Vanduo chemijos pramonėje

VANDUO CHEMIJOS PRAMONĖJE Chemijos pramonėje įvairiems tikslams suvartojama labai daug vandens, todėl gamyklos statomos prie vandens baseinų. Vanduo daugumoje gamyklų vartojamas ir kaip žaliava, ir kaip pagrindinėms cheminės reakcijoms būtinas reagentas, pavyzdžiui, vandenilio, sieros ir azoto rūgščių, sodos, natrio šarmo, kalio šarmo, kalcio hidroksido ir kitų šarmų bei bazių gamyboje. O kur dar įvairios hidracijos ir hidrolizės reakcijos! Kartais, vykstant pagrindinėms reakcijoms, vanduo ne suvartojamas, o pasigamina. Pavyzdžiui, koksuojant anglis, sausai distiliuojant mediena, durpes ir kitų rūšių kurą, susidaro vandens distiliatas. Vanduo išskiria, degant kurui, oksiduojant amoniaką arba kitus vandenilio turinčius junginius. Chemijos, metalurgijos, maisto ir lengvoje pramonėje vandeniu tirpinamos kietos, skystos ir dujinės medžiagos. Dažnai iš dujinių ir kietų medžiagų vandeniu mechaniškai išplaunamos priemaišos. Iš vandens ir sodrinamų žaliavų ruošiamos suspensijos ir cheminių reakcijų mišiniai. Visais išvardytais atvejais vanduo vartojamas technologiniams reikalams. Gerokai daugiau jo suvartojama kaip šilumos agento. Vandeniu šaldomi egzoterminių reakcijų metu įkaitę reaguojančių medžiagų mišiniai. Vandens garais arba įkaitintu (dažnai perkaitintu) vandeniu šildomi reaguojantys endoterminių reakcijų mišiniai (kad greičiau vyktų procesas). Šilumokaitai tarp reaguojančių masių ir vandens sukurti įvairių konstrukcijų šilumokaičiai. Šiluma gali būti perduodama vandeniui tiesiogiai liečiantis su medžiaga, bet dažniausiai skysti ir dujiniai reaguojantys mišiniai šildomi per sienelę. Vandens sąnaudos šuolaikinėje chemijos įmonėje siekia milijonus kubinių metrų per parą. Vienai tonai amoniako pagaminti suvartojama 1500m3, 1t viskozės-2500m3, 1t sieros rūgšties (kontaktiniu būdu)-50m3 vandens. Didžioji dalis vandens (ypač šilumokaičių), atšaldoma arba išvaloma ir vėl grąžinama į gamybą. Toks vanduo vadinamas grįžtamuoju. Taupant vandenį, aušinama oru. Vanduo – geras kietų, skystų ir dujinių medžiagų tirpiklis, todėl gamtiniuose vandenyse visuomet gausu įvairių priemaišų. Pagal priemaišų sudėtį ir pobūdį gamtiniai vandenys skirstomi į tris grupes. Atmosferiniu vadinamas lietaus ir sniego vanduo. Šiame vandenyje labai nedaug priemaišų, dažniausiai - tai ištirpusios dujos: deguonis, anglies dioksidas, sieros vandenilis, azoto oksidai, sieros deguoniniai junginiai, organinės medžiagos, kuriomis užteršta pramonės rajonų atmosfera. Atmosferiniame vandenyje beveik nėra ištirpusių druskų (kalcio ir magnio), todėl jis minkštas. Paviršiniai vandenys – upių, ežerų, jūrų vanduo. Šiuose vandenyse daug įvairiausių priemaišų. Beveik visada juose yra ištirpusių kalcio, magnio, natrio ir kalio hidrokarbonatų, sulfatų ir chloridų. Šių druskų kiekis paviršiniuose vandenyse labai nevienodas ir svyruoja nuo minimalių kiekių iki sočių tirpalų. Jūros vandenyje randama beveik visų žinomų elementų, iš jų ir tauriųjų bei radioaktyviųjų metalų. Vanduo, kuriame ištirpusių druskų mažiau kaip 1 g/l, vadinamas gėlu, jeigu daugiau kaip 1 g/l, - sūriu. Pagal Ca2+ ir Mg2+ kiekį vanduo skirstomas į minkštą (Ca2+ ir Mg2+ iki 3mg ekv/l), vidutinio kietumo (3 – 6mg ekv/l) ir kietą (daugiau kaip 6mg ekv/l). Požeminiai vandenys – artezinių gręžinių, šulinių, šaltinių, geizerių vanduo. Jiems būdingos labai įvairių ištirpusių druskų priemaišos, kurių rūšis priklauso nuo dirvos ir uolienų, pro kurias sunkiasi atmosferiniai ir paviršiniai vandenys, sudėties ir struktūros. Vanduo, filtruodamasis per dirvą ir uolienas, gerai išsivalo, todėl požeminiai vandenys labai skaidrūs ir neturi organinių priemaišų. Požeminiai mineraliniai vandenys, prisisotina įvairių druskų, sudaro neįkainojamus chemijos pramonės žaliavų šaltinius. Iš NaCl prisotintų požeminių vandenų gaminama soda, natrio šarmas ir chloras. Iš požeminių tirpalų gaunami jodidai, bromidai ir kitos druskos. Vandens kokybė nusakoma fizikinėmis ir cheminėmis savybėmis: skaidrumu, spalva, kvapu, temperatūra, mineralizuotumu, oksidavimosi laipsniu ir reakcija. Šie rodikliai priklauso nuo priemaišų rūšies ir savybių. Mineralizuotumas – tai vandenyje ištirpusių druskų kiekis. Norint nustatyti šį kiekį (mg/l), sausai išgarinamas litras vandens, gautos nuosėdos išdžiovinamos ir 110 ºC temperatūroje iškaitinamos iki pastovios masės. Sausas nuosėdas įkaitinus iki tamsiai raudonos įkaitinimo temperatūros, iš masių skirtumo galima atskirai apskaičiuoti organinių ir neorganinių priemaišų kiekius. Pramonėje vartojamo vandens pagrindinis kokybės rodiklis – kietumas. Jis priklauso nuo ištirpusių kalcio ir magnio druskų kiekio. Kietumas išreiškiamas Ca2+ arba Mg2+ mg ekv/1. Taigi kietumo vienetą sudaro 20,04mg/l Ca2+ arba 12,16 mg/l Mg2+ jonų. Kietumas gali būti laikinas, pastovusis ir bendrasis. Laikinasis (karbonatinis) kietumas priklauso nuo ištirpusio kalcio ir magnio hidrokarbonatų kiekio. Verdant vandenį, šie karbonatai išsiskiria netirpiomis nuosėdomis ir sudaro katilų išviras: Ca(HCO3)2=CaCO3+H2O+CO2 2Mg(HCO3)2=MgCO3*Mg(OH)2+3CO2+H2O Pastovusis (nekarbonatinis) kietumas priklauso nuo vandenyje ištirpusių visų kitų (be hidrokarbonatų) kalcio ir magnio druskų. Laikinasis ir pastovusis kietumas sudaro bendrajį kietumą. Gamtinis vanduo, žiūrint koks kietumas, klasifikuojamas taip: Vandens kietumas Ca2+ ir Mg2+ mg ekv/l Labai minkštas 0 – 1,5 Minkštas 1,5 – 3,0 Vidutinio kietumo 3,0 – 6,0 Kietas 6,0 – 10,0 Labai kietas >10 Oksidavimasis priklauso nuo vandenyje esančių organinių priemaišų. Jis išreiškiamas tuo KMnO4 (mg/l) kiekiu, kuris suvartojamas per 10min, virinant 1 litrą vandens. Vandens reakcija nusakoma vandenilio jonų koncentracija, kuri nustatoma indikatoriais. Gamtinio vandens reakcija artima neutraliai – jų pH* svyruoja tarp 6,8 ir 7,3. gįžtamųjų vandenų pH priklauso nuo gamybos pobūdžio. Kai pH7,5, - šarminis. *pH – vandenilio koncentracijos rodiklis; pH=-lgCH+. Priemaišų kiekis vandenyje nurodytas standartuose. Jų kenksmingumas priklauso nuo sudėties, dispersiškumo (smulkumo) ir nuo gamybos technologijos. Stambios mechaninės priemaišos užteršia vamzdžius ir aparatus, sumažina jų našumą, sudaro kamščius, dėl kurių gali kilti avarijos. Koloidinės priemaišos užteršia elektrolizerių diafragmas, dėl jų katiluose ir aparatuose putoja vanduo. Labai kenksmingos ištirpusios druskos ir dujos, nes jos nusėdusios padengia katilų sieneles, paspartina metalų koroziją. Vandens paruošimą gamybai sudaro įvairios vandens valymo operacijos. Iš jo turi būti pašalintos ištirpusios, koloidinės ir pakibusios priemaišų dalelės. Pagrindinės vandens paruošimo operacijos yra nusistovėjimas ir filtravimas, minkštinimas, kartais – visų druskų pašalinimas, neutralizavimas, degazacija ir kenksmingų medžiagų pavertimas nekenksmingomis. Paliktas nusistovėti vanduo praskaidrėja, nes nusėda stambiadispersės priemaišos. Vanduo nusistovėjimui supilamas į nuolatinio vaikimo betunuotus rezervuarus – nusodintuvus. Kad būtų dar skaidresnis, iš nusodintuvų nupiltas vanduo koaguliuojamas ir po to filtruojamas. Koaguliacija – efektyvus heterogeninių sistemų atskyrimo būdas, taikomas smulkiosioms molio dalelėms ir baltyminėms medžiagoms iš vandens pašalinti. Į koaguliuojamą vandenį pridedami nedideli kiekiai koaguliantų – elektrolitų Al2(SO4)3, FeSO4 arba kitų madžiagų. Koaguliacijos fizikinė – cheminė esmė yra tokia: koaguliantas adsorbuojasi ant elektros krūvį turinčios koloidinės dalelės ir neutralizuoja ją. Neutralizuotos dalelės sukimba (koaguliuojasi) ir nusėda. Kuo didesnis koagulanto jono (Al3+, Fe3+)krūvis, tuo mažiau koaguliacijai reikia elektrolito. Molio koloidinės dalelės (gamtiniai vandenys), turinčios neigiamą krūvį, koaguliuojamos aliuminio sulfatu arba aliuminio alūnu. Susidariusių nuosėdų paviršiuje adsorbuojasi spalvotos organinės priemaišos, todėl vanduo skaidrėja. Nusistovėjęs vanduo filtruojamas. Vanduo dažniausiai filtruojamas pro smėlio filtrus. Mažiausių sulaikomų dalelių dydis (skersmuo dmm) randamas iš formulės: čia l – filtruojančiosios medžiagos grūdelių vidutinis dydis mm; w – filtravimo greitis m/h; m – koeficientas; kvarcinio smėlio m=0.0095. Vandens minkštinimas – tai jame ištirpusių kalcio ir magnio druskų šalinimas. Pramonėje taikomi įvairūs vandens minkštinimo būdai. Minkštinant vandenį, Ca2+ ir Mg2+ jonai sujungiami į netirpius, lengvai iš vandens pašalinamus junginius. Žiurint koks vartijamas reagentas, vandens minkštinimo būdai vadinami kaklių, sodos, natrio šarminiu ir fosfatiniu (natrio fosfatu). Ekonomiškiausias yra mišrūs cheminiai vandens minkštinimo būdai. Juos taikant, pašalinamas laikinasis bei pastovusis kietumas, sujungiama CO2, geležies jonai, koaguliuojamos organinės ir kitos priemaišos. Toks mišrus būdas yra kalkių – sodos ir fosfatinio būdo derinys. Procesas aprašomas toliau nurodytomis reakcijomis. 1. Veikiant vandenį gesintomis kalkėmis, pašalinama laikinasis kietumas, geležies jonai ir sujungiamas CO2: Ca(HCO3)2+Ca(OH)2=2CaCO3↓+2H2O 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↓ CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O 2. Veikiant soda, pašalinimas pastovusis kietumas: Kalkių – sodos metodu vanduo suminkštinamas iki 0,3mg ekv/l kietumo. 3. Vanduo, veikiamas natrio fosfatu, suminkštėja iki 0,03mg evk/l: 3Ca(HCO3)2+2Na3PO4=Ca3(PO4)2↓+6NaHCO3 3MgCl2+2Na3PO4=Mg3(PO4)2↓+6NaCl Kadangi kalcio ir magnio fosfatai mažai tirpūs, tai fosfatinis metodas labia efektyvus. Labia ekonomiška cheminius minkštinimo būdus derinti su fizikiniais – cheminiais, t. y. jonitiniais. Jonitais vadinamos medžiagos, kurios su vandeniu keičiasi jonais. Iš vandens paimami Ca2+ ir Mg2+ jonai. Jonų mainai gali būti katijonitiniai ir anijonitiniai. Katijonotiniai – tai sulfoanglis arba stambiamolekulės dervos, turinčios aktyvų H+, Na+ arba NH grupių. Katijininiame minkštinimo procese katijonito natrio ir vandenilio jonai pakeičiami Ca2+ ir Mg2+ jonais. Natrio jon7 mainai vadinami Na – katijoninimu, o vandenilio jonų – H – katijoninimu: Na2[Kat]+Ca(HCO3)2↔Ca[Kat]+2NaHCO3 Na2[Kat]+MgSO4↔Mg[Kat]+2Na2SO4 H2[Kat]+MgCl2↔Mg[Kat]+2HCl H2[Kat]+Na2SO4↔Na2[Kat]+H2SO4 Tokiu pat būdu iš vandens pašalinami ir kitų matalų jonai. Anijonitai – tai stambiamolekulės medžiagos, turinčios aktyvų OH-, HCO arba CO grupių. Anijonitai išvalo iš vandens kenksmingus anijonus: [An]OH+HCl↔[An]Cl+H2O 2[An]OH+H2SO4↔[An]2SO4+2H2O Jonitai ne tik suminkština vandenį – jais pašalinamos visos vandenyje ištirpusios druskos. Joninių mainų reakcijos grįžtamosios, todėl jonitus galima regeneruoti. Na – katijonitai regeneruojami valgomosios druskos tirpalu, o H – katijonitai – meneralinių rūgščių tirpalais. Anijonitai regeneruojami natrio šarmo, hidrokarbonato arba karbonato tirpalais. Kaip iš vandens jonitais (katijonitais ir anijonitais) šalinamos druskos, parodyta 129 paveiksle. Vanduo tolygiai pilamas ant H – katijonitinio filtro (130pav.). Filtre katijonito grūdeliai esti suberti ant kvarcinio smėlio. Filtruojant vandenį per H – katijonitą, vyksta jonų mainai. Katijonito vandenilio jonai pakeičia vandenyje esančius Ca2+, Mg2+, Na+, NH ir kitus jonus. Paskui vanduo leidžiamas į OH-anijonitinį filtrą, ir ten vandenyje esantys anijonai pakeičiami OH – jonais. Toliau vanduo apdorojamas degazatoriuje – jame pašalinamos vandenyje išturpusios dujos (O2, CO2 ir kt.). Jonitiniai filtrai periodiškai atjungiami ir regeneruojami. Konstruojant jonitinius įrenginius, reikia apskaičiuoti bendrą vienu metu veikiančių jonitinių filtrų paviršiaus plotą F ir filtrų skaičių. Bendras filtrų plotas F (m2) randamas iš formulės F=(mL)/w čia m – suminkštintos vandens sąnaudų įrenginyje (jonitams regeneruoti ir kt.) koeficientas (m=1,10-1,25); L – minkštinimo įrenginio našumas m3/h; w – vandens filtravimo per jonitus skaičiuotinis greitis m/h. Vandens filtravimo greitis randamas iš santykio ; čia Ed – jonito mainų darbinė galia (jonito imlumas) g ekv/m3; H – jonito sluoksnio storis m; τ – filtro darbo periodas (tarp regeneracijų) h; h0 – pradinis vandens bendrasis kietumas mg ekv/l; d – jonito grūdelių vidutinid skersmuo mm; hl – liekamasis suminkštinto vandens kietumas mg ekv/l. Liekamajį suminkštinto vandens kietumą galima nustatyti laboratorijoje arba apskaičiuoti iš formulės. čia α – regeneracijos efektyvumo koeficientas; M – suminkštinto vandens bendra katijonų (Ca2+, Mg2+, Fe2+, Na+, K+) koncentracija mg ekv/l. Jonito darbinis imlusas randamas iš formulės Ed=αβNaEυ-0,5qh0; čia βNa – koeficientas, įvertinantis katijonito mainų efektyvumo sumažėjimaą, kai vandenyje yra Na+ jonų; Eυ – katijonito visas darbinis imlusas g ekv/l; q – vandens lyginamosios sąnaudos regeneruotam katijonitui praplauti m3/m3; priimama, kad q=5 m3/m3. Koeficientų α, βNa reikšmės randamos remiantis tyrimų duomenimis. Laikoma, kad filtro darbo trukmė τ=6,5-22,5 h. Rekomenduotinas vandens filtravimosi per katijonitą greitis w priklauso nuo h0; jis būna lygus 5-20m/h. Darbinių filtrų skaičius n įrangoje randamas pagal bendrą filtro plotą F formulės n=4F/(πD); čia Df – filtro skersmuo m. Neutralizuojamas grįžtamasis gamybinis vanduo, kuris proceso metu užsiteršia anijonais. Vanduo neutralizuojamas kalkėmis arba soda. Vanduo degazuojamas, t. y. Šalinamos išturpusios dujos (O2, CO2, H2S), fizikiniais ir cheminiais būdais. Prie fizikinių būdų priklauso vandens aeravimas, t. y. vandens ištaškimas ore. Cheminiai degazavimo būdai – tai vandens veikimas reagentais, kurie sujungia ištirpusias dujas. Pavyzdžiui, H2S suoksiduojamas chloru, O2 sujungiamas į vandenį pridėtu natrio sulfitu. Vanduo padaromas nekenksmingu (dezinfekuojamas) chloru arba ozonu. Švariausias yra distiliuotas vanduo. Distiliuojant pašalinamos druskos, vanduo dezinfekuojamas ir iš dalies degazuojamas. Distiliuotas vanduo vartojamas grynų produktų gamybai ir laboratorijose. Gamybinis grįžtamasis vanduo būna šiltas arba karštas, todėl jis vėsinamas: suleidžiamas į baseinus, išpurškiamas (fontanuojamas) baseinuose ir aušinimo bokštuose. Šiuos vandens paruošimo būdus galima taikyti nutekamiesiems pramonės įmonių vandenims valyti. Dažnai šie vandenys grąžinami į gamybą. Gamta geriausiai apsaugoma nuo užterštų vandenų, kai pramoniniai vandenys cirkuliuoja uždaru ciklu.

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!