Промышленная экология

Приведенные реакции показывают, что ионообменный способ можетобеспечитькакумягчениеводы, такиобессоливание, т. е. полное удалениесолейизводы.

Реакцииионообменаобратимы, идлявосстановленияобменной способностиионитовпроводятпроцессрегенерации. Регенерацию Naкатионитовосуществляютприпомощирастворовповареннойсоли, аНкатионитоввведением растворовминеральных кислот. Уравнения регенерациикатионитов:

Примером анионного обмена может служить реакция обмена

-

анионовОН поуравнению

[Ан]ОН+ НС1 [Ан]С1 + Н О

2

Регенерациюанионитапроводятприпомощирастворовщелочей:

[Ан]С1 + NaOH [Ан]ОН+ NaCI

Полноеобессоливаниеводыможетбытьдостигнутотакжепутем перегонкиводы- дистилляции- наперегонныхустановках.

Повышение технико-экономического эффекта водоподготовки связаносприменениемкомбинированиянесколькихтехнологических процессов, напримеркоагуляции, умягченияиосветленияспомощью современныхметодовионногообмена, сорбции, электрокоагуляциии др.

Длясовременной промышленной водоподготовки значительный интерес представляет возможность применения электрохимических методов, вчастностиэлектрокоагуляции. Электрокоагуляция- способ очисткиводывэлектролизерахсрастворимымиэлектродамиоснована наэлектрохимическомполучениигидроксидаалюминия, обладающего высокой сорбционной способностью по отношению к вредным примесям.

Нарастворимом алюминиевоманодепроисходятдвапроцессаанодноеихимическое(несвязанноеспротеканием электрического тока) растворениеалюминияспоследующимобразованиемА1(ОН)3:

-  3+

А1 – 3 е A1

31

поверхность воды. К достоинствам метода электрокоагуляции относятся: высокая сорбционная способность электрохимического А1(ОН)3, возможностьмеханизациииавтоматизациипроцесса, малые габаритыочистныхсооружений.

Дляочисткиглавнымобразомкислыхоборотныхводприменяется нейтрализация- обработкаводыоксидомилигидроксидомкальция.

Важной частью водоподготовки является удаление из воды

(термическойдеаэрации) путемнагреванияпаром.

Воду, используемую длябытовыхнужд, обязательноподвергают обеззараживанию - уничтожению болезнетворных бактерий и окислению органических примесей в основном хлорированием при помощигазообразногохлора, атакжехлорнойизвестиигипохлората кальция.

1.3.2.6. Водообеспечениепромышленныхпредприятий

Химическиепроизводстваотносятсякводоемким. Большуючасть водырасходуютдляохлажденияиконденсациипродуктовыхпотоков. Взначительнойчаститехнологическихпроцессовводуиспользуюткак растворительиливводятввидепара. Водуприменяютикакреагент химическихреакций.

Основные пути улучшения водообеспечения промышленных предприятийследующие:

разработкановыхтехнологий, характеризующихсясокращением потребляемойводыиобразующихсязагрязненныхстоковлибополным исключениемводыизтехнологическихопераций;

создание локальных систем обезвреживания стоков отдельных производств, включающихизвлечениеизнихиутилизацию ценных компонентов, подготовку очищенной воды к повторному использованию;

организациязамкнутыхводооборотныхсистем, включаясбори использование очищенных сточных вод, паводковых вод и атмосферныхосадковстерриториипредприятий.

Существенноеснижениеводопотреблениядостигаетсяпризаменеводяного охлаждения воздушным. Действующими в отрасли нормами технологического

32

проектированияводяноеохлаждениедопускаетсялишьвтехслучаях, когдапо каким-либопричинамвоздушноеохлаждениеневозможно. Аппаратывоздушного охлаждениямогутбытьиспользованы вместоградирендляотводаизбыточного теплаводы. Градирниоткрытоготипасложнывэксплуатации, вобычныхусловиях уноскапельнойвлагиизградирендостигает0,3 % иболее, приэтом врайоне градирен загрязняются воздушный бассейн и почва. Особенно эффективны закрытые оборотные системы с аппаратами воздушного охлаждения высокозастывающих продуктов. Воздушное охлаждение позволяет сократить потребностьвохлаждающейводенадействующихпредприятияхна60-75 % и, следовательно, объемсточныхводна25-45 %. Соответственноснижаютсяпотери сырья, основных ипобочныхпродуктов, уменьшаютсякапитальныезатраты и эксплуатационныерасходынаводопотреблениеиводоотведение(канализацию).

Водопотребление снижается также при замене барометрических конденсаторовсмешения (длясоздания вакуума) поверхностными аппаратами. Расходохлаждающейводыприэтомсокращаетсяв3-4 раза, экономитсяэнергияна перекачкуводы, уменьшаютсягазовыевыбросыватмосферу.

Экономииводы способствуеткомбинированиепроцессов, таккакжесткие связипосырью междублокамиустановокпозволяютустранитьпромежуточное охлаждение продуктовых потоков, а избыточное тепло на одном блоке утилизироватьнадругих.

Расход воды снижается при повторно-последовательном использовании охлаждающей воды как на отдельных технологических установках, так и на смежныхустановкахинекоторыхобъектахобщезаводскогохозяйства. Особенно эффективнооновслучаепредварительнойстабилизациисвежейиоборотнойводы противвыпаденияиразложениясолейжесткостиилиспециальнойхимической водоочисткесвежейводы. Водуприэтом можнонагреватьдоболеевысоких температур, таккакнакипьнатрубахнеобразуется, апередпоступлением на градирню предварительно охлаждать с утилизацией тепла для отопления помещений, теплиц или производствахолода. При такой схемерасход воды уменьшаетсявнесколькораз.

С созданием крупных комплексов на нефтехимических предприятиях сооружениелокальныхсистемоборотноговодоснабжения, канализациииочистки сточных вод экономически выгодно. В этом случае снижаются затраты на биологическую очистку сточных вод, улучшается контроль заих качеством, сокращаютсяпотерипродуктов, уменьшаетсязагрязненностьокружающейсреды. Экономически целесообразна децентрализация оборотного водоснабжения на действующихзаводахсподключениемкоборотнымсистемамограниченногочисла технологическихустановок. Прирассредоточенииоборотноговодоснабженияи уменьшенииобъемациркулирующейводыможноиспользоватьгерметизированные напорныесистемыводооборотаиканализациисточныхвод.

НарядепредприятийСША иЗападнойЕвропыпредусмотрены раздельные системы канализации: ливневая, хозяйственно-фекальная, условно чистая для ливневыхводинесколькопроизводственных. Этопозволяетраспределятьсточные воды с учетом степени их загрязненности, качестваи свойствзагрязнителей, выбиратьнаиболееоптимальныеидешевыеметоды очисткидлявозвращенияв оборотныесистемы. Некоторыетипывод, напримерслабощелочныеислабокислые, целесообразноотводитьводнусистемудляихвзаимнойнейтрализациииэкономии реагентов.

33

Сточные воды, содержащие нефтепродукты, не следует смешивать со сточными водами, содержащими вещества, способные образовывать трудно разрушаемыеэмульсии, стойкуюпенуилиувеличиватьпотериотиспарения.

Оптимальное решение проблемы предотвращения загрязнения водоемови уменьшениядефицитаводы - созданиеэкономически рациональныхзамкнутыхсистемводногохозяйствапредприятий.

Необходимостьицелесообразностьсозданиязамкнутыхсистем производственного водоснабжения обусловлены тремя основными факторами:

-дефицитомпреснойводы. Наувеличениедефицитапреснойводы влияютнетольконепрерывныйростводопотребления, ноидеградация качестваводыприродныхводоисточниковврезультатепоступленияв нихсточныхвод;

-исчерпанием обезвреживающей (самоочищающей и разбавляющей) способности водоемов, в которые сбрасываются сточныеводы;

-экономическими преимуществами по сравнению с очисткой сточныхводдосоответствующихнормативов, позволяющихихсбросв открытыеводоёмы.

Основныепринципысозданиязамкнутыхводооборотныхсистем

Созданиеэкономическиобоснованныхзамкнутыхсистемводного хозяйства является весьма трудной задачей. Сложный физикохимическийсоставсточныхвод, разнообразиесодержащихсявних соединенийиихвзаимодействиедругсдругомделаютневозможным подбор универсальной структуры бессточных схем, пригодных для применениявразличныхотрасляхнародногохозяйства.

Вопросом первостепенной важности при создании замкнутых водооборотных систем является разработка научно-обоснованных

требований к качеству воды, используемой во всех технологическихпроцессахиоперациях.

В подавляющем большинстве технологических операций нет необходимости виспользовании воды питьевого качества. Поэтому необходимо оценить допустимые пределы основных показателей качестваводы, которыеопределяютсяследующимифакторами:

-недолжноухудшатьсякачествополучаемогопродукта;

-должнаобеспечиватьсябезаварийнаяработаоборудования; оно недолжноразрушатьсявследствиекоррозии, настенкахнедолжны появлятьсяотложенияит.д.;

-не влиять на здоровье обслуживающего персонала за счёт

изменениятоксикологическихилиэпидемиологическиххарактеристик воды.

34

Историческисложилосьтак, чтоприразработкетехнологических схем на качество воды не обращали внимания. Питьевая и даже техническаяводавподавляющембольшинствеслучаевудовлетворяла технологов, аиспользованную водупростосбрасываливводоёмы и толькопозднеесталинаправлятьнаочистныесооружения.

Общими задачами при разработке замкнутых водооборотных системдлявсехотраслейнародногохозяйстваявляютсяследующие:

-максимальное внедрение воздушного охлаждения вместо водяного: намногихпредприятияхнаохлаждениерасходуетсядо70 % всейиспользуемойводы;

-размещениекомплексапроизводствнапромышленнойплощадке таким образом, чтобы было возможно многократно (каскадно) использоватьводувтехнологическихпроизводствах;

-последовательноемногократноеиспользованиеводывразличных или идентичных производствах должно приводить к образованию небольшого объема максимально загрязненных сточных вод, для обезвреживаниякоторыхможноподобратьдостаточноэффективные(и, какправило, дорогостоящие) методыочистки;

-использованиеводы дляочисткигазовтолькотогда, когдаиз

газовизвлекаютсяи используютсяценныекомпоненты, применение водыдляочисткигазовоттвердыхчастицдопускаетсятольковслучае замкнутогоцикла;

- обязательная регенерация отработанных кислот, щелочей и солевых технологических растворовсиспользованием извлекаемых продуктоввкачествевторичногосырья.

Присозданиизамкнутыхводооборотныхсистем промышленных предприятий водоподготовка и очистка сточных вод должны рассматриватьсякакединаясистема. Проектированиезамкнутыхсистем проводитсяодновременноспроектированиемосновногопроизводства.

Схемыводообеспеченияпромышленныхпредприятий

При прямоточном водообеспечении всязабираемаяизводоема водапослеиспользованиявтехнологическомпроцессевозвращаетсяв водоемзаисключениембезвозвратныхпотерьвпроизводствеипотерь сошламомнаочистныхсооружениях(рис. 8,а).

Схемаповторногоиспользованиясточныхводпослеихочистки показананарис. 8,б. Незагрязненныенагретыесточныеводыпоступают наохладительныеустановки(градирни, охладительныепруды), азатем возвращаютсявоборотную систему водообеспечения. Загрязненные сточныеводыпоступаютнаочистныесооружения. Послеочисткичасть отработанных сточных вод подают в систему оборотного водообеспечения, если их состав удовлетворяет нормативным

35

требованиям.

Исходя из существующего технического уровня отраслей, повторноиспользуется92-98 % воды. Вотдельныхпроизводствахэтот показательдостиг100 %, т.е. водуиспользуютмногократнобезсброса загрязненныхстоковвводоемы, асвежую водудобавляютвсвязис естественнойубылью(испарение, химическоепревращениеидр.). Так, на предприятиях нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности оборотные системы обеспечивают 91 % производственныхпотребностейвводе.

Рис. 8. Схемыводообеспеченияпромышленныхпредприятий: а- прямоточная; б- оборотная;

1 - предприятие; 2 - очистныесооружения: 3 - охладительныеустановки;

I - водаизисточника; II - безвозвратныепотериводы; III - вода, удаляемаясошламом; IV - вода, сбрасываемаявводоем; V - потериводынаиспарениеиунос; VI - оборотнаяводапосле охладительныхустановок; VII - тожепослеочистныхсооружений

Однако переходотчастичных оборотныхсистем кполностью замкнутымоборотнымсистемамсвязаннетолькосдополнительными капитальнымизатратаминастроительствосоответствующихочистных сооружений, но и срешением двух основных задач: устранением минерализацииипокрытиемпотерьоборотнойводы

Прициркуляциивсистемечастьводыиспаряетсявградирнях, с поверхностиоткрытыхпрудовиочистныхсооружений, приудалении шламов и осадков, теряется в результате участия в химических реакциях, подвергаетсяразличнымфизико-химическимвоздействиям, в том числе упариванию, в результате чего в ней увеличивается концентрация солей и накипеобразующих соединений. При многократном использовании в воде накапливаются механические взвеси, различные коррозионно-агрессивные соединения и микроорганизмы. Всеэтовызываетинтенсивноеотложениенакипии коррозию оборудования, ухудшаеттеплопередачу. Из-заувеличения содержаниявводесолейидругихпримесейтребуетсявыводчасти водыизаменаеесвежей. Сэтойцельюосуществляюттакназываемую подпитку, или продувку системы. Взамен сброшенной изводоема забираютсвежуюводу. Покрытьпотериоборотнойводыможнозасчет бытовыхсточныхвод, атакжедождевыхи паводковых вод после

36

предварительнойихподготовки.

При организации оборотноговодообеспеченияпредусматривают методы борьбы с карбонатными отложениями, биологическими обрастаниями, коррозиейоборудования, атакжеметоды подготовки подпиточнойводы.

Накапливающиеся в оборотной воде соли образуют на теплообменнойповерхноститакназываемыекарбонатныеотложения, болеечемна50 % состоящиеизкарбонатакальция. Основныеметоды сниженияотложений:

1)обработкаохлаждающейводы кислотой(обычносерной) для сниженияобщейщелочностиводы;

2)фосфатирование путем введения в воду раствора гексаметафосфата натрия, тормозящего процессы кристаллизации и осаждениякарбонатанатриянастенкахаппаратуры;

3)обработкаводымагнитнымполем, чтовызываетбыстрыйрост кристалловкарбонатныхидругихотложений, которыесорбируютна своей поверхности ионы карбонатов кальция и магния, растут и выпадаютввидешлама, легкоуносимогопотоком.

При оборотном водоснабжении возникает проблема борьбы с

биологическими обрастаниями. Разнообразные живые существа

(бактерии), проникаяизоткрытыхводоемов всистему оборотного водоснабжения, поселяются на любой твердой поверхности, соприкасающейся с водой, развиваются, образуют поселения, называемые биологическими обрастаниями; сами организмы называются биогентами. Допустимой считается скорость развития биологическихобрастанийтеплообменныхаппаратовитрубопроводов

2

воборотнойводеневыше0,07 г/(м-ч), т.е. втечениемесяцатолщина нарастающегослоядолжнабытьнеболее0,05 мм. Дляборьбы с бактериальными биогентами применяют хлор, а для уничтожения водорослеймедныйкупорос. Дозы ипериодичностьхлорирования определяютнаосновелабораторныхисследований оборотнойводы.

Водорослиразвиваютсявосновном втеплыйпериодгода. Поэтому купоросомобрабатываютводу3-4 разавмесяцвпериодсапреляпо октябрь.

Содержащиесявоборотнойводесолиидругиепримесивызывают коррозию оборудования. Хлориды ускоряют коррозию вследствие увеличения кислотности воды и их разрушающего действия на пассивирующие пленки; сульфаты агрессивно действуютнабетон.

Диоксид углерода замедляет образование защитных пленок. Для защиты откоррозии в оборотных системах применяютразличные ингибиторы. Процесскоррозииприостанавливаютхроматибихромат

37

калия. Онижезамедляютбиологическиеобрастания. Дляснижения коррозии воду обрабатываюттакже фосфатами, которые образуют пленку, изолирующуюметаллотводы. Вотличиеотхроматовфосфаты благоприятствуютразвитию биологическихобрастаний, поэтомуэти химикаты иногдаприменяютсовместно. Один изспособовзащиты металлаоткоррозиизащитныепокрытиясмолами, красками, лакамии эмалями, однакоонинедолговечныивосстановитьихможнотольково времяремонта.

Для предотвращения и удаления карбонатных отложений и биологических обрастаний систему оборотного водообеспечения систематически очищают механическим способом, гидропневматической промывкой или с помощью химических реагентов.

Таким образом, полностью замкнутаясистемаводообеспечения предполагаетпостоянныйколичественныйикачественныйсоставводы, предотвращение коррозии оборудования, загрязнения системы как минеральными, такибиологическимиотложениями, отсутствиесброса загрязненныхводвводоемы, ликвидациюсбросовдругимиспособами.

1.3.3. Энергетические ресурсы химико-технологической системы

1.3.3.1. Энергиявхимическомпроизводстве

Вхимическомпроизводствеосуществляютсяпроцессы, связанные либо с выделением, либо с затратой, либо со взаимными превращениями энергии. Энергия затрачивается не только непосредственно на проведение химических реакций, но и на транспортировкуматериалов, дробление, фильтрацию, сжатиегазовит.

д.

Энергоемкость производства - расход энергии на получение единицы продукта– одинизважнейшихпоказателейэффективности производства. Имеются производства, отличающиеся высокой энергоемкостью, и производства с относительно небольшим потреблениемэнергии. Так, напроизводство1 талюминиянеобходимо 18 000-20 000 кВтчэнергии, анапроизводствоминеральныхудобрений (суперфосфата) – 2-10 кВтч. Энергию выражают в различных единицах: кДж, кВт.ч, втомчислевединицахусловноготоплива(1 кг

3

твердого топлива или 1 м газообразного с теплотой сгорания

29,3 МДж).

38

Несмотря на наличие производств, потребляющих небольшие количества энергии на тонну продукции, крупные масштабы современных химических комбинатов и заводов обусловливают возрастающуюпотребностьвовсехвидахэнергии.

Видыэнергии

Наиболееширокоепрактическоеприменениевпромышленности имеют электрическая, ядерная, тепловая, химическая и др. виды энергии. Вид применяемой энергии зависит от технологического процесса.

Электрическаяэнергия- наиболееуниверсальныйвидэнергии. ИсточникомееявляетсяэнергияводынаГЭСипревращениетепловой энергии, полученной в результате сгорания топлива (ТЭЦ) или в результате ядерных реакций (АЭС), в механическую, а затем механической в электрическую. Электроэнергия на химических предприятиях используется для осуществления электрохимических (электролизрастворовирасплавов), электротермических(плавление, нагревание, синтезы при высоких температурах и т. д.), электромагнитныхпроцессов. В промышленностинашлиприменение процессы, связанныесиспользованием электростатических явлений (осаждениепылей итуманов, электрокрекингуглеводородови др.), электронноионные явления, применяемые для контроля и автоматизации химических производств. Особенно широко в химическойпромышленностииспользуетсяпревращениеэлектрической энергиивмеханическую, котораянеобходимаглавным образом для физических операций - дробления, измельчения, смешения, центрифугирования, работывентиляторов, компрессоров, насосовипр.

Тепловаяэнергиявхимическойпромышленностиприменяется, вопервых, дляосуществленияразнообразнейшихфизическихпроцессов, несопровождающихсяхимическимиреакцияминагрева, плавления, сушки, выпарки, дистилляцииит. п. Кромеэтого, большоеколичество тепловойэнергиизатрачиваетсянанагревреагентовдляпроведения эндотермическиххимико-технологическихпроцессов.

Внутриядернаяэнергия, выделяемаяприразличныхпревращениях атомныхядерилиприсинтезеядерводородавядрагелия, используется дляпроизводстваэлектрическойэнергиинаатомныхэлектростанциях.

Большое распространение получают радиационно-химические процессы, в которых радиоактивные излучения используются для осуществленияхимическихреакций.

Химическаяэнергия, выделяющаясяврезультатеэкзотермических химическихреакций, служитценнымисточникомтепладляобогрева реагентов, используемыхдляпроведенияреакции. Химическаяэнергия

39

применяетсявгальванических элементахи аккумуляторах, гдеона преобразуетсявэлектрическую.

Световая энергия используется для осуществления различных фотохимическихреакций: синтезахлористоговодородаизэлементов, галоидирования органических соединений и других процессов. Фотоэлектрические явления, в которых происходит превращение световой энергии в электрическую, нашли применение для автоматическогоконтроляиуправлениятехнологическимипроцессами.

Источники энергии, используемой на промышленных предприятиях, могутбытьразличными. Они могутоцениватьсяпо характеруэнергетическихресурсов, энергетическойценности, запасам.

Похарактеруэнергетическиересурсыделятсянаневозобновляемые ивозобновляемые. Кневозобновляемымисточникамэнергииотносятся уголь, нефть, сланцы, природныйгаз, которыепослеихиспользования немогутбытьвоспроизведены. Гидроэнергия, растительноетопливо, энергия ветра, солнечная энергия относятся к непрерывно возобновляемымисточникамэнергии.

Энергетическая ценность отдельных источников энергии определяетсяколичеством энергии, котороеможнополучитьприих использовании. Для топлив, например, энергетическая ценность характеризуется количеством квтч, получаемых при полном использованиитеплотысгоранияодногокилограммаиликубического метраданноготоплива, напримерэнергетическаяценностькаменного

трансформацииэнергииипередачиеенарасстоянияирядомдругих факторов.

Размещениехимическихпредприятий, отличающихсябольшими масштабами потребления энергии, зависит от наличия дешевого топливаиэлектрическойэнергии. Вэтойсвязиследуетотметитьроль местныхвидовтоплива, которые, как правило, обходятсядешевле дальнепривозных. Однако в некоторых случаях использование транспортируемогонадальниерасстоянияпотрубопроводамгазаболее рентабельно, чемиспользованиеместныхтоплив.

40