Вода и водоподготовка в химической технологии Выполнила Ярёменко

Вода и водоподготовка в химической технологии Выполнила Ярёменко Е. Н.

Характеристика природных вод • Водоподготовка – удаление из воды всех примесей – начиная от взвешенных частиц и заканчивая солями металлов. Иначе говоря, водоподготовка – процесс приведения любой воды к стандартам, которые требуют и здоровье людей, и работу различных котлов. • Водные ресурсы для среднего по водности года оцениваются в 5, 7 тыс. км 3/год; из них 82% составляет поверхностный сток и около 18% — подземные воды. Используемые для целей водоснабжения природные источники могут быть подразделены на поверхностные (реки, моря, водохранилища и озера) и подземные (грунтовые и артезианские, подрусловые, шахтные и другие воды). Для водоснабжения населенных пунктов и большинства промышленных предприятий наиболее подходящими являются подземные (особенно артезианские и родниковые) слабоминерализованные воды. Для хозяйственнопитьевого водоснабжения следует максимально использовать имеющиеся ресурсы подземных вод, отвечающие санитарногигиеническим требованиям.

• Из поверхностных водоисточников наиболее часто используют реки. Качество речной воды зависит от характера питания реки, которое может включать в себя поверхностный сток, горно-снеговые и ледниковые воды, сток с болот, дождевые и снеговые стоки с поверхности почвы, грунтовое питание водами подземных источников, обработанные сточные воды промышленных предприятий и населенных пунктов. Для большинства рек химический состав воды сильно зависит от гидрометеорологических условий и времени года, так как поверхностный сток, возникающий за счет атмосферных осадков, в отдельные периоды года является основным. • Почвенный покров, тесно соприкасающийся с водой, выпавшей в виде осадка, играет большую роль в процессе формирования состава природных вод. Если вода фильтруется через бедные солями торфянистые или болотные почвы, она загрязняется большим количеством органических веществ и лишь в малой степени минеральными веществами.

• Состав природных вод в значительной мере определяется климатом. Большое количество осадков создает значительное увлажнение местности и большие величины стока, что снижает минерализацию природных вод за счет их разбавления, и наоборот, малое количество осадков способствует увеличению минерального остатка воды. На севере, например, почвы хорошо промыты большим количеством выпадающих осадков, и поэтому природные воды в этих условиях мало минерализованы. В засушливых районах, наоборот, почвы отличаются значительным содержанием легкорастворимых солей, что и обусловливает образование воды с высоким сухим остатком. • По минеральному остатку, мг/л, речные воды можно "условно разделить на следующие группы: Малая минерализация. Средняя минерализация Повышенная минерализация Высокая минерализация До 200— 500— 1000 Более 1000

Состав подземных вод (в зависимости от глубины залегания) зависит от гидрометеорологических условий. Подземные воды более глубоко залеглющих горизонтов практически обладают постоянным химическим составом, не зависящим от гидрометеорологических условий. Отличительные особенности подземных вод: постоянство температуры (5— 12 °С), отсутствие цветности, высокая санитарная надежность, значительная минерализация, а иногда повышенное содержание железа, фтора, солей жесткости, метана и сероводорода, Они образуются в результате проникания в глубь земли атмосферных осадков и поверхностных вод, а также вследствие конденсации водяного пара из атмосферы. В настоящее время для водоснабжения крупных промышленных предприятий все шире применяют морскую воду с большим содержанием минеральных солей и относительно невысокой жесткостью, используемую для охлаждения.

Использование воды в промышленности • Промышленное водоснабжение, обеспечивающее функционирование технологических процессов, является ведущим направлением водопользования. • Объемы водопотребления зависят от структуры промышленных предприятий, уровня технологии, выполняемых мероприятий по экономии воды. Наиболее водоемкими отраслями являются теплоэнергетика, черная и цветная металлургия, машиностроение, нефтехимическая и деревообрабатывающая промышленность. На долю самой водоемкой отрасли - электроэнергетики - приходится около 68% суммарного потребления свежей и 51% - оборотной воды. • Так как большинство промышленных объектов сосредоточено в крупных городах, в России преимущественное развитие получили объединенные промышленно-коммунальные системы водоснабжения, что, в свою очередь, приводит к неоправданно высоким расходам на промышленные нужды воды питьевого качества (до 30 -40% суточной подачи городских водопроводов).

Химическая промышленность - один из крупных потребителей воды. Вода используется почти во всех химических производствах для разнообразных целей. Значительные количества водяного пара используют для обогрева аппаратов, а также для получения синтеза газа, применяемого в производстве аммиака, метанола и ряда других химических продуктов. В районах с дешевой электроэнергией вода может служить сырьем для получения водорода и кислорода методом электролиза. На отдельных химических предприятиях потребление воды достигает 1 млн м 3 в сутки. Превращение воды в один из важнейших элементов химического производства объясняется: наличием комплекса ценных свойств (высокая теплоемкость, малая вязкость, низкая температура кипения); доступностью и дешевизной (затраты исключительно на извлечение и очистку); не токсичностью; удобством использования в производстве и транспортировке.

В химической промышленности вода используется в следующих направлениях: • 1. Для технологических целей в качестве: растворителя твердых, жидких и газообразных веществ; среды для осуществления физических и механических процессов (флотация, транспортировка твердых материалов в виде пульпы); промывной жидкости для газов; экстрагента (селективный растворитель, используемый для экстракции) и абсорбента различных веществ. • 2. Как теплоноситель (в виде горячей воды и пара) и хладагента(рабочее вещество холодильной машины, которое при кипении и в процессе изотермического расширения отнимает теплоту от охлаждаемого объекта и затем после сжатия передаёт её охлаждающей среде за счёт конденсации) для обогрева и охлаждения аппаратуры.

Классификация вод по целевому назначению • Известно несколько классификаций природных вод, имеющих различное практическое значение. Природные воды подразделяются по степени минерализации: пресные до 1 г/л; солоноватые 1— 3 г/л; засоленные 310 г/л; соленые 10— 50 г/л; по величине р. Н: щелочные р. Н=11— 14; слабощелочные р. Н=8— 10; нейтральные р. Н=7; слабокислые р. Н=4— 6; кислые р. Н=1— 3; по общей жесткости: очень мягкие до 1, 5; мягкие 1, 5 — 3; умеренно жесткие 3— 6; жесткие 6— 9; очень жесткие более 9 мгэкв/л; по степени бактериальной загрязненности (коли— индексу(количественный показатель бактериологического загрязнения воды и пищевых продуктов ): сильно загрязненные свыше 10 ООО; загрязненные более 1000; слабо загрязненные более 100; удовлетворительные более 10; хорошие до 3. • По санитарной надежности подземные воды, как правило, значительно превосходят поверхностные. Это в первую очередь относится к артезианским и субартезианским водам. Исключение могут составлять подземные воды неглубокого залегания, не имеющие водоупорной кровли, и гидравлически связанные с поверхностными.

Показатели качества воды. Требования к показателям качества воды, применяемой в промышленности. • Технологическая вода непосредственно контактирует с продуктами процесса; применяют ее в основном (70 — 80 % от общего расхода воды) в качестве охлаждающего агента в циркуляционной схеме. • Основные требования, предъявляемые к хладагенту: низкая карбонатная жесткость, низкая концентрация ионов железа и сероводорода, достаточно низкая температура. • Низкая карбонатная жесткость вызвана возможным переходом при нагревании гидрокарбонатов кальция и магния в карбонаты, отлагающиеся на стенках теплообменной аппаратуры. Допустимое значение карбонатной жесткости — до 2, 8 ммоль-экв/л. • Соединения железа и сероводород усиливают коррозию в воде и вызывают образование обрастаний на внутренних поверхностях труб. Поэтому содержание железа в охлаждающей воде не должно превышать 0, 1 мг/л, а сероводорода — 0, 5 мг/л. • Для уменьшения коррозии труб и теплообменного оборудования в техническую воду добавляют ингибиторы коррозии: полифосфаты, ингибиторы на основе хроматоцинковых смесей и др. Для предупреждения обрастания оборудования бактериями техническую воду хлорируют (содержание хлора до 5 мг/л), а иногда озонируют.

• К технической воде, идущей для питания паровых котлов, предъявляются более жесткие требования: очень малые значения общей жесткости (до 0, 01 ммольэкв/л) и растворенного кислорода (до 0, 03 мг/л); отсутствие взвешенных веществ и соединений кремния (концентрация кремниевой кислоты до 0, 03 мг/л); минимальное солесодержание; содержание железа до 0, 1 мг/л; содержание масел до 0, 5 мг/л и т. д. Эти и другие показатели зависят от вида топлива, конструкции котлов, от величины давления и др. • Строгие требования предъявляются к технической воде в химической и других отраслях промышленности, где вода входит в контакт с продуктом. • Например, при получении особо качественных сортов каучука используют глубокообессоленную воду; в производстве волокнистых материалов используется очень чистая обессоленная вода, свободная от окрашенных органических веществ и ионов переходных металлов. • Качество воды, используемой в производстве, устанавливается в каждом случае в зависимости от ее назначения и требований технологического процесса с учетом состава используемого сырья, применяемого оборудования и особенностей готового продукта производства. Основные требования к воде, идущей на разные цели, приведены в таблице.

Промышленная водоподготовка • Промышленная водоподготовка представляет собой комплекс технологических процессов, обеспечивающих очистку воды от механических примесей, коллоидных и взвешенных частиц, растворенных солей и газов. Основными процессами водоподготовки являются: очистка от диспергированных (тонких измельченых твердых тел или жидкостей), коллоидных и взвешенных частиц коагулированием (метод очистки воды от нежелательных примесей путём их осаждения ), отстаиванием и фильтрацией; умягчение и обессоливание воды; обеззараживание.

• Коагулирование примесей воды и осветление. Природные воды содержат диспергированные, взвешенные и коллоидные частички примесей. Для их удаления воду обрабатывают коагулянтами (вещество, введение которого в раствор приводит к выпадению осадка или образованию геля ), в качестве которых используют сульфат алюминия, полиоксихлориды алюминия и хлориды и сульфаты железа (II) и (III). • Соли железа, имеющие ряд преимуществ перед солями алюминия (более широкая область оптимальных значений р. Н среды; большая прочность и гидравлическая крупность хлопьев; лучшее действие при низких температурах воды), имеют и существенные недостатки: менее развитая поверхность хлопьев и образование при реакции катионов железа с некоторыми органическими соединениями сильно окрашивающих растворимых комплексов. Поэтому в практике коагулирования примесей воды чаще используют соли алюминия.

• В практике водоподготовки для выделения из воды взвешенных частиц перед поступлением ее на фильтры применяют горизонтальные, вертикальные, радиальные отстойники и осветлители. Фильтрование проводят с использованием фильтрующих перегородок, фильтров с зернистой перегородкой и микрофильтров. • Умягчение и обессоливание воды. Это основные процессы водоподготовки. Среди них выделяют физические (термический, дистилляция, вымораживание), химические (известково-содовый, содо-натровый, фосфатный) и физико-химические методы (электродиализ, ионообмен).

• Рассмотрим самые распространенные из них. • 1. Термический метод (кипячением) умягчения воды основан на смещении равновесия в сторону образования карбонатов: Са(НСО)3 =Ca. CO 3 ↓ + CO 2 ↑ +H 2 O Однако полностью карбонатную кальциевую жесткость устранить не удается, так карбонаты кальция, хотя и незначительно (13 мг/л при 18 °С), но все же растворимы в воде. Mg(HC 03)2 = Mg. C 03 + CO 2 ↑+ H 2 O Вначале образуется сравнительно хорошо растворимый (110 мг/л при 18 °С) карбонат магния, который при продолжительном кипячении гидролизуется с образованием осадка малорастворимого (8, 4 мг/л) гидроксида магния: Mg. C 03 + Н 20 = Mg(OH)2↓+ CO 2 ↑

• 2. Фосфатный метод умягчения воды как самостоятельный не применяется в связи с высокой стоимостью. Фосфаты используют для доумягчения воды после ее обработки другими реагентами, например известью и содой: ЗСа(НС 03)2 + 2 Na 3 P 04 = Са 3(Р 04)2↓+ 6 Na. HC 03 3 Mg. S 04 + 2 Na 3 P 04 = Mg 3(P 04)2↓+3 Na 2 S 04 Процесс фосфатного доумягчения воды проводят обычно при температуре свыше 100 °С (термохимический метод). Остаточная жесткость при этом составляет 0, 04 — 0, 05 ммоль-экв/л.

• Обеззараживание воды. Наличие в воде болезнетворных микроорганизмов и вирусов делает воду непригодной для хозяйственно-питьевых нужд, а присутствие некоторых микроорганизмов (сульфатвосстанавливающих бактерий, железобактерий и др. ) вызывает биологическое обрастание, а иногда разрушение трубопроводов и оборудования. • Обеззараживание осуществляют хлорированием воды жидким или газообразным хлором, гипохлоритами натрия и кальция или хлорной известью. Для обеззараживания воды применяют также озон, УФоблучение и гембицид(химические вещества, применяемые для уничтожения растительности. ).

Сточные воды • Сточные воды — вода, бывшая в бытовом, производственном или сельскохозяйственном употреблении, а также прошедшая через загрязненную поверхность. В зависимости от условий образования сточные воды делятся на хозяйственно-бытовые, атмосферные и промышленные. • Хозяйственно-бытовые воды — стоки душевых, прачечных, бань, столовых, туалетов и др. Они содержат примеси, из которых примерно 60 % органических веществ и примерно 40 % минеральных. • Атмосферные воды образуются при выпадении атмосферных осадков. Они стекают с территории предприятий, загрязненные органическими и минеральными веществами. • Промышленные сточные воды представляют собой жидкие отходы, образующиеся при добыче и переработке неорганического и органического сырья. Характер загрязнения производственных сточных вод в основном определяется профилем предприятия, составом перерабатываемых материалов и видом выпускаемой продукции

• Все многообразие производственных сточных вод по характеру основных загрязнений и по содержанию примесей можно отнести к трем группам: минеральные примеси (металлургия, машиностроение, производство минеральных кислот, удобрений и т. д. ); органические примеси (мясная, рыбная, консервная, пищевая промышленность и т. д. ); органоминеральные примеси (нефтедобывающие, нефтеперерабатывающие, текстильные, кожевенные и другие предприятия).

Использование сточных вод в оборотных и замкнутых системах водоснабжения Наиболее перспективный путь уменьшения потребления свежей воды — создание оборотных и замкнутых систем водоснабжения. Применение оборотного водоснабжения позволяет в 10 — 50 раз уменьшить потребление природной воды. Например, для получения 1 т каучука при прямоточном водоснабжении в старых производствах требуется 2100 м 3 свежей воды, а при оборотном водоснабжении — всего лишь 165 м 3. При оборотном водоснабжении существенно уменьшаются капитальные и эксплуатационные затраты. Во всех отраслях промышленности доля оборотной воды непрерывно возрастает. Например, в химической промышленности она составляет более 80 %.

• Основным направлением уменьшения сброса сточных вод и загрязнения ими водоемов является создание замкнутых систем водоснабжения. • Под замкнутой системой водного хозяйства промышленного предприятия понимается система, в которой вода используется в производстве многократно без очистки или после соответствующей обработки, исключающей сброс сточных вод в водоем. • Подпитка замкнутых систем свежей водой допускается в том случае, если не хватает очищенных сточных вод для восполнения потерь воды в этих системах. Допускается также расход свежей воды в технологических операциях, в которых очищенные сточные воды не могут быть использованы по условиям технологии или гигиены. Свежая вода расходуется только для питьевых и хозяйственнобытовых нужд.