Использование вторичных энергетических ресурсов

По виду энергии вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) разделяют на три группы:

1) горючие (топливные) ВЭР - химическая энергия отходов технологических процессов химической и термохимической переработки углеродистого или углеводородного сырья, побочных горючих газов плавильных печей (доменных, колошниковых, шахтных печей и вагранок, конверторных и т.д.), не используемых для дальней­шей технологической переработки древесных отходов лесозагото­вок и деревообработки в лесной и деревообрабатывающей промышлен­ности.

2) тепловые ВЭР — физическая теплота отходящих газов технологических агрегатов, основной, побочной, промежуточной про­дукции и отходов основного производства, рабочих тел систем принуди­тельного охлаждения технологических агрегатов и установок, горячей воды и пара, отработанных в технологических и силовых установках. В химической промышленности ВЭР преимущественно основаны на теплоте экзотермических реакций;

3) ВЭР избыточного давления — потенциальная энергия газов и жидкостей, выходящих из технологических агрегатов с избыточным давлением.

В зависимости от видов и параметров рабочих тел различают четы­ре основных направления использования вторичных энергетических ресурсов. Топливное (непосредственное использование горю­чих компонентов в качестве топлива), тепловое (использование теплоты, получаемой непосредственно в качестве вторичных энергети­ческих ресурсов или теплоты и холода, вырабатываемых за счет вто­ричных энергетических ресурсов в утилизационных установках, а также в абсорбционных холодильных установках; силовое ис­пользование механической или электрической энергии, вырабатыва­емой в утилизационных установках (станциях) за счет вторичных энергетических ресурсов); комбинированное (использование теплоты, электрической или механической энергии, одновременно вы­рабатываемых за счет вторичных энергетических ресурсов).

Утилизационные установки.

Вторичные энергетические ресурсы могут быть использованы не­посредственно как топливо, а также преобразуются в другие энерго­носители с помощью утилизационных установок. Оборудованием для использования тепловых ВЭР, а также ВЭР избыточного давления яв­ляются котлы-утилизаторы, установки сухого тушения кокса, га­зовые утилизационные бескомпрессорные турбины, абсорбционные хо­лодильные машины. Наиболее распространенными в различных отраслях народного хозяйства утилизационными установками являются котлы-утилизато­ры, использующие высокопотенциальные дымовые газы промышленных печей и технологические газы химических производств для получения водяного пара, а также водяные экономайзеры для нагрева питатель­ной воды котлов и воздухоподогреватели (рекуперативного и регене­ративного типов) для нагрева дутьевого воздуха, использующие ды­мовые газы высокого и среднего потенциала. Утилизация вторичных энергетических ресурсов осуществляется также в абсорбционных и пароэжекторных холодильных машинах, сушильных и других уста­новках.

Котлы-утилизаторы обеспечивают большую экономию топлива пу­тем генерирования энергетического или технологического пара, а так­же нагрева воды за счет использования вторичной теплоты.

Установки сухого тушения кокса применяют для охлаждения рас­каленного кокса инертными газами, которые нагреваются при этом до 1073 К и используют для выработки пара в котлах-утилизаторах.

В газовых утилизационных бескомпрессорных турбинах использу­ют избыточное давление отходящих газов для производства электро­энергии или для привода компрессоров.

29. Химическая технология и охрана окружающей среды.

Химическая технология

и охрана окружающей среды

Охрана окружающей среды есть комплексная система мероприятий, направленных на сохранение, рациональное использование и воспро­изводство природных ресурсов, в том числе на сбережение видового многообразия (генофонда) флоры и фауны Земли, ее недр, водных ре­сурсов, атмосферного воздуха и, следовательно, на сохранение при­родных условий развития человеческого общества.

В числе главных задач охраны природы и рационального исполь­зования природных ресурсов можно отметить:

— осуществление комплексного управления природоохранной дея­тельностью в стране, разработка и проведение единой научно-техниче­ской политики в охране природы и рациональном использовании при­родных ресурсов,

— государственный контроль за использованием и охраной земель, поверхностных и подземных вод, атмосферного воздуха, растительно­го (в том числе лесов) и животного мира (в том числе рыбных запасов), морской среды и природных ресурсов территориальных вод.

Значительное место в реализации защитных мероприятий по ох­ране окружающей среды принадлежит современной технологии очист­ки и утилизации всех выбросов и отходов. Загрязнение биосферы раз­рушительно действует на ход биогенотического и генетического про­цессов даже вдали от очагов непосредственного загрязнения. Масшта­бы загрязнения биосферы столь велики, что естественные процессы метаболизма и разбавляющая способность атмосферы и гидросферы в ряде районов мира не в состоянии нейтрализовать вредное влияние хозяйственной деятельности человека. Вследствие загрязнения био­сферы нарушаются сложившиеся в ходе длительной эволюции при­родные, системы и связи в атмосфере подрывается способность природ­ных комплексов к саморегуляции. Экологические .нарушения проявля­ются в сокращении численности и видового разнообразия растений и животных, в снижении продуктивности рек, озер и морей, лесов и сельскохозяйственных угодий, деградации экосистем.

Охрана природы и рациональное использование природных ресур­сов в условиях быстрого развития промышленности, транспорта, сель­ского хозяйства являются одними из важнейших государственных за­дач. методы очистки.

Механические методы очистки основаны на исполь­зовании различия плотностей дисперсионной и дисперсной фаз (осаж­дение) или выделения твердой или жидкой фазы на пористой перего­родке (фильтрование). Эти методы используют для очистки сточных вод от взвешенных веществ и отходящих газов от аэрозолей.

К важнейшим способам осаждения относятся:

осаждение под действием силы тяжести, или отстаивание, которое применяется для разделения пылей, суспензий и эмульсий. Однако этот процесс характеризуется малой скоростью осаждения и не обес­печивает извлечения тонкодисперсных частиц. Он используется пре­имущественно для частичного разделения неоднородных смесей.

-осаждение под действием центробежной силы, являющееся наибо­лее эффективным способом разделения пылей, суспензий и эмульсий, а также паро(газо)-жидкостных систем. Центробежная сила может быть создана вращающимся потоком неоднородной смеси внеподвижном аппарате (циклоны и гидроциклоны) или путем вращения рабочего ор­гана аппарата с находящейся в нем неоднородной смесью (отстойные центрифуги).

Фильтрование обеспечивает почти полное освобождение жидкос­тей или газов от взвешенных частиц, которые отлагаются в виде осад­ка на фильтре или в самом фильтре и постепенно забивают егопоры. Соответственно различают фильтрование с отложением осадка и фильт­рование с забивкой пор фильтра. Движущей силой процесса фильтро­вания является разность давлений перед фильтром и после него. Она может создаваться путем подачи разделяемой смеси под давлением (фильтры давления), создания разрежения за фильтровальной пере­городкой (вакуум-фильтры) или за счет центробежной силы (фильтру­ющие центрифуги). В качестве фильтрующих материалов используют хлопчатобумажные, шерстяные, стеклянные и синтетические ткани, проволочные сетки, пористые металлы, керамику и металлокерамику, а также сыпучие материалы (уголь, песок, гравий, диатомит и др.). Для улавливания субмикронных частиц из газов взвесей применяют во­локнистые фильтры, наполненные термостойкой стеклянной бумагой.

Химическими (реагентными) методами

очистки являются нейтрализация кислот и щелочей, перевод ионов в малорастворимые соединения, соосаждение неорганических веществ, окисление, восстановление, электролиз, гидролиз и каталитическое окисление. Эти методы применяют главным образом для обезврежи­вания и удаления примесей неорганических соединений.

Физико-химические методы включают флотаци­онные, экстракционные, электрохимические и сорбционные методы, дистилляцию и ректификацию, обратный осмос и др. К числу сорбционных методов относятся абсорбция, адсорбция и ионный обмен. Пере­численные физико-химические методы, кроме абсорбции, применяют для очистки сточных вод от мелкодисперсных, коллоидных и растворенных веществ. Абсорбцию, а также адсорбцию широко используют для очистки газов от паро- и газообразных вредных веществ.

Физические методы включают осаждение в электриче­ском и магнитном полях, акустическую коагуляцию, выпаривание сточ­ных вод и др. Электрическое поле широко применяют в электрофильт­рах для осаждения твердых и жидких частиц из газов. Магнитное поле используют для селективного извлечения из суспензий частиц, облада­ющих магнитными свойствами (ферромагнитные частицы, железосо­держащие шламы и др.). Акустическая коагуляция происходит при облучении ультразвуком газов, содержащих пыли, дымы и туманы. Возникающее при этом агрегирование частиц интенсифицирует про­цесс их осаждения.

Биохимические методы применяют для очистки сточ­ных вод. Они основаны на биохимическом окислении органических и некоторых неорганических веществ в результате жизнедеятельности микроорганизмов. В технике очистки используют аэробный метод — при непрерывном притоке кислорода воздуха и анаэробный —в отсутствие кислорода. При этом аэробный способ более уни­версален и распространен. Он позволяет достигнуть максимальной скорости биологического окисления и максимальной эффективности обезвреживания примесей.

Термические методы очистки твердых, жидких и га­зообразных примесей заключаются в окислении содержащихся в них токсичных органических веществ кислородом воздуха при высокой тем­пературе до нетоксичных соединений. Термическое обезвреживание от­ходов производства осуществляется чаще всего путем их сжигания при температуре 1123—1253 К.

30. Постановка общей задачи разработки и создания ХТС.

Современное химическое предприятие – это сложная химико-технологическая система (ХТС), состоящая из большого числа аппаратов и связей (потоков) между ними. Для ее эффективного функционирования необходимо решить многие задачи еще до строительства нового предприятия, на стадии проектирования.

Разработка ХТС требует знания как общего подхода к проблеме, так и большого числа конкретных вопросов, непосредственно связанных с химико-технологическим процессом.

Конечная цель разработки ХТС – создание высокоэффективного химического производства, т.е. такого объекта химической промышленности, который позволит получать необходимую продукцию не только в заданном объеме и требуемого качества, но и экономически целесообразным путем. Для этого надо так управлять работой технологического оборудования, чтобы при высокой средней производительности и низких капитальных затратах обеспечить получение продукта с высоким выходом и наилучшего качества.

Система – объект, взаимодействующий с внешней средой и обладающий сложным внутренним строением, большим числом составных частей и элементов (аппаратов), взаимосвязанных технологическими потоками (связями) и действующих как единое целое.

Элемент – самостоятельная и условно неделимая единица. В химической технологии – это чаще всего аппарат, в котором протекает какой-либо типовой процесс (химический, диффузионный, тепловой и т. п.).

Подсистема – группа элементов (агрегат), обладающая определённой целостностью и целенаправленностью. Это самостоятельно функционирующая часть системы. Как между элементами, так и между подсистемами существуют различные виды связей – материальная, энергетическая, тепловая, информационная.

Связь между элементами осуществляется с помощью потоков и отражает перенос потоками вещества, теплоты, энергии от элемента к элементу. Преобразование же потока происходит в самом элементе.

Совокупность элементов и связей образует структуру системы.

Основополагающие принципы системного подхода сводятся к двум положениям: 1) представлению объекта как системы; 2) исследованию его именно в том аспекте, в котором он представлен как система. Это означает, что стратегия исследования должна заключаться в направлении от целого к части, от системообразующих отношений и свойств, от структуры к элементам (а не наоборот, что имеет место при эмпирическом подходе). При исследовании ХТС анализируются не внутренние свойства и структура элемента, а такие существенные свойства элемента, которые определяют его взаимодействие с другими элементами ХТС или влияют на свойства системы в целом.

Элементы ХТС находятся в бесчисленном множестве связей и отношений между собой. Степень интенсивности связи или отношения зависит от их существенности.

Проект ХТС должен содержать следующие решения.

1. Определение технологической топологии системы. Технологической топологией системы называют характер и порядок соединения отдельных аппаратов в технологической схеме. Выбор аппаратов схемы, определение характера связей между аппаратами и установление оптимального порядка соединения отдельных аппаратов системы в технологическую линию влияют на эффективность работы системы в целом.

2. Определение значения входных переменных, которыми являются физические параметры входных потоков сырья, а также параметры различных физико-химических воздействий окружающей среды на процесс функционирования ХТС (температура, давление и т.п.).

3. Установление значений технологических параметров ХТС (степени превращения сырья, степени разделения химических компонентов, констант скоростей химических реакций, коэффициентов массо- и теплопередачи и т.п.).

4 Определение конструкционных параметров ХТС (геометрических характеристик аппаратурного оформления – объема химического реактора, основного сечения аппарата, высоты слоя насадки и т.п.).

5. Выбор параметров технологического режима в аппаратах (элементах) ХТС – совокупности основных факторов (температуры, давления, активности применяемого катализатора, условий гидродинамического перемещения потоков компонентов), которые влияют на скорость технологического процесса, выход и качество получаемого продукта.

6. Выбор параметров технологических потоков, обеспечивающих работу системы в заданном режиме (массового расхода, температуры, давления, концентрации веществ в потоке и т.д.).

При проектировании большое значение имеет надежность ХТС. Надежность ХТС – это свойство системы вырабатывать продукцию заданного качества с заданной производительностью в течение установленного времени, обеспечивая требуемые технико-экономические показатели.

Функционирующая ХТС может находиться в двух состояниях:

– в состоянии безотказной работы, т.е. показатели в норме;

– в состоянии отказа.

Различают внезапный и постепенный отказы. Отказы являются случайными величинами. Для характеристики вводится величина λ – интенсивность отказов (среднее количество отказов в единицу времени)

Для обеспечения надежности предусматривают:

– на стадии конструирования и проектирования – выбор необходимых коэффициентов прочности, запасов производительности, технологии изготовления;

– в период эксплуатации – строгое соблюдение регламента, ремонт и профилактика;

– резервирование оборудования.

31. Задачи анализа, синтеза и оптимизации ХТС.

Анализ ХТС состоит в изучении свойств и эффективности функционирования ХТС в целом на основе ее математической модели. Свойства системы зависят как от параметров и характеристик состояния элементов (подсистем), так и от структуры технологических связей между элементами.

В ходе анализа ХТС необходимо оценить степень влияния этих факторов на значения выходных переменных ХТС, характеризующих состояние системы.

На стадии анализа ХТС как раз и проводится расчет полной математической модели ХТС при определенной ее топологии. В результате расчета количественно связываются характеристики состояния всей системы в целом (выходные переменные) с параметрами и характеристиками отдельных элементов.

Учитывая все сказанное, можно иными словами сформулировать задачу анализа ХТС: расчет полной математической модели ХТС на основе математических моделей отдельных элементов и технологической топологии с целью определения параметров выходных технологических потоков при заданных технологических условиях и параметрах входных потоков.

Естественно, что полная модель может быть рассчитана лишь после того, как составлена (синтезирована) ХТС, т.е. анализ не может проводиться в отрыве от синтеза.

Задача синтеза ХТС заключается в создании химико-технологической системы, работающей с высокой эффективностью. Для этого необходимо прежде всего выбрать оптимальную технологическую топологию G (выбрать число и тип элементов, установить характер связей между ними), а затем определить значения входных переменных химико-технологической системы X, технологических параметров элементов системы D и параметров внутренних технологических потоков L.

С синтезом ХТС тесным образом связана задача оптимизации ХТС, которая и сводится к нахождению экстремального значения выбранного критерия эффективности функционирования системы E^*. С математической точки зрения решение задачи синтеза сводится в конечном счете к решению задачи оптимизации. В качестве критерия эффективности работы ХТС используют, как правило, экономические критерии (средняя прибыль, приведенный доход, приведенные затраты, себестоимость и т.п.). Иногда используют также и технологические критерии эффективности, например, выход получаемого продукта.

Функциональная зависимость критерия эффективности E от влияющих на него воздействий устанавливается еще на стадии составления математической модели, алгоритм расчета разрабатывается на стадии анализа ХТС.

Из определения задач анализа, синтеза и оптимизации ХТС видно, что все эти этапы органически связаны друг с другом. Общее у них то, что все они выполняются на основе математической модели ХТС. В то же время для каждого этапа создания ХТС можно сформулировать основную его цель: при создании математической модели – получение зависимости между параметрами системы; на стадии анализа ХТС – изучение с помощью этой зависимости свойств системы (для этого проводится расчет полной модели ХТС); при синтезе ХТС создаются, рассчитываются и оптимизируются альтернативные варианты ХТС, из которых выбирается окончательный вариант системы.

32. Синтез аммиака.

Аммиак - одно из важнейших соединений азота.
Азот, входящий в состав белков и нуклеиновых кислот, является одним из компонентов, составляющих основу жизни. Поэтому очень важно было научиться синтезировать химические соединения с азотом. Сначала использовали электричество, но этот способ оказался очень дорогим. Более простым способом явилась химическая реакция соединения азота, находящегося в воздухе, с водородом в химическое соединение - аммиак!

Получение аммиака

В промышленности получение аммиака связано с прямым его синтезом из простых веществ. Как уже отмечалось, источником азота служит воздух, а водород получают из воды.
3H₂ + N₂ -> 2NH₃ + Q
Реакция синтеза аммиака обратима, поэтому важно подобрать условия, при которых выход аммиака в химической реакции будет наибольшим. Для этого реакцию проводят при высоком давлении (от 15 до 100 МПа). В ходе реакции объёмы газов (водорода и азота) уменьшаются в 2 раза, поэтому высокое давление позволяет увеличить количество образующегося аммиака. Катализатором в такой реакции может служить губчатое железо. При этом интересно то, что губчатое железо действует как катализатор только при температуре выше 500⁰C. Но увеличение температуры способствует распаду молекулы аммиака на водород и азот. Для избежания распада молекул, как только смесь газов проходит через губчатое железо, образовавшийся аммиак сразу охлаждают! Кроме того при сильном охлаждении аммиак превращается в жидкость.
Получение аммиака в лабораторных условиях производят из смеси твёрдого хлорида аммония (NH₄Cl) и гашенной извести. При нагревании интенсивно выделяется аммиак.
2NH₄Cl + Ca(OH)₂ -> CaCl₂ + 2NH₃ + 2H₂O

Свойства аммиака

Аммиак при обычных условиях - газ с резким и неприятным запахом. Аммиак ядовит! При 20 ⁰C в воде растворяется 700 л аммиака. Полученный раствор называют аммиачной водой. Из-за такой растворимости аммиак нельзя собирать и хранить над водой.
Аммиак - активный восстановитель. Такое свойство у него за счёт атомов азота, имеющих степень окисления "-3". Восстановительные свойства азота наблюдаются при горении аммиака на воздухе. Так как для азота наиболее устойчивая степень окисления - 0, то в результате этой реакции выделяется свободный азот.
Если в реакции горения использовать катализаторы (платину Pt и оксид хрома Cr₂O₃), то получают оксид азота.
4NH₃ + 5 O₂ -> 4NO + 6H₂O
Аммиак может восстанавливать металлы из их оксидов. Так реакцию с оксидом меди используют для получения азота.
2NH₃ + 3CuO -> 3Cu + N₂ + 3H₂O
Аммиак обладает свойствами оснований и щелочей. При растворении его в воде образуется ион аммония и гидроксид-ион. При этом соединения NH₄OH - не существует! Поэтому формулу аммиачной воды лучше записать, как формулу аммиака!
Основные свойства аммиака проявляются также и в реакциях с кислотами.
NH₃ + HCl -> NH₄Cl (нашатырь)
NH₃ + HNO₃ - > NH₄NO₃ (аммиачная селитра)
Аммиак реагирует с органическими веществами. Например, искусственные аминокислоты получают с помощью реакции аммиака и A-хлорзамещёнными карбоновыми кислотами. Выделяющийся в результате реакции хлороводород (газ HCl) связывают с избытком аммиака, в результате которого образуется нашатырь (или хлорид аммония NH₄Cl).
Многие комплексные соединения содержат в качестве лиганда аммиак. Аммиачный раствор оксида серебра, который используется для обнаружения альдегидов, представляет собой комплексное соединение - гидроксиддиаммин серебра.
Ag₂O + 4NH₃ + H₂O ->2[Ag(NH₃)₂]OH

Аммиак - это слабое основание, поэтому соли, образованные аммиаком в водном растворе подвергаются гидролизу. В растворах этих солей имеется большое количество ионов гидроксония, поэтому реакция солей аммония - кислая!
NH₄⁺ + H₂O -> NH₃ + H₃O⁺

Применение аммиака и его солей основано на специфических свойствах. Аммиак служит сырьём для производства азотосодержащих веществ, а также в составе солей широко применяется в качестве минеральных удобрений. Водный раствор аммиака можно купить в аптеках под названием нашатырный спирт.

33. Технология получения азотной кислоты. Охрана окружающей среды при производстве азотной кислоты.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: