ВОЗДУХ И ВОДА КАК СЫРЬЕ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Химическая промышленность использует воздух и воду в огром­ных количествах и для самых разнообразных целей. Это объясня­ется комплексом ценных свойств воздуха и воды, их доступностью и удобствами применения. Воздух имеется всюду. Химические предприятия строятся возле водных источников.

Воздух.В химической промышленности воздух применяют в ос­новном как сырье или как реагент в технологических процессах, а также для энергетических целей. Технологическое применение воздуха обусловлено химическим составом атмосферного воздуха; сухой, чистый воздух содержит (объемная доля в %); N₂ — 78,10; О₂ — 20,93; Аг — 0,93; СО₂ ~ 0,03 и незначительные количества Не, Ne, Кг, Хе, Н₂, СН₄, О₃, NO. Чаще всего используют кислород воз­духа в качестве окислителя: окислительный обжиг сульфидных руд цветных металлов, серосодержащего сырья при получении диокси­да серы в сернокислотном, целлюлозно-бумажном производствах; окисление аммиака в производстве азотной кислоты; неполное окис­ление углеводородов при получении спиртов, альдегидов, кислот и др.

Кислород, выделяемый ректификацией жидкого воздуха, в боль­ших количествах расходуют для кислородной плавки металлов, в доменном процессе и т. п.; при ректификации получают также азот и благородные газы, в основном аргон. Азот используют в качест­ве сырья в производстве синтетического аммиака и других азот­содержащих веществ и как инертный газ.

Воздух, применяемый в качестве реагента, подвергается в за­висимости от характера производства очистке от пыли, влаги и контактных ядов. Для этого воздух пропускают через промывные башни с различными жидкими поглотителями (Н₂О, щелочи, этаноламины и др.), мокрые и сухие электрофильтры, аппараты с влагопоглотительными сорбентами и пр.

Энергетическое применение воздуха связано, прежде всего, с использованием кислорода как окислителя для получения тепловой энергии при сжигании различных топлив. Воздух используется так­же как хладагент при охлаждении газов и жидкостей через теплообменные поверхности холодильников или в аппаратах прямого контакта (например, охлаждение воды в градирнях), при грану­ляции расплавов некоторых соединений (например, аммиачной селитры).

В других случаях нагретый воздух используется как теплоноситель для нагрева газов или жидкостей. В пневматических барботажных смесителях используют сжатый воздух для перемеши­вания жидкостей и пульпы (см. флотацию), в форсунках — для распыления жидкостей в реакторах и топках.

Вода. Благодаря универсальным свойствам вода находит в народном хозяйстве разнообразное применение как сырье, в качество химического реагента, как растворитель, тепло- и хладоноситель. Например, из воды получают водород различными способами, водяной пар в тепловой и атомной энергетике; вода служит реаген­том в производстве минеральных кислот, щелочей и основании, в производстве органических продуктов — спиртов, уксусного альде­гида, фенола и других многочисленных реакциях гидратации и гид­ролиза. Воду широко применяют в промышленности как дешевый, доступный, неогнеопасный растворитель твердых, жидких и газообразных веществ (очистка газов, получение растворов и т. п.). Исключительно большую роль играет вода в текстильном производстве: при получении различных волокон — натуральных, искус­ственных и синтетических, в процессах отделки и крашения пряжи, суровых тканей и др.

Как теплоноситель вода используется в различных системах теплообмена — в экзотермических и эндотермических процессах. Теплота фазового перехода Ж — Г воды значительно выше, чем для других веществ, вследствие чего конденсирующийся водяной пар является самым распространенным теплоносителем. Водяной пар и горячая вода имеют значительные преимущества перед дру­гими теплоносителями — высокую теплоемкость, простоту регули­рования температуры в зависимости от давления, высокую тер­мическую стойкость и пр., вследствие чего являются уникальными теплоносителями при высоких температурах. Воду используют так же как хладагент для отвода теплоты в экзотермических peaкциях, для охлаждения атомных реакторов. В целях экономии рас­хода воды применяют так называемую оборотную воду, т. е. использованную и возвращенную в производственный цикл.

Природные воды содержат различные примеси минераль­ного и органического происхождения. К минеральным примесям относятся газы N₂, О₂, СО₂, H₂S, CH₄, NH₃; растворенные в воде соли, кислоты и основания находятся в основном в диссоциирован­ном состоянии в виде катионов и анионов: Na+, K⁺, NH₄⁺, Са²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, НСО₃^–, С1^–, SO₄^2–, HSiO₃^–, F^–, NO₃^–, , СО₃^2– и др.

К органическим примесям относятся коллоидные частицы белковых веществ и гуминовых кислот. Состав и количество при­месей зависят главным образом от происхождения воды. По про­исхождению различают атмосферную, поверхностные и подземные воды.

Атмосферная вода — вода дождевых и снеговых осад­ков — характеризуется небольшим содержанием примесей. В этой воде содержатся в основном растворенные газы и почти полностью отсутствуют растворенные соли.

Поверхностные воды — воды речных, озерных и морских водоемов — отличаются разнообразным составом примесей — газы, соли, основания, кислоты. Наибольшим содержанием минеральных примесей отличается морская вода (солесодержание более 10 г/кг).

Подземные воды — воды артезианских скважин, колод­цев, ключей, гейзеров — характеризуются различным составом растворенных солей, который зависит от состава и структуры почв и горных пород. В подземных водах обычно отсутствуют примеси органического происхождения.

Качество воды определяется ее физическими и химическими характеристиками, такими, как прозрачность, цвет, запах, темпера­тура, общее солесодержание, жесткость, окисляемость и реакция воды. Эти характеристики показывают наличие или отсутствие тех или иных примесей.

Общее солесодержание характеризует присутствие в воде ми­неральных и органических примесей. Для большинства производств основным качественным показателем служит жесткость воды, обусловленная присутствием в воде солей кальция и магния. Жест­кость выражается в миллимоль-эквивалентах ионов Са²⁺ или Mg²⁺ в 1 кг воды, т. е. за единицу жесткости принимают содержание 20,04 мг/кг ионов кальция или 12,16 мг/кг ионов магния. Различают три вида жесткости: временную, постоянную и общую.

Временная (карбонатная, или устранимая) жесткость обусловлена присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, которые при кипячении воды переходят в нерастворимые средние или основные соли и выпадают в виде плотногоосадка (накипи):

Са (НСО₃)₂ = СаСО₃ + Н₂О + СО₂

Мg (НСО₃)₂ = MgCO₃-Mg (ОН)₂ + 3СО₂ + Н₂О

Постоянная (некарбонатная, или неустранимая) жесткость обусловливается содержанием в воде всех других солей кальция и магния, остающихся при кипячении в растворенном со­стоянии. Сумма временной и постоянной жесткости называется общей жесткостью. Принята следующая классификация природной воды по значению общей жесткости (h₀ в мг-экв/кг): h₀<1,5— малая жесткость, h₀ = 1,5–3,0 — средняя, h₀ = 3,0–6,0 — повышенная, h₀=6,0–12,0 — высокая, h₀>12,0 — очень высокая.

Окисляемость воды характеризуется наличием в воде ор­ганических примесей и выражается в миллиграммах кислорода, расходуемого на окисление веществ, содержащихся в 1 кг воды.

Активная реакция воды — ее кислотность или щелочность — характеризуется концентрацией водородных ионов. Реакция природных вод близка к нейтральной; рН колеблется в пределах 6,8—7,3.

Вредность примесей зависит от их химического состояния или дисперсности, а также связана со спецификой производства, ис­пользующего воду. Грубодисперсные, механические взвеси засоряют трубопроводы и аппараты, уменьшая их производительность, образуют пробки, которые могут вызвать аварию. Примеси, находящиеся в виде коллоидных частиц, засоряют диафрагмы электролизеров, вызывают вспенивание воды и перебросы в котлах и ап­паратах, ухудшают отделку тканей и т. п.

Огромный вред приносят растворенные в воде соли и газы, вызывающие образование накипи и поверхностное разрушение ме­таллов вследствие коррозии. В текстильной промышленности соли, растворенные в воде, приводят к большому перерасходу мыла в процессах мойки и мыловки вследствие образования кальциевого и магниевого мыла, не обладающего моющим действием:

2R – COONa + Са (НСО₃)₂ = (R – СОО)₂ Са + 2NaHCO₃

При мойке и мыловке в жесткой воде потери мыла достигают 8%. Образующиеся нерастворимые, клейкие кальциевое и магниевое мыла закрепляются на волокне и прочно удерживают адсорбированные частицы загрязнений, что резко ухудшает окраску (неравномерность окраски и тусклый тон), дают жесткий ломкий гриф и понижают прочность.

Химические и диффузионные процессы многих производств тесно связаны с активной реакцией воды. К ним относятся производ­ство сахара, бумаги, текстильное производство и др. Особенно чувствительны к рН воды все биохимические процессы, например брожение, получение антибиотиков.

Природная вода, поступающая в производство, подвергается очистке различными методами в зависимости от характера примесей и требований, предъявляемых к воде данным производством.