Вода в химической промышленности

Вода – наиболее распространенное вещество на Земле. При этом основная масса воды сосредоточена в мировом океане, и это соленая вода, которая для промышленности практически непригодна без опреснения. Общая масса пресной воды на Земле составляет чуть больше 2,5 % масс. от мировых запасов (35 млн. км3). При этом почти 99 % пресной воды – это подземные воды и ледники вместе со снежным покровом.

Химическое производство – одно из крупнейших потребителей воды. Этот факт объясняется рядом достоинств воды, из которых можно выделить следующие:

- наличие комплекса ценных физических свойств (высокая теплоем­кость, малая вязкость, низкая температура кипения и др.);

- доступность и дешевизна;

- нетоксичность;

- удобство транспортировки и использования в производстве.

В химической промышленности вода используется в следующих на­прав­лениях:

1. Для технологических целей в качестве:

- растворителя, среды для проведения некоторых физических и меха-ни­ческих процессов;

- промывной жидкости для газов;

- экстрагента и абсорбента;

- для перекристаллизации;

- для флотации;

- в качестве катализатора или инициатора каталитического процесса (взаимодействие щелочных металлов и водорода с хлором, алкилирование на катализаторе Фриделя – Крафтса проводят в присутствии следов воды).

2. В качестве теплоносителя в виде горячей воды и перегретого водя­ного пара и хладоагента.

3. В качестве сырья или реагента для производства разнообразной хи­ми­ческой продукции. Примеры синтеза водорода, ацетилена, минеральных кислот, спиртов приведены ниже.

СН₄ + Н₂О СО + 3Н₂ (2.5)

СаС₂ + 2Н₂О = С₂Н₂ + Са(ОН)₂ (2.6)

Р₂О₅ + 3Н₂О = 2Н₃РО₄ (2.7)

СН₂ = СН_{2 газ} + Н₂О_газ С₂Н₅ОН_газ, (2.8)

Объемы потребления воды химическим производством зависят от типа производимой продукции и колеблются в широких пределах. Так для произ­водства азотной кислоты требуется 200 т воды /т продукции, вискозного волокна – 1200 т/т, аммиака – 1500 т/т, капронового волокна – 2500 т/ т.

Колоссальный расход технологической воды с учетом большого объе­ма загрязненных сточных вод требует рационального подхода к ее использо­ванию в химической промышленности. Эти задачи решают следую­щими спо­собами:

- разработкой научно обоснованных норм расхода на технологические нужды;

- максимально полного использования отходов;

- заменой, где возможно, водяного охлаждения на воздушное;

- организацией замкнутых бессточных производств и водооборотных циклов.

Критерием эффективности водооборотного цикла является коэффици­ент использования воды:

К_в= . (2.9)

где: V_а и V_сб – объемы забираемой из источника свежей воды и сбрасываемой в водоем сточной воды соответственно. В химической промышленности этот коэффициент составляет 0,8–0,9.

2.3.1. Основные показатели качества воды для химической техно­ло­гии. Вода, используемая в химической промышленности, должна удо­влетворять по качеству определенным требованиям. Оно опре­де­ляется со-вокупностью физических и химических характеристик, среди кото­рых сле­дует отметить следующие: жесткость, окисляемость, рН, доля примесей.

Жесткость – это свойство воды, связанное с присутствием в ней раст­воренных солей кальция и магния. Жесткость (Ж _о) характеризуют концентра­цией ионов Са ²⁺ и Mg ²⁺ и измеряют в миллимолях на литр воды. По значению Ж _о вода бывает мягкой (Ж _о< 2), средней жесткости (Ж _о = 2–10) и жесткой (Ж _о >10).

Окисляемостью называют свойство воды, связанное с присутствием в воде неорганических веществ, легкоокисляющихся соединений железа и се­ро­водорода, способных окисляться различными окислителями и измеряется количеством КМпО ₄ или эквивалентным количеством кислорода, затрачен­ным на окисление 1 л воды, т.е. мг/л.

Активная реакция воды характеризует ее кислотность или щелочность (рН). Она определяется присутствием в воде некоторых газов, таких как хлор, оксид углерода (II), гидрокарбонатов, силикатов, реже карбонатов и др., а также растворимых гуминовых кислот и веществ, вносимых в водоем промышленными стоками. Большинство природных вод имеют рН = 6,5–8.

Примеси в природных и сточных водах присутствую во взвешенном, коллоидном или растворенном состоянии. Примеси во взвешенном состоя­нии – это эмульсии или суспензии. Они кинетически неустойчивы. Примеси в коллоидном состоянии – это гидрофильные и гидрофобные минеральные и органические коллоидные частицы.

2.3.2. Промышленная водоподготовка. Водоподготовкой называют комплекс мероприятий по улучшению качества воды для технологических це­лей. В нее включают операции по удалению механических примесей, умяг­чению, осветлению, дегазации.

Осветление – это отстаивание воды с последующей фильтрацией через зернистый материал. Для коагуляции коллоидных примесей и абсорбции окрашенных частиц к ней добавляют электролиты – сульфаты Al или Fe.

Обеззараживание водыпроводят хлором или озоном.

Дегазацию ( удаление из воды растворенных газов) ведут химическим способом, при котором газы поглощаются химическими реагентами, напри­мер, в случае диоксида углерода или сероводорода воду обрабатывают моно­эта­ноламином или раствором гашеной извести. Применяют также физичес­кие методы, например, термическую деаэрацию на воздухе либо в вакууме.

Обессоливание применяют в тех производствах, где предъявляются по­вы­­шенные требования к товарным продуктам на содержание различных ме­тал­лов, имеющихся в воде. В качестве примера можно назвать производства химически чистых реактивов, полупроводниковых материалов, лекарств и т.д. Обессоливание ведут ионным обменом, дистилляцией, электродиализом. Наглядное представление о методах водоподготовки дает рис. 2.2.

Рис. 2.2. Методы очистки воды