинки, адсорбується на її поверхні. При цьому знижується заряд частинки і стискається гідратна оболонка навколо неї. Це призводить до того, що окремі частинки об’єднуються з утворенням частинок більшого розміру (седиментація). Мінімальна концентрація електроліту, яка призводить за певний проміжок часу до явної коагуляції, називається порогом коагуляції. Зі збільшенням заряду іону-коагулянту (Cl^-, SO₄^2-, РО₄^3-) поріг коагуляції знижується. Наприклад, природні глинисті колоїдно-дисперсні системи мають від’ємний заряд, тому для їхньої коагуляції використовують сульфат алюмінію або алюмінієвий галун (квасці).

Одночасно з коагуляцією відбувається процес адсорбції коагулянтом (осадом) різних органічних забарвлених сполук, в результаті чого вода знебарвлюється.

Вода часто містить тонкодисперсні частинки, які мають дуже слабкий заряд. До таких частинок іони протилежного знаку не приєднуються, тому в цьому випадку для підготовки води використовують процес флокуляції. Речовини, що викликають флокуляцію, називаються флокулянти. Ці речовини – високомолекулярні сполуки, які розчинені у воді (карбоксиметилцелюлоза – КМЦ, поліакриламід – ПАА, поліоксиетилен – ПОЕ, крохмаль і та ін.). Вони утворюють місткові з’єднання між окремими частинками дисперсної фази, після чого важкі агрегати, які при цьому утворюються, сидементують (осаджуються). Флокуляція відбувається дуже швидко, а витрата флокулянту незначна. Тому, не дивлячись на високу вартість флокулянтів, їх використання економічно доцільне.

Осад, що утворюється при флокуляції або коагуляції, видаляється з води відстоюванням або фільтруванням.

Фільтрування – найбільш універсальний метод поділу неоднорідних систем, детально розглядається в курсі “Процеси і апарати хімічних виробництв”.

Пом’якшення і знесолення водиполягає у видаленні солей кальцію, магнію та інших металів. В промисловості використовують різні способи пом’якшення, при яких іони магнію та кальцію зв’язуються у нерозчинні сполуки, які легко видаляються методами відстоювання або фільтрування. За реагентами, що використовуються, розрізняють способи: вапняний (гашене вапно – Са(ОН)₂), содовий (Nа₂СО₃), натронний (NaОН) і фосфатний (Nа₃РО₄).

Найбільш економічно доцільним є використання комбінованого способу пом’якшення, який забезпечує усунення тимчасової і постійної твердості води, а також зв’язування СО₂, видалення іонів заліза, коагуляцію органічних та інших домішок.

Найважливішим способом є вапняно-содовий у поєднанні з фосфатним. При цьому відбуваються такі процеси:

1) Обробка води гашеним вапном для усунення тимчасової (карбонатної) твердості, видалення іонів заліза та зв’язування СО₂:

Са(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂ = 2СаСО₃¯ + 2Н₂О

Mg(HCO₃)₂ + 2Ca(OH)₂ = 2CaCO₃¯ + Mg(OH)₂¯ + 2H₂O

FeSO₄ + Ca(OH)₂ = Fe(OH)₂¯ +CaSO₄¯

4Fe(OH)₂+ O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃¯

СО₂ + Са(ОН)₂ = СаСО₃¯ + Н₂О

2) Обробка кальцинованою содою для усунення постійної твердості:

MgSO₄ + Na₂CO₃ = MgCO₃¯ + Na₂SO₄

MgCl₂ + Na₂CO₃ = MgCO₃¯ + 2NaCl

CaCl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃¯ + 2NaCl

3) Обробка фосфатом для більш повного зв’язування іонів:

3Ca(HCO₃)₂ + 2Na₃PO₄ = Ca₃(PO₄)₂¯ + 6NaHCO₃

3MgCl₂ + 2Na₃PO₄ = Mg₃(PO₄)₂¯ + 6NaCl

Значний ефект дає поєднання хімічного методу з фізико-хімічним (іонообмінний спосіб). При цьому використовують іоніти – високомолекулярні речовини, які обмінюють свої іони на іони твердості води. У залежності від того, які іони переходять у воду, розрізняють Nа-катіонування та Н-катіонування.

Схема Nа-катіонування:

Схема аніонування:

Ан ¾ ОН + NаСl ® Ан ¾ Cl + NаОН

Регенерація іоніту здійснюється шляхом його обробки розчином хлориду натрію для Nа-катіоніту, соляної кислоти – для Н-катіоніту або лугу – для аніоніту.

Іонообмінний метод може забезпечувати як пом’якшення води, так і її знесолення, тобто, повне видалення солей з води. Для цього послідовно встановлюють Н-катіоніт та ОН-аніоніт.

Для сучасного процесу підготовки води значний інтерес являє використання електрохімічних методів, зокрема, електрокоагуляції. Цей спосіб здійснюється в електролізерах з алюмінієвими електродами, що розчиняються; при цьому утворюється гідроксид алюмінію Al(ОН)₃, який має високу сорбційну властивість по відношенню до шкідливих домішок.

На катоді (К ^-) відбувається виділення пухирців водню (воднева деполяризація), які підіймають частинки на поверхню води:

К ^-) 2Н₂О + 2е^- ® 2ОН^- + Н₂­

Перевагами електрокоагуляції є висока сорбційна здатність електрохімічного Аl(ОН)₃, можливість механізації і автоматизації процесу, малі габарити очисних споруд.

Важливою частиною підготовки води є видалення з неї розчинених агресивних газів – О₂, СО₂. Для цього використовують методи десорбції (термічної деаерації) шляхом нагрівання води парою. Деаератори бувають вакуумні, атмосферного і підвищеного тиску.

Воду для побутових потреб додатково до розглянутих операцій знезаражують (хлорування, озонування).

Поиск по сайту: