ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 08.11.2023
Просмотров: 28
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Вариант 4
1. Основные стадии промышленной водоподготовки. Методы умягчения воды
Промышленные воды не должны содержать различных примесей больше допустимой нормы, которая устанавливается в зависимости от назначения. Например, вода для прямоточных паровых котлов не должна содержать оксид углерода (IV) и кислород, вызывающий сильную коррозию труб котла Вода высокой степени очистки необходима для производства полупроводников и люминофоров. Основные виды водоподготовки промышленных вод: коагуляция, отделение взвешенных примесей отстаиванием и фильтрованием, умягчение, обессоливание, дистилляция, деаэрация. Процессы коагуляции, отстаивания и фильтрации аналогичны применяемым для водоподготовки питьевых вод. В цехах водоподготовки промышленных предприятий обычно применяют вертикальные скоростные фильтры, в которых необходимый напор воды создается насосами или высоко расположенными баками с водой.
Умягчение и обессоливанш воды. Умягчение воды заключается в частичном или полном удалении из нее катионов накипеобразователей (Са2+ и Mg2+). Если из воды удаляют все соли, то этот процесс называется обессоливанием воды.
Способы умягчения воды делятся на физические, химические и физико-химические.
Физические методы – это кипячение, дистилляция и вымораживание. В первом случае устраняется лишь временная жесткость:
Са (НСО3)2=СаСО3+Н2О + СО2|
Дистилляция и вымораживание обеспечивают обессоливание воды.
Химические способы умягчения заключаются в связывании ионов кальция и магния реагентами в нерастворимые или легко удаляемые соединения. В промышленности применяют следующие способы умягчения воды: известковый, содовый, натронный, фосфатный. Обрабатывая воду гашеной известью, устраняют временную жесткость, удаляют ионы железа и связывают оксид углерода (IV):
Са (НСО3Ь + Са(ОН)2 = 2СаСО8 + 2Н2О
Mg (НСО3)2 + Са(ОН)2 = СаСО3 + Mg(ОН)2 + Н2О + СО2
FeSO4 + Са(ОН)2 = Fe(OH)2 + CaSO4
4Fe (OH)2 + О2 + 2Н2О = 4Fe (OH)B
С02 + Са (ОН)2 = СаСОз + Н2О
При действии на воду кальцинированной содой или едким натром достигают устранения временной и постоянной жесткости:
Mg (HCO3)2 + 4NaOH = Mg (OH)2 Са (НСО3)2
+ 2NaOH – С аСО3
Na2CO3 = СаСО3 + 2NaCl Na2CO3 = СаСО3 + Na2SO4
Обработка воды фосфат натрием также ведет к связыванию ионов, образующих накипь в виде нерастворимых солей:
ЗСа (НСО3)2 + 2Na3PO4 = Са3 (РО4)2 + 6NaHCO3
3CaSO4 + 2Na3PO4 = Са3(РО4)2 + 3Na2SO4
3MgCl2 + 2Na3PО4 = Mgs(PO4)2 + 6NaCl
Эффективность умягчения воды возрастает от известкового к фосфатному при одновременном существенном увеличении стоимости этого процесса. Поэтому на практике применяют и комбинированные способы, в которых основная часть ионов жесткости связывается дешевыми реагентами – известковым молоком или содой, доумягчение осуществляется фосфатом натрия. Известково-содовый метод дает возможность снизить жесткость до 0,3 мг-экв/л, а фосфатный – до 0,03 мг-экв/л.
В настоящее время из-за простоты, высокой эффективности и экономичности широкое распространение получил физико-химический метод. Он основан на способности некоторых нерастворимых синтетических материалов обменивать свои ионы на ионы, присутствующие в воде. Такие вещества называются ионитами и подразделяются соответственно на катиониты и аниониты. Катиониты обычно содержат подвижные катионы натрия (Na-катионит) или водорода (Н-катионит). Аниониты содержат подвижные гидроксо-группы (ОН-анионит). В качестве Na-катионитов применяют различные алюмосиликаты: глауконит, цеолит, пермутит и др.; в качестве Н-катионитов используют сульфированный уголь и синтетические смолы. ОН-аниониты – это высокомолекулярные вещества, например, карбамидные смолы. При умягчении воды Na-катионитами удаляют накипеобразователи:
Na2 (Кат) + Mg (НСО3)2 = Mg (Кат) + 2NaHCO3 Na2 (Кат) + CaSO4 = Са (Кат) -f Na2SO4,
где (Кат) – неучаствующая часть катионита. в обмене.
Общее солесодержание воды в этом случае меняется незначительно. Катионо-обмен осуществляют в ионообменнике. Поскольку реакции ионо-обмена обратимы, то ионит регенерируют пропусканием концентрированного раствора, содержащего исходный ион. В частности, N-aкатионит регенерируют концентрированным раствором поваренной соли.
Для полного удаления из воды всех солей (обессиливания) ее последовательно пропускают через фильтры с Н-катионитом и ОН-анионитом:
2Н (Кат) + CaSO4 = Са (Кат)2 + H2SO4
Н (Кат) + NaCl = Na (Кат) + НС1
2 (Ан)ОН + H2SO4 = (Ан)2
5О4 + 2Н2О
(Ан)ОН + НС1 = (Ан)С1 + Н2О
Регенерируют катионит кислотой, а анионит – щелочью.
Деаэрация (дегазация) – удаление из воды растворенных газов физическими и химическими методами. При физическом способе воду нагревают до кипения, что вызывает сильное уменьшение растворимости газов и их выделение. При кипении воды вследствие увеличения парциального давления паров до атмосферного полностью удаляются кислород и оксид углерода (IV). Деаэрацию осуществляют и нагреванием воды в вакууме. Химическая дегазация заключается в добавлении к воде реагентов, связывающих кислород и оксид углерода (IV). При химическом умягчении воды удаляется оксид углерода (IV), а для связывания кислорода в воду добавляют сильные восстановители (сульфит натрия, гидразин):
Для обескислороживания небольших порций воды чаще применяют цугунно-стружечные фильтры. При прохождении воды через слой железных стружек кислород взаимодействует с железом, образуя нерастворимый оксид железа (III):
4Fe + ЗО2 = 2Fe2O3
С поверхности стружек оксид железа (III) удаляют при промывке фильтров водой, пропуская ее через фильтр в противоположном направлении с большой скоростью.
Полное обессоливание, деаэрация и обезвреживание воды достигается также ее дистилляцией. В производстве особо чистых реактивов, лабораторной практике, фармакологии, для заряда аккумуляторов применяют дистиллированную воду. В связи с нехваткой пресной воды все шире используют технологию опреснения морских и солоноватых подземных вод, например, гиперфильтрацию, электродиализ, дистилляцию, вымораживание.
Общемировое недопотребление на промышленные и бытовые нужды составляет около 9% суммарного стока рек или 600-700 км3 в год. Из этого объема безвозвратно расходуется примерно 150 км3, а около 500 км3 в год сточных вод сбрасывается в реки, озера и моря. На разбавление их перед сбросом в водоемы с учетом существующей очистки расходуется около 40% устойчивого стока рек мира. Поэтому человечество стоит не перед прямым исчерпыванием водных ресурсов, а перед проблемой качественного истощения пресных вод. Чтобы решить эту сложную задачу рационального использования водных ресурсов, необходим новый подход к разработке технологических схем, предусматривающий минимальный расход свежей воды на каждом процессе и научно обоснованные нормы расхода воды на каждом химическом предприятии, а также широкое внедрение бессточных и замкнутых систем. Задача сокращения расхода воды химическими предприятиями решается в трех основных направлениях: широкое применение оборотного водоснабжения, замена водяного охлаждения воздушным, очистка сточных вод и их повторное использование.
2. Способы увеличения движущей силы процесса, коэффициента скорости, поверхности массообмена для систем твердое – твердое, жидкость – твердое, жидкость – газ
Гетерогенные системы – это системы, состоящие из двух и более фаз, представляющие собой совокупность целого ряда параллельных и последовательных стадий, включающих и гомогенную химическую реакцию.
В гетерогенных системах реагирующие вещества, которые могут находиться в разных фазах, и образовывать двух, трех и четырех фазные системы.
В химической технологии наиболее часто встречаются двух фазные системы:
- газ – жидкость
- газ – твердое
- жидкость – твердое
Из трех фазных:
- газ – жидкость – твердое
- газ –Ж1 – Ж2
Имеют место реже четырех фазные:
- газ – Ж – Тв1 – Тв2
За отдельную фазу принимают только основные компоненты и не учитывают фазовое состояние примесей.
Гетерогенные процессы являются более сложными по механизму протекания, по сравнению с гомогенными, поскольку реагирующие вещества находятся в разных фазах и подвод их к поверхности раздела фаз, где и происходит само химическое взаимодействие, осуществляется в результате молекулярной или конвективной диффузии.
В любом гетерогенном процессе можно выделить 3 основные стадии одновременно протекающие:
1. Диффузия реагента в границе раздела фаз
2. Химическое превращение сырья в конечные продукты
3. Диффузия продуктов реакции из зоны реакции.
Скорость гетерогенного процесса будет определяться несколькими факторами. Ее можно выразить:
W = K*F*ΔC,
где К – константа скорости химической реакции
F – поверхность контакта фаз
ΔС – движущая сила процесса.
В зависимости от того, какая из стадий будет протекать наиболее медленно, можно выделить 3 случая:
1.Скорость химической реакции значительно меньше, чем скорость диффузионных процессов. Суммарная скорость будет определяться только скоростью химической реакции. Гетерогенный процесс протекает в кинетической области.
2. Скорость диффузии значительно меньше, чем скорость химической реакции. Суммарная скорость будет определяться скоростью диффузионных процессов. Такой процесс будет протекать в диффузионной области.
3. Скорость химической реакции и скорость диффузии приблизительно сопоставимы, т.е. процесс будет определяться и скоростью диффузии, и скоростью химического взаимодействия. Гетерогенный процесс протекает в переходной области.
Лимитирующая стадия процесса – наиболее медленно протекающая стадия процесса.
При изучении гетерогенных процессов на начальном этапе с помощью различных научных методов определяется или устанавливается лимитирующая стадия процесса.
Только после выявления лимитирующей стадии создают условия для ускорения протекания лимитирующей стадии. Это является залогом повышении скорости гетерогенного процесса в целом.
Методы увеличения скорости гетерогенных процессов
1) увеличение концентрации реагирующих веществ. Поскольку скорость будет определяться ΔС = (Сг – Спов), то для увеличения скорости нужно повысить ΔС. ΔС повышается при повышении концентрации реагента в объеме реакционной среды или с повышением давления, а также с выведением продуктов реакции из среды проведения реакции.
Повышение давления является эффективным способом в случае гетерогенных процессов в системе «газ-жидкость». При выведении продуктов из зоны реакции понижается объем реакционной среды, Сг будет увеличиваться.
2) увеличение температуры. Особенно этот фактор является решающим, когда процесс протекает в кинетической области.
3) увеличение поверхности контакта фаз. В случае «газ-жидкость» – применение различных насадок.
Создание пенного режима, когда поверхностью контакта является внутренняя поверхность пузырьков газа. Чем меньше пузырьки, чем меньше слой жидкости, тем больше поверхность соприкосновения.
Измельчение поверхности твердой фазы в системе «газ-твердое» или «жидкость-твердое».
4) применение эффективного перемешивания реакционной среды.
Сопоставление гетерогенного и гомогенного процессов говорит о том, что скорость протекания гомогенных процессов более высокая, по сравнению с гетерогенными процессами. В случае гомогенных процессов реакция протекает на уровне молекул. В гетерогенных процессах скорость является результирующей величиной скоростей химического взаимодействия, как основной, так и побочных реакций, а также скоростью конвективного и диффузионного перехода через межфазную поверхность.
В практических условиях стремятся перевести гетерогенный процесс в гомогенный. Перевод твердое в расплавленное состояние, предварительное растворение твердых компонентов. Газы конденсируют или растворяют их в жидкости.
3. Классификация реакторов