1.2. Воздух и вода как сырье химической промышленности

Химическая промышленность является одним из крупнейших потребителей воды и воздуха. Эти виды сырья используются почти всеми химическими производствами для самых разнообразных целей.

Воздух пока еще очень доступное и дешевое сырье. Уместно напомнить, что основной запас воздуха находится всего лишь в тонком слое атмосферы, прилегающем к земле (тропосфере). Его толщина равна приблизительно 15 км над экватором и 9 км над полюсами. Атмосферный воздух состоит из кислорода (20,9 %) и азота (78 %); 1 % аргона. Из воздуха в промышленном масштабе получают почти все инертные газы; только гелий пока получают из природного газа, т.к. там его содержание выше.

Таблица 3. Состав воздуха (основные компоненты), %

Высота (км)	Кислород	Азот	Аргон	Гелий	Водород	Давление (мм рт.ст.)
0	20,94	78,09	0,93	-	0,01	760
5	20,94	77,89	0,94	-	0,01	405
10	20,99	78,02	0,94	-	0,01	168
20	18,10	81,24	0,59	-	0,04	41
100	0,11	2,97	-	0,56	96,31	0,0067

Конечно, понятно, что состав воздуха сложнее, чем показано в табл. 3, построенной на основании анализа данных, полученных при помощи шаров-зондов. К перечисленным в таблице газам следует добавить еще такие инертные газы как неон, криптон, ксенон и радон. Кроме того, не следует забывать об углекислом газе и окиси углерода, наличие которых связано не только с жизнью животных и растений, но и с деятельностью человека.

Кислород воздуха используется для сжигания топлива, для процессов газификации, обжига, окисления, интенсификации металлургических процессов и т.д.

С + О₂  СО₂, S + O₂ SO₂, 2SO₂ + O₂ 2SO₃,

4NH₃ + 5O₂  4NO +6H₂O, 2C + O₂  2CO и т.д.

Азот воздуха – основной источник для получения аммиака (а далее азотной кислоты и других соединений азота):

N₂ + 3H₂  2NH₃, NH₃ + O₂  NO NO₂  HNO₃.

Вода – тоже сырье. В одних случаях вода – сырье и реагент, непосредственно участвующие в основных химических реакциях

SO₃ + H₂O H₂SO₄, Na₂O + H₂O  2NaOH,

C₂H₄ + H₂O  C₂H₅OH

в других случаях, вода – растворитель, теплоноситель, охладитель и др. Вода применяется для получения водорода и кислорода, в качестве растворителя твердых, жидких и газообразных веществ; в качестве реакционной среды, экстрагента или абсорбента, транспортирующего агента; для нагревания и охлаждения веществ и аппаратуры; для образования пульп и суспензий; для промывки разных продуктов; очистки оборудования и т.п. Кроме того, вода широко используется в качестве рабочего тела в гидравлических, тепловых и атомных электростанциях.

Вода является одним из самых распространенных на Земле соединений. Водные ресурсы на территории нашей страны распределены очень неравномерно. В европейской части страны, где сосредоточенно около 70 % населения, сток рек составляет 23 % от общего стока. Основная масса поверхностных вод (более 86 %) формируется в восточных районах страны и стекает в Северный Ледовитый и Тихий океаны.

Морская вода – источник многих химических элементов, в ней содержится около 80 элементов. В воде Мирового океана в виде солей содержится (%): К – 4^.10^-2, U – 2^.10^-7, Ag – 5^.10^-9, Au – 4^.10^-10. Если учесть, что общая масса воды на Земном шаре составляет величину порядка 1,4^.10¹⁸ тонн, то содержание различных элементов в воде выражается внушительными цифрами. Например, содержание урана в воде составит:

М = 1,4^.10^{18 .} 2^.10^-7/100 = 2,8^.10⁹ т, т.е. 2,8 миллиарда тонн; а золота:

М = 1,4^.10^{18 .} 4^.10^-10/100 = 5,6^.10⁶ т, т.е. 5,6 миллиона тонн.

Надо отметить, что вода имеет очень большое значение в химической промышленности. Развитие химической промышленности вызывает огромный рост потребности в воде – современные химические предприятия расходуют миллионы кубометров воды в сутки. Например, завод капронового волокна тратит воды как город с населением в 120 тыс. человек, а электрохимический комбинат по производству продуктов хлорорганического синтеза – как город с населением в 800 тыс. человек.

Большинство химических превращений, характерных для современных технологий, протекает в водных средах – растворах, суспензиях или эмульсиях. При растворении в воде вещества переходят в форму, облегчающую их дальнейшее взаимодействие. Многие соединения, достаточно инертные друг к другу в обычных условиях, при растворении энергично взаимодействуют между собой.

Известно также, что вода является наиболее распространенным теплоносителем для поддержания определенной температуры в технологических системах, причем она применяется как в жидком, так и в парообразном состоянии.

Современные энергетические системы – атомные, гидро- и теплоэлектростанции – немыслимы без использования воды. Ее расход для крупной ТЭС исчисляется сотнями тысяч кубометров в сутки. Огромное количество воды в ряде отраслей промышленности расходуется на цели отмывки продукции от примесей. Это характерно, например, для целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности, производства искусственных волокон.

Все эти примеры применения воды в технологических процессах показывают, что современная химическая промышленность просто немыслима без воды.

Природная вода бывает атмосферной (дождевая, снеговая), поверхностной (речная, озерная, морская) и подземной (артезианская, ключевая). В зависимости от назначения бывает питьевая и промышленная вода (регламентируется соответствующим ГОСТ). Различается вся эта вода по содержанию и характеру примесей. Качество воды определяется ее физическими и химическими характеристиками, такими, как прозрачность, цвет, запах, общее солесодержание, жесткость, окисляемость и др. Для большинства производств основным качественным показателем служит жесткость воды (обусловлена присутствием солей Ca и Mg). Временная жесткость – наличие бикарбонатов Са и Mg (легко удаляется кипячением: выпадает осадок

(Ca,Mg)(HCO₃)₂ (Ca,Mg)CO₃ + H₂O + CO₂

в промышленных условиях удаляется обработкой гашеной известью

(Ca,Mg)(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ 2(Ca,Mg)CO₃ + 2H₂O )

Постоянная жесткость – наличие хлоридов, сульфатов, нитратов Ca и Mg (при кипячении не удаляется). Сумма временной и постоянной жесткости дает общую жесткость, которая измеряется в мг-экв ионов Са²⁺ и Mg²⁺, содержащихся в виде солей в 1 л воды. Природная вода подразделяется по жесткости: очень мягкая (до 1,5 мг-экв на литр), мягкая (1,5-3), средняя (3-6), жесткая (6-12) и очень жесткая (>12).

Для хозяйственной деятельности нужна не какая-нибудь, а чистая пресная вода, поэтому перед применением воду надо очищать. Промышленная очистка включает следующие операции:

осветление – удаление механических примесей (фильтрация, отстаивание), для осаждения коллоидных примесей в воду вводят коагулянты (обычно сульфаты Fe или Al);

обеззараживание – удаление микроорганизмов и бактерий (хлорирование, озонирование, кипячение);

умягчение – удаление солей кальция и магния (кипячение, обработка гашеной известью, ионный обмен); если из воды удаляются все содержащиеся в ней соли, то это – обессоливание;

дегазация – удаление из воды растворенных газов.

Поэтому химические предприятия имеют сложное хозяйство по водообеспечению, что сильно повышает стоимость очищенной воды. Например, при фильтрации воды ее стоимость увеличивается в 2,5 раза, при частичном умягчении – в 8 раз, при полном умягчении и обессоливании в 10-11 раз.

Вода, поступающая на предприятие из естественных или искусственных водоемов и уходящая из него в виде стоков – это два совершенно различных вещества. В первом случае речь идет о технической свежей воде, свойства которой определяются природными, климатическими и другими особенностями региона, а промышленные стоки представляют собой чрезвычайно сложные многокомпонентные системы, содержащие растворимые и нерастворимые органические и неорганические вещества, включая и токсичные. Сточные воды необходимо чистить.