Подготовка воды для производственных процессов. Изложение способов водоподготовки на предприятии
Na [Кат] + НС1 « Н [Кат] + NaCl
Примером анионного обмена может служить реакция обмена анионов ОН- по уравнению
[Ан] ОН + HCl « [Ан] Cl + Н2О
Регенерацию анионита проводят при помощи растворов щелочей:
[ Ан] Cl + NaOH « [Ан] ОН + NaCl
Значительный экономический эффект дает современный способ обессоливания воды, в основе которого лежит последовательное проведение процессов Н-катионирования и ОН-анионирования. Образующиеся в результате этих процессов ионы Н+ и ОН- взаимодействуют друг с другом с образованием молекул воды.
Повышение технико-экономического эффекта водоподготовки связано с применением комбинирования нескольких технологических процессов, например коагуляции, умягчения и осветления с помощью современных методов ионного обмена, сорбции, электрокоагуляции и др.
Для современной промышленной водоподготовки значительный интерес представляет возможность применения электрохимических методов, в частности электрокоагуляции. Электрокоагуляция - способ очистки воды в электролизерах с растворимыми электродами - основана на электрохимическом получении гидроксида алюминия, обладающего высокой сорбционной способностью по отношению к вредным примесям. Перенос электричества при внесении электродов в воду и пропускании тока осуществляют в основном ионы, находящиеся в природной воде (Са2+, Mg2+, Na+, С1-, НСО3-, SO42- и др.).
На растворимом алюминиевом аноде происходят два процесса - анодное и химическое (не связанное с протеканием электрического тока) растворение алюминия с последующим образованием А1 (ОН) 3:
Al - 3e ® Al3+
Аl3+ +ЗОН- ® А1(ОН)3
На катоде происходит выделение пузырьков газа - водорода (водородная поляризация), поднимающих частицы веществ на поверхность воды.
К достоинствам метода электрокоагуляции относятся: высокая сорбционная способность электрохимического А1(ОН)3, возможность механизации и автоматизации процесса, малые габариты очистных сооружений.
Для очистки главным образом кислых оборотных вод применяется нейтрализация — обработка воды оксидом или гидроксидом кальция.
Важной частью водоподготовки является удаление из воды растворенных агрессивных газов (СО2, О2) с целью уменьшения коррозии. Удаление газов осуществляют методом десорбции (термической деаэрации) путем нагревания паром. Термическую деаэрацию проводят в аппаратах, называемых деаэраторами (вакуумные, атмосферные, повышенного давления).
Воду, используемую для бытовых нужд, обязательно подвергают обеззараживанию - уничтожению болезнетворных бактерий и окислению органических примесей, в основном хлорированием при помощи газообразного хлора, а также хлорной извести и гипохлорита кальция.
2. Гомогенные некаталитические процессы, протекающие в жидкой и газовой фазах. Их закономерности и способы интенсификации
Гомогенными называют химические процессы, протекающие в однородной среде, т.е. в жидких или газообразных смесях, не имеющих поверхностей раздела, отделяющих части систем друг от друга. Гетерогенными называют химико-технологические процессы, в которых реагенты находятся в разных фазах. Поскольку чисто гомогенную среду, не содержащую примесей и включений другой фазы, получить трудно, то лишь условно относят к гомогенным те промышленные химические процессы, которые протекают в газовой или жидкой фазе. По размеру частиц, составляющих систему, границей между гомогенными и гетерогенными системами считают коллоиды и тонкие аэрозоли с величиной частиц более 0,1 мкм, называемые микрогетерогенными системами.
Большинство промышленных химико-технологических процессов относится к гетерогенным, но гетерогенные процессы часто включают в качестве одной из стадий гомогенный химический процесс в газовой или жидкой фазе. В гомогенных средах, особенно в жидкой фазе, химические реакции происходят быстрее, чем в гетерогенных, аппаратурное оформление гомогенных процессов проще и управление ими легче. Поэтому в промышленности широко используют прием гомогенизации системы для проведения химического процесса в однородной среде; чаще всего применяют поглощение газов жидкостью или конденсацию паров, растворение или плавление твердых веществ для получения жидкой реакционной среды.
Гомогенные процессы в газовой фазе особенно характерны для органической технологии и в ряде случаев реализуются испарением органических веществ с последующей обработкой паров газообразными реагентами - хлором, кислородом, диоксидом серы, оксидами азота; соответственно происходят химические реакции хлорирования, окисления, сульфирования, нитрования и т.д. Часто применяют парофазный пиролиз, т.е. нагревание паров органических веществ без доступа воздуха с целью получения новых продуктов; при пиролизе происходит расщепление сложных молекул с образованием свободных радикалов, предельных и непредельных углеводородов, которые вступают в реакции полимеризации, конденсации, изомеризации и др. Пиролиз жидких и газообразных веществ называется также крекингом. Примером промышленных газофазных процессов может служить термическое и фотохимическое хлорирование углеводородов для получения органических растворителей, ядохимикатов и других продуктов органического синтеза.
Парофазный пиролиз углеводородов - метана (природного газа), нефтепродуктов, каменноугольной смолы - происходит по радикально-цепному механизму. Сперва молекулы расщепляются, образуя свободные радикалы, которые затем продолжают цепь, заимствуя атомы водорода и образуя новые радикалы. Заданный состав продуктов реакции можно получить, изменяя температуру время пребывания продуктов расщепления в реакционной зоне.
В технологии неорганических веществ газофазные гомогенные процессы осуществляются, например, в производстве серной, азотной и соляной кислот. Так, в парах сжигают серу в печах камерного типа для получения диоксида серы; получают оксид азота из воздуха в условиях низкотемпературной плазмы (103-105 К) по реакции:
N2 + O2 = 2NO, DН = -179,2 кДж
В низкотемпературной плазме осуществляется также электрокрекинг углеводородов, например метана с целью получения ацетилена, синтез озона из кислорода и др.
В производстве азотной кислоты в газовой фазе идет окисление оксида азота в диоксид по суммарному уравнению
2NO + O2 = 2NO2, DН = -119,3 кДж
В газовой фазе идет синтез хлороводорода из водорода и хлора в производстве соляной кислоты по экзотермической реакции:
Н2 + Cl2 = 2HCl
Гомогенные процессы в жидкой фазе применяют в промышленности чаще, чем газофазные. Скорость химических реакций в жидкой фазе, как правило, в тысячи раз выше, чем в газах (при той же температуре), но скорость диффузии в жидкостях значительно меньше, чем в газах, вследствие высокой вязкости жидкости. Коэффициент диффузии в газах составляет 0,1-1 см2/с, а в жидкостях 10-4 - 10-5 см2/с.
К гомогенным процессам в жидкой фазе относятся, например, реакции нейтрализации и обменного разложения в технологии минеральных солей. В жидкой фазе осуществляют ряд процессов в технологии органических веществ: получение простых и сложных эфиров, полимеризация в растворах и расплавах, щелочное плавление бензолсульфокислот в производстве фенола, отдельные стадии сернокислотной гидратации этилена в производстве этилового спирта и др.
