Глава 11. Сырьевая и энергетическая базы химическоit промыишенности 271

Чрезвычайно важно, что при этом решаются проблемы, свя­

занные с охраной окружаюшей среды и сохранением экологиче­ ского равновесия в природе, так как сокращаются выбросы вред­

ных веществ в атмосферу, в водоемы, загрязнение недр Земли

твердыми отходами.

§ 11.3. Принципы обогащения сырья

Обогащение сырьясовокупность физических и физико-хими­

ческих методов обработки минерального сырья (руды, угля и др.) для

удаления пустой породы н повышения содержания основного компо­

нента в концентрате.

Если в сырье содержится несколько полезных составляющих, его делят на составные части (фракции), обогащенные тем или

иным компонентом и являющиеся сырьем для различных произ­

водств.

Методы обогащения сырья зависят от его фазового состояния.

Большая группа методов предназначена для обогащения твердых

материалов.

Гравитационный метод - разделение, основанное на разной

скорости выпадения частиц разной плотности и крупности в по­

токе жидкости или газа или на действии центробежной силы (этот метод широко применяется для обогащения сырья в производстве силикатных материалов, минеральных солей и в металлургии). Электромагнитный методразделение по магнитной проницае­

мости, например отделение магнитного железняка, хромистого

железняка, рутила и других магнитно-восприимчивых материалов

от пустой породы. Электростатический метод - разделение по

электрической проводимости (отделение проводящих руд от ди­

электрических пород, например гипса, известняка, силикатов

и др.). Флотационный методразделение взвешенных в жидко­ сти относительно мелких частиц друг от друга (или выделение твердых частиц из жидкости) по их способности прилипать к вво­

димым в суспензию газовым пузырькам с последующим всплыва­

нием их на поверхность жидкости и образованием пены. Для обес­ печения эффективной флотации в суспензию вводят различные

флотационные реагенты, усиливающие избирательность и проч­

ность прилипания минеральных частиц к пузырькам воздуха. Фло­

тация является наиболее универсальным и совершенным спосо­ бом обогащения. Методом флотации извлекаются из минерального

сырья почти все минералы. Это один из способов обогащения,

применяемый в крупнейших масштабах.

272 Раздел второй. Промышленные химико-технологические процессы

Жидкие растворы различных веществ концентрируют упарива­

нием растворителя, вымораживанием, выделением примесей в оса­

док или газовую фазу.

Газовые смеси разделяют на компоненты последовательной

конденсацией газов при их сжатии (компрессии) и поиижении

температуры.

Дальнейшее совершенствование процессов обогащения сырья

связано с решением ряда теоретических вопросов, к числу кото­

рых относятся: изучение изменения физических и физико-хими­

ческих свойств минералов, воды и различных реагентов, а также поверхности раздела воздухжидкость в результате воздействия

на них различных силовых полей и излучений (ядерные и фотон­ ные излучения, магнитные и электрические поля, ультразвук); установление физических характеристик поверхностных слоев

минералов; связь этих характеристик с поведением частиц при

флотационном, электрическом и других методах обогащения, вы­ яснение физико-химических свойств водных растворов реагентов

и особенностей их взаимодействия с минералами, свойств и струк­ туры абсорбционных слоев реагентов; вопросы гидродинамики двух- и трехфазных систем применительно к условиям гравитаци­ онного обогащения полезных ископаемых.

Обогащение сырья является одним из важнейших элементов энергосберегающей технологии. Так, например, подготовка сырья

для получения ароматических углеводородов (гидроочистка, чет­

кое фракционирование) обеспечивает уменьшение энергозатрат на

23% . Существенно снижает энергозатраты подготовка сырья для

пиролиза (гидрирование бензинов или газойлей и очистка их от

серы и азота).

§ 11.4. Вода и воздух

Химическая промышленность является одним из крупнейших

потребителей воды и воздуха. Эти виды сырья используются по­ чти всеми химическими производствами для самых разнообраз­

ных целей. Современные химические предприятия расходуют до

1 млн м3 воды в сутки. Вода применяется для получения водорода и кислорода, в качестве растворителя твердых, жидких и газооб­ разных веществ; в качестве реакционной среды, экстрагента или

абсорбента, транспортирующего агента; для нагревания и охлаж­

дения 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.

Глава 11. Сырьеван и энергетическая базы химической про.мыишетюсти 273

Вода является одним из самых распространенных на Земле со­

единений. Общая масса воды на поверхности Земли оценивается в 1,39 · IО'х т, большая часть ее содержится в морях и океанах; до­

ступные для использования пресные воды в реках , озерах , каналах

и водохранилищах составляют 2 · 10 14 т. Вода содержится в атмосфе­

ре, почве, входит в состав многих минералов и горных пород (гли­ ны, гипса и др.), является обязательным компонентом всех живых

организмов. Основная часть воды находится в вечном кругообороте под действием тепловой энергии Солнuа и теплоты подземных недр.

Общий мировой баланс кругооборота воды в природе (км3/год)

таков: испарение с поверхности моря и суши соответственно

333 000 и 62 000, дожди над морем и сушей соответственно 295 000

и 100 000, перенос воды через атмосферу 38 000 , переход дождевой

воды в грунтовые воды 62 000, из которых 38 000 попадают в Ми­

ровой океан.

Стационарные запасы пресных вод, пригодных для использо­ вания, составляют всего 0,3 % объема гидросферы. Особую роль

в народном хозяйстве играют речные воды. Это связано с тем, что воды рек пресные и имеют огромную береговую линию. Истори­ чески сложилось так, что по берегам рек расположено большин­

ство городов и населенных пунктов. Единовременный запас воды во всех реках зем ного шара составляет примерно 1200 км3 , причем

этот объем возобновляется в среднем каждые 12 суток.

Водные ресурсы на территории России распространены очень неравномерно. Основная масса поверхностных вод (более 86%) формируется в восточных районах страны и стекает в Северный Ледовитый и Тихий океаны.

Классификация природных вод и характеристика их примесей.

Природные воды обычно подразделяют на атмосферные, поверх­

ностные и подземные.

Атмосферные воды, выпадающие на землю в виде дождя и снега, содержат наименьшее количество примесей. В основном, это ра­ створенные газы (02, С02, N2 и др.), соли, бактерии и т. д. Атмос­ ферная вода используется как источник водоснабжения в безвод­

ных и засушливых районах.

Поверхностные воды - воды открытых водоемов: рек, озер, мо­ рей , каналов и водохранилищ. В их состав входят разнообразные

минеральные и органические вещества в зависимости от климати­

ческих, геоморфологических, почвенио-геологических условий,

агро- и гидротехни•Iеских мероприятий, развития промышленнос­

ти и других факторов.

Морская вода представляет собой многокомпонентный раствор

электролитов и содержит все элементы, имеющиеся в земной коре.

274 Раздел второй. Промьиилеиные химико-технологические процессы

В морской воде растворсны многие соли (хлорид натрия до 2,6%, хлорид и сульфат магния и др.), а также газы, входящие в состав воздуха (азот, кислород и углекислый газ) . Воды различных морей

иокеанов отличаются друг от друга по общему содержанию солей

иих составу.

Подземные водь,- воды артезианских скважин, колодuев, клю­

чей, гейзеровхарактеризуются значительным содержанием ми­

неральных солей, выщелачиваемых из почвы и осадочных пород, и небольщим количеством органических веществ.

В зависимости от солесодержания природные воды подразде­

ляются на пресную водусолесодержание до 1 гjкг; солонова­ тую- 1-10 гjкг и соленуюболее 10 гjкг. Морская вода имеет

солесодержание до 35 гjкг.

Воды различают также по преобладающему в них аниону: гид­

ракарбонатный ТИП ВОД С ПреобладаЮЩИМ аНИОНОМ HCQ - ИЛИ

3

суммой анионов НСО3- и COf- ; сульфатные воды; хлоридные воды. Реки средней полосы европейской части России в основном

относятся к гидракарбонатному типу.

Природные воды представляют собой сложную динамическую

систему, содержащую газы, минеральные и органические вещест­ ва , находящиеся в истинно растворенном, коллоидном или взве­

шенном состоянии .

В истинно растворенном состоянии находятся в основном ми­

неральные соли, обогащающие воду катионами сан , Мgн, Na+,

К '" и анионами SOJ-, С032 -, НСО3-, Cl- . Эти ионы попадают в воду из почвы и пород. В виде недиссоuиированных молекул могут со­

держаться некоторые органические соединения, а также растворен­

ные газы (С02, 0 2, H 2S и др.). Растворимость газов в воде зависит

от температуры, давления и ионного состава других растворенных

в ней веществ.

В коллоидном состоянии обычно находятся в воде недиссоuи­

ированные или малодиссоuиированные соединения алюмо- и же­

лезосиликатов , гидроксид железа, кремниевая кислота и др., раз­

личные органические вещества. Органические коллоиды состоят

в основном из гуминовых кислот, фульвокислот, лигнина, проте­

ина, клет•1атки, различных смол и других сложных соединений .

Во взвешенном состоянии природные воды содержат глинистые, песчаные, известковые и гипсовые частиuы. Они могут содержать также живые организмы в виде различных бактерий, грибков, во­

дорослей, ракушек и т. п.

Состав природных вод непрерывно изменяется, чему способ­

ствуют пронессы окисления и восстановления, смешения вод

различных источников, выпадения содсржащихся в них солей

Глава 11. Сырьевая и энергетическая базы хи,wической промышлетюсти 275

в результате изменения температуры и давления, осаждении и

взмучивания грубодисперсных частиц, обмена ионами между поч­ венными грунтами и водой, обогащения подземных вод микро­ элементами вследствие микробиологических провессов.

В зависимости от назначения потребляемая вода условно под­

разделяется на промышленную и питьевую, содержание примссей

в которых регламентируется соответствующими стандартами.

Качество воды определяется физическим, химическим и бак­ териологическим анализами. Важнейшими ооказателями качества воды являются такие се физические и химические характеристи­

ки, как запах, вкус, прозрачность, цвет, температура, содержание

взвешенных частив, сухой остаток, общая щелочность и ее состав­

ляющие, окисляемость и реакция воды.

Содержание взвешенных веществ характеризует загрязненность

воды твердыми нерастворимыми примесями в виде суспензий песка, глины, частиц почвы. Количество их обычно выражается

в миллиграммах на литр.

Сухой остаток характеризует суммарнос количество минераль­

ных и органических примесей, содержащихся в воде в истиннораст­

воренном и коллоидном состояниях. Числовое значение его опре­

деляется взвешиванием остатка после выпаривании определенного

объема предварительно профильтрованной воды и выражается в миллиграммах на литр (мгjл).

Часть сухого остатка, которая удаляется при последуюшем про­

каливании его, даст ориентировочное представление о содержании

в воде органических веществ.

Общей щелочностью воды (Щ0) называется суммарная концент­

рация содержащихся в воде анионов он-·, НСО3-, COf-, PO.f-, HSi03- , Si032- и некоторых солей слабых органических кислот (гума­ тов), выраженная в миллимоль на литр (ммоль/л).

В зависимости от типа анионов, обусловливающих щелочность, различают гидракарбонатную щело•шость Ш,к (Hcon, карбонат­

ную Шк (Con, силикатную W, (HSiO.J), гидратную Щ, (ОН-), фосфатную ЩФ (Н"РО;, НРО~-, РО1-). Общая шелочность W" =

=W,. + Шк + Шс + W, + W,t,·

Вприродных водах, как правило, в заметных количествах при­

сутствуют только гидракарбонатные ионы, поэтому для этих вод характерно равенство обшей и гидрокарбонатной щелочности

(Що = Щ,к).

Жесткость водьtодин из важнейших показ<-lТелей ее каче­ ства. Жесткость природных вод связана с наличием в них солей

276 Раздел второu. Пр!шьииленные хuАtико-технологическuе процессы

кальция и магния. Она выражаетсн в миллимоль на литр или мил­

лимоль на килограмм ионов Са2 ~ или Mg2+. Различают три вида

жесткости: временную, постоянную и общую.

Временная (карбонатная или устранимая) .жесткость Жк обус­

ловливается, в основном, присутствием в воде гидракарбонатов

кальция и магния Са(НС03)2 и Mg(HC0 3) 2, которые при кипяче­

нии переходят в нерастворимые соли и выпадают в виде плотного

осадка (накипи):

Са(НС03)2 --7 СаС03 + Н20 + С02

2Mg(HC03) 2 --7 MgC03 • Mg(OH) 2 + ЗС02 + Н20.

Постоянная (некарбонатная .жесткость) Ж" определяется со­

держанием в воде хлоридов, сульфатов, нитратов кальция и маг­

ния, остающихся при кипнчении в растворенном состоянии.

Сумма временной и постоянной жесткости называется общей

;жесткостью.

По общей жесткости (ммольjл) природные воды подразделя­

ются на мягкую (Ж"< 2), среднюю (Ж"= 2+10), жесткую (Ж"> 10). Окисляемость водымасса кислорода (в мгjл), необходимая

для окисления веществ, присутствующих в ней,- обусловливает­

ся, в основном, наличием органических веществ и лишь в незна­

чительной степени - быстроокисляющихся соединений железа, сероводорода, нитритов. Ее значение используется для косвен­ ной количественной характеристики концентрации органических загрязнений. Окисляемость артезианских вод составляет обычно 1-3 мг/л 0 2, чистых озерных вод - 5-8, болотных вод - до 400 мгjл 0 2• Окисляемость речных вод колеблется в широких пре­

делах, доходя до 60 мгjл 0 2 и более.

Активная реакция воды, т. е. степень ее кислотности или ще­

лочности, количественно характеризуется концентрацией водород­

ных ионов или значением рН.

При рН 7 вода считается нейтральной, при рН < 7 - кислой,

при рН > 7 - щелочной. ВеличинарН природных вод колеблется в широких пределах: от рН 9-10 для почвенных щелочных вод до рН 1 для вод кислых термальных источников.

Обычно для большинстпа природных вод рН изменяется от 6,5

до 8,5. На рН воды влияет повышенная концентрация гуминовых

кислот или загрязнение водоема стоками промышленных пред­

приятий.

Качестпо применясмой воды обусловливается требованиями технологического процесса и типом оборудования. На химических

предприятиях используют различную воду: речную, артезианскую,

Глава 11. Сырьевая и энергетическая базы ХJLttической промьuшlеН!юсти

277

фильтрованную, коагулированную, охлажденную, частично или полностью обессоленную, питьевую и др.

Пресная природная вода применяется без дополнительной очист­ ки в химической промышленности в процессах первичной обра­ ботки сырья, для охлаждения продуктов и аппаратов и различных

вспомогательных операций. В большинстве случаев природная

вода подвергается очистке (деминерализации) различными мето­ дами в зависимости от характера примесей и требований, предъяв­

ляемых к воде данным производством.

Промытленная водоподrотовка. В процессе водаподготовки применяют механические, физические, химические и физико-хи­ мические методы: осветление, умягчение, ионный обмен, обес­ кремнивание и дегазацию. Питьевую воду, кроме того, дезинфици­ руют. На схеме, приведеиной на рис. 11.1, персчислены основные

методы водоподготовки.

Осветление воды осуществляется в основном методами осажде­ ния примесей, выделяющихся из воды в виде осадка. Эти методы

называют также реагентными, так как для выделения примесей

в воду вводят специальные реагенты. К процессам осаждения, при­

менимым для осветления воды, относятся коагуляция, известко­

вание и магнезиальное обескремнивание.

Под коагуляцией понимают физико-химический процесс слипа­ ния коллоидных частиц и образования грубодисперсной микрофа­ зы (флокул) с последующим ее осаждением. В качестве реагентов,

ОЧИСТКА ВОДЫ

<!)

::.:

	"'	:1:	о			rn
<!)		rn
	::.:		1	>::>:			"'
Q		С!>				(.)
	::::!		С!>
				~		:>G	rn
(.)							:>G
	~"'	о.	f-< ::0	rn		"'
~						~	(.)
<!)		~	~,::;:	~	>::>:	<!)
		rn		f-<			<!)
::.:	~	о	(.)""	.е-	::0 :1:	::.:	:r
~		~	<Uo		:~:<!)		::.:
	(.)		~§	(.)	:1: ~	~	м
о.	::.:	::0		о	0\0	::.:	::.:
~	t::{	J:Q	:S:u	е	:S:o	><	е

Рис. 11.1. Структурная схема очистки воды

278 Раздел второй. Промышлеиные химико-технологические процессы

называемых коагулянтами, обычно применяют сульфаты алюми­

ния AI2(S04 ) 3 и железа FeS04 .

Повышение эффекта коагуляции достигается при добавлении

флокулянтов (полиакриламида, активной кремниевой кислоты и др.).

При этом ускоряется образование хлопьев и улучшается их структура.

Образовавшуюся хлопьевидную массу, состоящую в основном из гидроксидов Al и Fe и примесей, выделяют из воды в отстойни­ ках или специальных осветлителях (осадок в них поддерживается

во взвешенном состоянии потоком поступающей снизу воды), на­

порных или открытых фильтрах и контактных осветлителях с за­ грузкой из зернистых материалов (кварцевый песок, дробленый

антрацит, керамзит, шунгизит и др.), в также во флотаторах, гид­

роциклонах, намывных фильтрах. Для частичного удаления круп­

нодисперсных примесей и фитопланктона, образующегося при

цветении водоемов, применяют сетчатые микрофильтры, плоские

и барабанные сетки.

Известкование водь, проводится для снижения гидракарбонат­ ной щелочности воды. Одновременно с этим уменьшаются жест­

кость, солесодержание, концентрации крупнодисперсных приме­

сей, соединений железа и кремниевой кислоты.

Реагентом для этого процесса является гашеная известь Са(ОН)2, которая подается в воду в виде суспензии (известкового молока). Для повышения эффективности удаления кремниевой

кислоты в воду добавляют каустический магнезит (7080% MgO) .

Эти процессы, как правило, совмещаются и проводятся одно­

временно в одном аппарате - осветлителе. Окончательная очист­

ка от осадка проводится фильтрованием. В зависимости от соот­

ношения размеров фильтруемых частиц и эффективного диаметра

пор удержание частиц может происходить как в объеме фильтрую­ щего слоя (адгезионное фильтрование), так и на его поверхности (пленочное фильтрование).

В качестве фильтрующих материалов в основном используют

кварцевый песок, дробленый антрацит, сульфоуголь, целлюлозу,

перлит, вулканические шлаки, керамзит и др .

Умягчением воды называется се очистка от соединений кальция и магния, обусловливающих жесткость воды. Одним из наиболее

эффективных способов умягчения воды является известково-ео­

довый в сочетании с фосфатным. Процесс умягчения основывает­

ся на следующих реакциях:

обработка гашеной известью для устранения временной жест­ кости, удаления ионов железа и связывания СО2:

Са(НС03)2 + Са(ОН)2 -7 2CaC0 3J- + 2Н20

Глава 1/. Сырьевая и эпергетuческая базы хw.щческой промышлетюсти 279

Mg(HC03) 2 + 2Са(ОН)2 --7 2СаС03 t + Mg(OH)) + 2Нр

FeS04 + Са(ОН)2	--7 Fe(OH)2 t + CaS04 t
С02 + Са(ОН)2 --7		CaC0 3 t + нр;
обработка кальцинированной содой для устранения постоян­
ной жесткости:
MgS04 )	--7	MgC03t + Na 2S04
MgCI 2 + Na2C03 --7		MgC03t + 2NaCI
CaS04	--7	CaC0 3t + Na 2S04 ;
обработка тринатрийфосфатом для более полного осаждения
катионов Са2+ и Mg2+:
3Са(НС03)2 + 2Na 3P04 --7		Ca3(P04) 2 t + 6NaHC03
3MgCI2 + 2Na3 P04	--7 Mg3(P04) 2 t + бNaCI.

Растворимость фосфатов кальция и магния ничтожно мала, что обеспечивает высокую эффективность фосфатного метода.

Для умягчения, обессоливания и обескремнивания воды широ­ ко применяется метод ионного обмена. Его сущность состоит в том ,

что твердое телоионитпоглощаст из раствора электролита

положительные или отрицательные ионы в обмен на эквивалент­

ное количество других, одноименно заряженных ионов. В соот­

ветствии со знаком заряда обменивающихся ионов различают ка­

тиониты и аниониты.

Катuонитынерастворимые в воде вещества, представляю­ щие собой соли или кислоты с анионом, обусловливающим нера­ створимость в воде; катион же (натрий или водород) способен вступать в определенных условиях в обменную реакцию с катио­ нами раствора, в котором находится катионит. Катиониты соот­ ветственно называются Nа-катионитами и Н-катионитами.

Анuонuтыоснования или соли с нерастворимым катионом. Аниониты содержат подвижную гидроксильную группу (ОН-анио­

ниты).

В качестве Nа-катионитов применяют алюмосиликаты: глау­ конит, цеолит, пермутит и др.; в качестве Н-катионитов- суль­

фоуголь, синтетические смолы; кОН-анионитам относятся искусст­

венные смолы сложного состава, например карбамидные. Ионный обмен между раствором и ионитом имеет характер

гетерогенной химической реакции. Следует отметить, что примс­

си , удаляемые из воды методом ионного обмена, не образуют осадка

280 Раздел второй. Промышлепные химико-технологические процессы

и что такая обработка не требует непрерывного дозирования ком­

понентов.

Важной характеристикой ионитов является обменная емкость,

показывающая способность ионита поглощать определенное ко­ личество ионов в данных условиях. Обменная емкость оnределяет продолжительность рабочего цикла ионитовых фильтров. При до­

стижении заданного предела обменной емкости ионита осуществ­

ляют процесс его восстановления (ионный обмен, проводимый

вобратном порядке).

Воснове катионного процесса умягчения лежат реакции обме­ на ионов натрия и водорода катионов на ионы сан и Мgн. Обмен

ионов натрия называется Nа-катионированием, а ионов водоро­

да - Н-катионированием:

2R/ Na+ +Сан ~ R2/ Ca2+ + 2Na+

2RjNa+ + Mg2+ ~ R2/ Mg2+ + 2Na+,

где R- комплекс матрицы и функциональной группы, не участ­

вующей в ионном обмене (его принято считать одновалентным). Обмен катионов при Н-катионировании nротекает согласно

реакциям:

2R/H + +сан р R2jCaн + 2Н+

2RjH+ + Мgн ~ R2/Mg2+ + 2Н +

Rj H+ + Na+ ~ RjNa+ + Н+.

При достижении катионитами заданного предела обменной емкости их регенерируют промывкой раствором NaCI или серной

кислоты H2S04

Реакции регенерации катионита раствором NaCI записывают

в виде:

Ri Ca2+ + nNa + ~ 2R/ Na+ + Са2 + +(п- 2)Na+

R2/ Mg2+ + nNa+ ~ 2Rj Na+ + Mg2+ +(n- 2)Na+,

где (n- 2) - избыток NaCI относительно его стехиометрического

количества .

Регенерация Н-катионного фильтра проводится 1-1 ,5%- ны м

раствором серной кислоты согласно уравнениям:

R2/Ca2+ + nH+ ~ 2R/H+ + Са2+ +(n- 2)Н+

R2/ Mg2+ + пН+ ~ 2RjH + + Мgн +(п- 2)Н+

Rj Na+ + nH + ~ RjH + + Na+ +(п- I)H +.

Глава 11. Сырьевая и энергетическая базы химической промьииленностu

281

Рис. 11.2. Схема установки

для умягчения воды:

1 - катионитовый фильтр; 2-

анионитовый фильтр; 3 - де­ газатор; 4 - сборник воды

При фильтровании воды через слой анионита происходит сорб­

ция анионов по следующим уравнениям реакций:

R;он- +е~- ~ R;Cl- +он-

2R;он- + SOJ- ~ R jSOJ- + 2он-. 2

Регенерация анионитовых фильтров проводится обычно 4%-ным

раствором NaOH, при этом происходят следующие реакции:

R/Cl- + пон- ~ RjOH- + Cl- + (п- 1)OH-

R2/SOJ- +по н-~ 2RjOH- + SOJ- + (n- 2)ОН-.

В установке для умягчения воды с последовательным примене­

нием Н-катионирования и ОН-анионирования (рис. 11.2) вода при

прохождении через катионит освобождается от	ионов кальция
и магния в Н-катионитовом фильтре /, а затем	в анионитовам
фильтре 2 из нее удаляются анионы. Далее вода	проходит через

дегазатор 3, где она освобождается от кислорода и диоксида уг­ лерода, и далее через сборник воды 4 поступает к потребителю. Для регенерации в фильтр 1 подается раствор серной кислоты, в фильтр 2 - гидроксида натрия.

Важная часть комплексного технологического процесса водо­ подготовки - удаление из воды растворенных газов. Наличие га­ зов в воде объясняется их сорбцией и протеканием химических

реакций в процессе образования примесей в природной воде и по­

явлением их в процессе различных стадий очистки. Эти газы мож­

но разделить на химически не взаимодействующие (Н2, 0 2, СН4) и химически взаимодействующие с водой и ее примесями (N Н3, С02, Cl2), а также на коррозионно-активныс (02, СО2, NH,, Cl2 ,

H2S) и инертные (N 2 , Н2, СН4). Концентрация газов в воде зависит от многих факторов, основные из них: физическая природа газа,

степень насыщения, давление в системе и температура воды.

Основной способ удаления из воды растворенных газов - де­ сорбция (термическая деаэрация). Принцип ее заключается в созда­

нии контакта воды с паром, в котором парциальное давление газа,

282 Раздел второй. Промьиuленные химико-технологические процессы

удаляемого из воды, близко нулю, что является необходимым ус­

ловием процесса десорбции. Этот процесс осуществляется в ос­ новном в деаэраторах (вакуумных, атмосферных, постоянного дав­ ления), которые по способу распределения воды и пара разделяют на струйные, пленочные и барботажные. Рабочее давление в ваку­ умных деаэраторах составляет 0,0075-0,05 МПа.

В ряде случаев используют химические методы. Так, для удале­

ния кислорода в воду добавляют сильные восстановители (напри­ мер, сульфит натрия); для удаления H2S воду хлорируют.

Для получения дистиллята, необходимого для производства хи­

мически чистых реактивов, лекарственных препаратов, проведения

различных анализов, в лабораторной практике применяется тер­ мическое обессоливанис воды. Этот процесс осуществляется в ис­ парителях кипящего типа. При этом дистиллят производят в основ­ ном из воды, предварительно умягченной на ионитовых фильтрах.

Наличие в воде болезнетворных микроорганизмов и вирусов делает ее нспригодной для хозяйственно-питьевых нужд, а при­

сутетвис в воде некоторых видов микроорганизмов (например,

нитчатых, зооглейных, сульфатавосстанавливающих бактерий, же­

лезобактсрий) вызывает биологическое обрастание, а иногда раз­ рушение трубопроводов и оборудования. Обеззараживание воды

осуществляют, в основном, хлорированием ее жидким или газооб­

разным хлором Cl 2, гипохлоритами- NaCIO, Ca(CI02), CI0 2• Для обеззараживания воды применяют также озон и ультрафиолетовое облучение.

Атмосферный воздух. Газообразная оболочка Земли высотой до 2000 км с постоянно убывающей концентрацией химически не

связанных и уникальных по своим свойствам компонентовесть

атмосферный воздух.

Общая масса земной атмосферы оценивается в 5100 трлн т; 90%

этой массы сосредоточено в слое высотой 16 км.

В число постоянных составляющих воздуха входят следующие

газы (в процентах по объему): азот- 78, 16, кислород- 20,90, ар­

гон- 0,93, гелий, неон, криптон, ксенон и другие инертные газы- 0,0 l. В технических расчетах принимают, что воздух содер­ жит 79% азота и 21 % кислорода.

Воздух в химической промыщленности используют, в основ­

ном, как сырье или реагент в технологических процессах, а также

для энергетических целей (в качестве окислителн для получения

тепловой энергии при сжигании различных топлив).

Воздух, применяемый в качестве реагента, подвергается в зави­ симости от характера производства специальной очистке от пыли,

влаги и контактных ядов. Он также используется как теплоноситель

Глава J!. Сырьевая u энергетическая базы химuческоu промышленностu 283

и хладагент в технологических nроцессах. Сжатый воздух широко nрименяется в различных барботажных смесителях для nерсмеши­ вания жидкостей и nульп и в форсунках -для распыления жид­ костей в реакторах и топках.

Атмосферный воздух является сырьем для nолучения таких

промышленных газов, как кислород, азот, аргон, неон, криптон

и ксенон. Темпы ежегодного nрироста производства этих газов

в мире в 1,2-1 ,4 раза nревышают nрирост любых других видов

nродукции.

Чистый кислород, выделяемый ректификацией жидкого воз­

духа, обычно nрименяют для кислородной nлавки металлов, в до­

менном nроизводстве и т. д. Кислород воздуха чаще всего исполь­ зуют в качестве окислителя: окислительный обжиг сульфидных руд

цветных металлов, серосодержащего сырья nри nолучении диок­

сида серы в сернокислотном и целлюлозно-бумажном производ­

ствах; окисление метана в некоторых nроцессах конверсии при­

родного газа; неполное окисление углеводородов nри nолучении

спиртов, альдегидов, кислот и др.

Применение кислорода в качестве окислителя nриводит к nо­

вышению температуры экзотермических nроцессов с соответству­

ющим увеличением энергетического КПД при одновременном уменьшении реакционных объемов. Так, исnользование кислоро­ да в nроизводстве азотной кислоты обеспечивает nовышение ско­ рости окисления оксида азота в 200 раз. При этом объем аnпарату­ ры контактного узла сокращается в 4 раза, абсорбционного узла - более чем в 5 раз, а абсорбционной колонны - nримерно в 30 раз. Замена атмосферного воздуха кислородом при nолучении белко­ во-витаминных концентратов (БВК) позволяет увеличить nро­

изводительность аппаратов в 3,5 раза. Концентрации биомассы в проuессе ферментации nовышается более чем в 6 раз, а удель­ ный расход газа снижаетсн в 45 раз; nотребность в ферментерах

сокращается в 3,5 раза и в сеnараторах- в 8,5 раза.

Кислород применнетсн в ряде традиционных nроцессов химии ,

нефтехимии, металлургии , машиностроенин, биотехнологии, очист­

ки сточных вод, а также в энергетике, ядерной физике и медицине.

Азот широко исnользуют во многих технологических nроцес­

сах химической промышленности и промышленности минераль­

ных удобрений, на долю которых приходится до 64% в общем

балансе его nотребления. Азот nрименяют в качестве технологи­ ческого компонента при производстве аммиака, карбамида, каn­

ролактама, этилена, пропилена, полихлорвинила, искусственных

и синтетических волокон, а жидкий азоттакже в синтезе амми­

ака для промывки конвертированного газа от оксида углерода,

284 Раздел второй. Промышлеflные химико-технологические процессы

метана и аргона. Весьма эффективным оказалось использование

жидкого азота в процессе измельчения твердых тел.

Криоизмельчение позволяет увеличить удельную поверхность

вещества до 1,2 м2/г, устранить его окисление и агрегацию частиц.

Представляется исключительно перспектинным применение

жидкого азота в технике высокотемпературной сверхпроводимос­

ти (ВТСП). Сверхпроводящие системы с жидким азотом могут найти разнообразное применение в измерительной аппаратуре для

научных исследований, медицине, электронике, электротехнике, термоядерной энергетике, транспорте, в освоении новых методов

хранения и передачи энергии.

Сжиженные газы (азот, кислород, аргон, гелий и водород) ши­

роко используют в криогенной технике для получения глубокого

холода и в процессах криохимической технологии большого круга

химических веществ и минералов, включая чистые и сверхчистые

продукты органического и неорганического синтеза и твердофаз­

ные композиции со специальными свойствами (ферриты, твердые электролиты, катализаторы, пьезокерамика). Процессы криохимиче­ ской технологии будут во все возрастающих масштабах использо­ ваться в производстве солей и минеральных удобрений, а также

многих органических продуктов, включая фенол, салициловую кис­

лоту, сульфокислоты, каучуки, ядохимикаты, нафталин и красители. Из воздуха в промышленном масштабе получают почти все благородные газы. Только гелий получают пока в основном из при­

родного газа, в котором его концентрация выше, чем в воздухе.

Благородные газы (аргон, гелий, неон, криптон и ксенон) все бо­

лее широко используют в качестве эффективных защитных сред и рабочих веществ в сложных технологических процессах химии,

металлургии, машиностроения, энергетики и других важнейших отраслей экономики.

§ 11.5. Энерrетическая база

Современная химическая промышленность является одним из крупнейших потребителей топлива и электроэнергии; она широко

использует тепловую, электрическую и механическую энергию.

Структура потребления энергии характеризуется следующими дан­

ными: тепловая - 48%, электрическая- 44%, топливо прямого использования- 8%.

Тепловые процессы расходуют теплоту различных температур­ ных потенциалов. По видам используемой тепловой энергии они

подразделяются на высоко-, средне- и низкотемпературные и крио­

генные процессы.

Глава 11. Сырьевая и Эftергетическая базы химической промыииепности 285

Высокотемпературные процессы (при температуре выше 773 К)

используют главным образом для изменения физико-химических свойств сырья или полуфабрикатов их обжигом, а также для ин­ тенсификации химических реакций. Эту энергию получают при

сжигании различных видов топлива (угля и продуктов его перера­

ботки: кокса, доменного и коксового газа, жидкого топлива и при­ родного газа), непосредственно в технологических устройствах.

Среднетемпературные (423-773 К) и низкотемпературные (373423 К) процессы используют тогда, когда необходимы физико-хи­ мические изменения свойств обрабатываемых материалов, для осу­

ществления которых требуются повышенные температуры и давле­

ния. Это термический пиролиз и крекинг, выпарка, дистилляция, конверсия, сушка и обогрев в химической, нефтеперерабатываю­

щей промышленности и ряде других отраслей; очистка и сорти­ ровка обрабатываемых материалов (мокрое обогащение железных руд, промывка материалов в химической, целлюлозно-бумажной,

легкой промышленности и т. п.). Низкопотенциальную энергию

используют также для создания комфортных условий труда и быта

в помещениях производственного и непроизводственного назна­

чения, бытового и коммунального горячего водоснабжения, ото­

пления, вентиляции, кондиционирования воздуха.

Основными энергоносителнми, обеспечивающими тепловой

энергией средне- и низкотемпературные процессы, являются пар и горячая вода. Их доля в составе энергоносителей достигает 80-85% потребления тепловой энергии среднего и низкого потен­ циалов. Более 80% потребляемой химической промышленностью

тепловой энергии расходуется на технологические нужды.

Криогенные процессы протекают при температуре ниже 120 К

(сжижение и отверждение газов), их используют для осуществле­ ния процессов криохимической технологии (процессы криокрис­

таллизации, криоэкстрагирования, криоизмельчения и криозакал­

ки, а также комбинирования влияния низких температур с другими физическими воздействинми).

Электрическая энергия применяется для проведения электро­

химических процессов (электролиз растворов и расплавов) и элект­ ротермических (нагревание, плавление, возгонка, синтезы при высоких температурах и др.) процессов. В химической промыш­

ленности есть также процессы, связанные с электромагнитными

(в дуговых и индукционных печах, отделение магнитопроницае­

мых веществ от непроницаемых и т. п.) и электростатическими

явлениями (электроосаждение пылей и туманов, электрокрекинг и др.). Электронно-ионные и фотоэлектрические явления приме­

няют для контроля процессов, телеуправления ими, сигнализации.

286 Раздел второй. Промышлен11ые химuко-техllологические процессы

Автоматизация химико-технологических процессов требует широ­

кого использования электроники. Электрическая энергия исполь­

зуется также для освешения и получения механической энергии.

Механическая энергия необходима главным образом для фи­

зических операций: дробления, измельчения, смешения, центри­ фугирования, работы насосов, компрессоров и вентиляторов,

а также для различных вспомогательных операций (транспорти­

ровка грузов и т. п.).

Из массовых видов продукции химической промышленности наиболее энергоемкими являются аммиак, пластмассы и синтети­

ческие смолы, метанол, каустическая сода, кальцинированная

сода, искусственные волокна, желтый фосфор, серная кислота,

синтетический каучук, апатитовый концентрат. На производство

их расходуется до 55% электро- и теплоэнергии и 95% топлива.

На расход энергоресурсов оказывают влияние правильный вы­ бор сырья и методов его подготовки.

Так, при получении аммиака на основе газификации бу­

роугольного полукокса удельный объем энергии составляет

1780 кВт· ч/т азота; при переходе на газификацию тяжелых неф­

тяных остатков он снизился до 1310 кВт· ч/т азота. На новейших

энерготехнолоrических установках, использующих в качестве ис­

ходного сырья природный газ, конвертируемый с водяным паром,

удельный расход энергии может быть доведен до 60 кВт· чjт. Тша­

тельно подготовленное сырье (по химическому и агрегатному сос­

таву, содержанию примесей), как правило, обеспечивает сниже­

ние энергозатрат на процесс в целом.

В химической промышленности проводится последовательная

работа по расширению масштабов применения прогрессивных тех­

нологических процессов, поиску новейших технических решений,

позволяющих экономить топливно-энергетические ресурсы.

Классификация топливно-энергетических ресурсов. Основными

видами энергетических ресурсов в современных условиях являют­

ся горючие ископаемые (уголь, нефть, природный газ, торф, слан­

цы) и продукты их переработки; энергия воды (гидроэнергин); биомасса (древесина и другое растительное сырье); атомная энер­

гия. Частично используется энергия ветра, а также морских при-

ливов и отливов.

Мировые геологические запасы основных видов горючих ис­

копаемых оцениваются в 11 310 млрд т условного топлива (т у.т.). Из этого количества 10 126 млрд т у.т. составляют ресурсы угля, 743 млрд т у.т.- нефти, 229 млрд т у.т. или 180. 10 12 м3 - природ­ ного газа, 261 млрд т у.т. - торфа и 356 млрд т у.т. - горючих

сланцев (смолы).

Глава 11. Сырьевая u энергетическая базы химической промышлепностu 287

Энергетические ресурсы разделяют на топливные (уголь, нефть,

природный газ, сланцы, битуминозные пески, торф, биомасса)

инетопливные (гидроэнергия, энергия ветра, лучистая энергия

Солнца, глубинная теплота Земли и др.), возобновляемые и нево­ зобновляемые, первичные и вторичные.

Все возобновляемые энергетические ресурсы являются произ­

водными от энергии Солнца, но в целях удобства классифици­

рованы по следующим категориям: солнечная энергия (прямая

радиация); гидроэнергетические ресурсы (испарительно-конден­

сационный цикл); энергия ветра и волн; биомасса (растительного и животного происхождения). К практически неисчерпаемым от­

носят геотермальные и термоядерные энергетические ресурсы.

В геотермальные ресурсы включена глубинная теплота Земли, ко­

торая может быть использована для теплоснабжения и выработки электроэнергии. Термоядерные ресурсы (реакции синтеза) изме­ ряются тепловым эквивалентом преобразования дейтерия, содер­ жащегося в морской воде, и лития, находящегося в земной коре.

К невозобновляемым энергетическим ресурсам относятся те,

запасы которых по мере их добычи необратимо уменьшаются.

К ним относятся уголь, сланцы, нефть, битуминозные пески и

природный газ. Все названные выше виды энергоресурсов отно­

сятся к первичным.

Нефть, газ и уголь являются главными видами невозобновляе­ мых первичных энергетических ресурсов литосферы. В совокуп­ ности с энергией АЭС и ГЭС они составляют весь рынок коммер­

ческих энергетических ресурсов.

В составе природных газов нефтегазоносных бассейнов России содержатся этан, пропан, бутан, сероводород, гелий, переработка ко­

торых дает ценное сырье для различных отраслей промышленности.

Основными потребителями природного газа как химического

сырья являются предприятия по производству синтетического

аммиака и метанола.

Вторичными энергетическими ресурсами (ВЭР) называется энер­ гетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежу­ точных продуктов, образующихся в технологических агрегатах, который не используется в самом агрегате, но может быть частич­

но или полностью применен для энергоснабжения других агрега­

тов. Так, вторичными энергоресурсами производства аммиака, наиболее энергоемкого в химической промышленности, являются жидкие углеводороды, танковые и продувочные газы, физическая

теплота дымовых газов трубчатых печей и огневых подогревателей

природного газа, физическая теплота конвертированных газов и физическая теплота синтез-газа.

288 Раздел второй. Промьииленные хи.иико-технологuческие процессы

Жидкие углеводороды содержат в своем составе пентан и более тяжелые углеводороды. Этот вид горючих ВЭР образуется при

сепарации природного газа перед его поступлением на конверсию

и обычно выдается в сеть предприятия для сжигания.

Сконденсировавшийсн аммиак содержит в себе растворенные

газы, которые выделяются из него при дросселировании. Они вы­

водятся из сборника жидкого аммиака и называются танковыми. Основными составляющими этих газов являются водород, метан,

азот и аммиак, который обычно улавливается в специальных уст­

ройствах. Танковые газы после выделения аммиака используют

вместе с продувочными газами в качестве котельно-печного топ­

лива. Продувочные газы представляют собой часть циркуляцион­

ного газа, <<выдуваемого>> из системы для поддержанин в агрегате

содержании инертных примесей на определенном уровне.

Дымовые газы образуются в трубчатых печах конверсии при­

родного газа и в огневых подогревателях природного газа, посту­

пающего на сероочистку перед конверсией. Теплота дымовых га­

зов может быть использована для подогрева природного газа, парагазовой смеси и воздуха, поступающего на конверсию, и для перегрена водяного пара, вырабатываемого в котле-утилизаторе, который служит для охлаждения конвертированного газа.

Физическая теплота конвертированного газа применястен для

выработки пара в котле-утилизаторе. С этой же целью использует­ ся и физи•1еская теплота синтез-газа, которая, кроме того, служит

идля подогрева холодной азотоводародной смеси, поступающей

вколонну синтеза.

Рациональное использование вторичных энергетических ресур­

сов является одним из крупнейших резервов экономии топлива в промышленности, способствующим снижению топливо- и энер­

гоемкости промышленной продукции.

Наибольшими тепловыми вторичными ресурсами располагают предприятия химической, нефтеперерабатывающей и нефтехими­ ческой промышленности, черной и цветной металлургии, промыш­

ленности строительных материалов, газовой промышлснности,

тяжелого машиностроения и некоторых других отраслей экономики.

Вторичные энергетические ресурсы могут использоваться непо­

средственно без изменения вида энергоносителя для удовлетво­

рения потребности в топливе или теплоте либо с изменением энер­ гоносителя выработкой теплоты, электроэнергии, холода или

механической работы в утилизационных установках.

Топливо называют энергетическим, если его используют для

получения электрической и тепловой энергии на электростанциях,

в районных и промышленных котельных. Топливо, непосредственно

Глава 1!. Сырьевая u эпергетuческая базы химической про,ныtиленности

289

используемое в различных агрегатах и установках, в том числе

в промышленных печах и для коксования, называют технологи­

ческим.

В зависимости от агрегатного состояния топливо подразделя­ ют на твердое, жидкое и газообразное. К твердым топливам от­

носятся бурые и каменные угли, антрациты, торф, сланцы и дро­ ва, а также продукты их переработки: кокс, полукокс, брикеты

торфяные и угольные, термоантрацит, древесный уголь; к жид­ кимнефть, газовый конденсат и продукты их переработки: бен­

зин, керосин, дизельное топливо, мазут, смолы и т. п.; к газообраз­

ному - природный, нефтепромысловый (попутный) и шахтный газы, а также сжиженный нефтезаводской, коксовый, полукоксо­

вый, генераторный, водяной, доменный и ваграночный газы, во­ дород и газы процессов брожения.

Технологические характеристики топлива. Сжигание топлива обеспечивает энергией тепловые электростанции, промышленные

предприятия, транспорт, быт. Различные виды природного и ис­

кусственного топлива используются в качестве ценного сырья

химической, нефтехимической и других смежных отраслей эко­

номики.

Современная химическая промышленность начиналась с ис­

пользования углерода угля, а также жидких и газовых продуктов

коксования угля. Во второй половине ХХ в. уголь широко за­ менился продуктами нефте- и газопереработки. В настоящее вре­ мя более 80% всех органических продуктов вырабатывается из нефтяного и газового сырья. Примерно 2/3 мирового производ­

ства аммиака также основано на использовании природного газа,

при этом 60% газа расходуется в качестве сырья и 40% - как

топливо.

Основными технологическими характеристиками топлива яв­

ляются теплота сгорания и жаропроизводитсльность. Важное зна­

чение при использовании топлива имеет его состав.

Теплота сгорания (теплотворность)- это теплота реакции го­

рения топлива, т. е. количество теплоты, которое выделяется при

полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива (кДжjкг) или 1 м3 газообразного топлива (кДж/м3) и при охлаждении продуктов горения до начальной температуры процесса. Различают низшую

Qн и высшую Q" теплоту сгорания топлива. Низшей теплотой сго­

рания называется количество теплоты, выделяющеесн при сгора­

нии 1 кг водорода с образованием водяного пара; высшей теп­

лотой - количество теплоты, выделяющееся при сгорании 1 кг

водорода с образованием воды. В практических расчетах обычно

пользуются величиной Qн.

290 Раздел второй. Промышленные хu.нuко-технологические процессы

Жаропроизводuтельность 1 - максимальная температура горе-

ния, развиваемая при полном сгорании топлива без избытка воз­

духа, в условиях, когда вся выделяющаяся при сгорании теплота

полностью расходуется на нагрев образующихся продуктов сго­

рания. При подсчете жаропроизводительности температуру исход­

ных топлива и воздуха принимают равной нулю. Жаропроизво­ дительность топлива Tmax прямо пропорциональна его теплоте

сгорания и обратно пропорциональна расходу теплоты на нагрев

продуктов сгорания до температуры Tmax·

Жаропроизводительность положена в основу энергетической классификации топлива. В зависимости от жаропроизводительно­

сти топливо подразделяют на две группы: высокой ( Tmax > 2300 К) и пониженной ( ~n." < 2300 К) жаропроизводительности. К первой

группе относятся природный, нефтезаводской, нефтепромысло­

вый, сжиженный, коксовый, водяной, полуводяной газы, камен­ ный уголь, кокс, антрацит, полукокс и древесный уголь, ко второй

группедрова, торф, бурые угли, сланцы, доменный воздушный,

смешанный генераторный газы и газ подземной газификации углей. Твердое и жидкос топливо состоит из горючей массы и баллас­

та. Основными балластирующими компонентами являются влага, азот и неорганические соединениясиликаты, фосфаты, суль­ фиды, сульфаты металловкальция, железа, алюминия, калия, натрия и др. Состав горючей массы топлива и содержание в нем балласта обусловливают теплотехнические и технологические ха­

рактеристики топлива.

В состав твердых и жидких топлив входят углерод С, водо­ род Н, сера S, кислород О, азот N, зола А и влага W. Состав газооб­

разного топлива характеризуется наличием индивидуальных газов.

Сера, входящая в топливо, снижает его ценность и является

источником загрязнения воздушного бассейна. В твердом топливе сера содержится в виде сульфидов, сульфатов и органических со­ единений. При горении топлива сульфиды и сераорганические соединения окисляются с образованием диоксида серы, а сульфат­

ная часть переходит в золу. В жидком топливе сера содержится

преимушественно в виде органических соединений, а в газообраз­

ном - в виде сероводорода, частично углесероводорода и других

соединений.

Наиболее ценные углеводородные топлива - природный газ и легкое жилкое топливо (бензин и т. п.) - содержат в своей го­ рючей массе только два элемента (углерод и водород) и обладают

наибольшей теплотворной способностью.

1 Термин введен Д.И. Менделеевым.

Глава 11. Сырьевая u энергетическая базы xuJиuчecкou промышленностu 291

Таблица 11.1. Состав и теплотворная способность

различных видов органического топлива

						Теплотворная
		Состав горючей массы				способность
						единицы рабочей
	Топливо	топлива, % (по массе)
						массы 1	топлива,
						кДж/кг
		с	н	s	о	высшая	низшая
	Дрова	50	6	0,0	42	12 000	10 210
	Торф (фрезерный)	54-63	6	0,3	33	10 330	8 490
	Сланеu	60-75	7-10	4,0	12-18	11 550	11 000
	Бурый уголь:

подмосковный

канско-ачинсюф

60-80	4-6	1-6 19-27	11 840	10 500
70-72	5	0,3-0,8 До 23	13 390-	12 550-
			17 150	14 640

Антраuит Каменный уголь:

кузненкий

лонецкий

92-98	2	0,3	-3	1-2	27 610	27	190
78-90	4-6	0,3-0,8		2-13	24 270-	23 850-
					28 870	28 450
76-89	4,1-5,5	3-	5	2-12	22 170-	21 760-
					27 190	26 780

экибастузски й	75-80 4,3-5,2		1,2-1,8	12-16	12 550-	11 710-
					19 250	18 870
Природный газ	75	25	0,0 2	0,0	39 750	34 730-
					(кДж/м3)	35 560
						(кДж/м3)
Бензин	85	15	О, 15	0,0	47 280	43 630
Мазут малосернис-	До 88	11-12	0,5	0,02	43 930	39 750
тый 3

1Рабочая масса топлива равна сумме горю•tсй массы и балласта (азот, влага,

~нtнеральныс соли).

2В природном газе некоторых месторождений сера содержится главным образом

ввиде сероводорода (например, в оренбургском газедо 5%).

3Сернистый топочный мазут содержит 0,5-2% серы. высокосернистый- 2-3,5%.

Втабл. 11.1 приведсна усредненное содержание в различных

видах органического топлива основных компонентов горючей массы.

Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) России. ТЭК интегри­

рует отрасли промышленности, занимающисся добычей топливно­

энергетических ресурсов (нефть, природный газ, уголь, сланец, торф,

газовый конденсат), переработкой этого сырья, транспортировкой

292 Раздел второй. Про.мьииленные хuмuко-технологuческuе процессы

по специальным транспортным системам углеводородных газов

(природный, нефтяной, широкая фракция углеводородов), нефти и нефтепродуктов, экснлуатацией хранилиш углеводородов, про­

изводством, транспортировкой и преобразованием электроэнер­ гии. В России созданы единые системы энерго-, газо- и нефте­

снабжения. В частности, единая система газоснабжения (ЕСГ) России включает в себя до 70 разрабатываемых месторождений и свыше !52 тыс. км магистральных трубопроводов, в том числе 49 тыс. км, рассчитанных на давление 74 М Па. В эксплуатации

находятся 251 компрессорная станция суммарной мощностью

42 млн кВт.

Российская энергетика в настоншее время - это приблизитель­

но 600 тепловых, 160 гидравлических и 19 атомных электростан­

ций общей мощностью более 210 млн кВт, способных вырабаты­ вать в год более 1 трлн кВт· ч энергии и более 800 млн Гкал тепла.

На 2000 г. установленные мощности российской энергетики

составили 214 млн. кВт, из которых 149 млн. приходится на тепло­ вые электростанции (ТЭС) разных типов, 44 млн. - на гидроэлект­ ростанции (ГЭС) и 21 млн. - на атомные электростанции (АЭС).

Использование углеводородного топлива на ТЭС России сей­ час характеризуется следующими показателями: газ- 64%, уголь-

29%, мазут- 7%.

Топливно-энергетический баланс мировой энергетики в 2000 г.

слагался из нефти- 39%, угля- 27%, газа- 25%, энергии атом­

ных станций- 7% и гидроэнергии- 3%.

ТЭК играет особую роль в обеспечении устойчивого и эффек­

тивного развитии экономики, в решении социальных и экологи­

ческих проблем, экономическом и политическом взаимодействии

России со странами ближнего и дальнего зарубежья.

Для нормального функционирования отраслей ТЭК необходи­ мы разнообразные химические вещества, продукты и материалы, общая номенклатура которых превышает 40 тыс. наименований. Среди них изоляционные материалы и покрытия, присадки к мас­ лам, антикоррозионные компоненты, фильтрационные элементы,

керамические, полимерные и другие конструкционные материалы,

катализаторы длн процессов нефтепереработки, сорбенты, поли­

мерные мембраны для процессов газоразделенин, поверхност­

но-активные вещества, химические реагенты, коагулянты и фло­ кулянты для водоочистки и водоподготовки, флотареагенты для

обогащения используемого топлива, ингибиторы солеотложе­

ний, парафионоотложений и гидратообразованин, бактерициды

и др. Их производят предпринтия ТЭК и других отраслей про­

мышленности.

Глава 11. Сырьевая и энергетическая базы химической промьииленностu 293

Ниже приведсны данные по производству энергетических ре­

сурсов в 1990-1997 гг.
		1990 г.	1995 г.	1997 г.	2002 Г.
Нефть и газовый конденсат, млн т .............		516	307	306	379
Газ природный, млрд м3		641	595	571	595
	·····························
Лервичная переработка нефти, млн т ........		298	182	177	180
Уголь, млн т ..................................................		395	263	245	253
Электроэнергия, млрд кВт· ч ......................		1082	860	834	892

Как видно, в 1997 г. добыто нефти примерно на 40% меньше, чем в 1990 г., угляна 38%, электроэнергиина 23%, природно­

го газана 11%. В 2002 г. наблюдался рост по всем видам энерге­

тических ресурсов. В структуре производства топливно-энерге­

тических ресурсов возросла доля природного газа при аналогичном

снижении доли нефти и практически неизменных долях угля и

прочих энергоресурсов.

Современное состояние ТЭК России характеризуется большой долей физически и морально устаревшего оборудования. Более трети производственных фондов в газовой промышленности, поло­

вина в энергетике и нефтедобыче, почти 60% в угольной промыш­

ленности и примерно половина в нефтепереработке превысили проектные сроки эксплуатации либо близки к этому и требуют реконструкции или замены. Глубина переработки нефти, которая

считается интегральным показателем технического и техно­

логического совершенства отрасли, снизилась за 1990-1992 rr. с 64-65% до 62-63%, в то время как в промышленно развитых странах значение этого показателя составляет 85-90%.

Новой энергетической политикой России первостепенное зна­ чение придается увеличению добычи нефти и газа в Западной Сибири, дешевых энергетических углей в восточных районах страны, главным образом в Канско-Ачинском бассейне, эффективному использованию гидроресурсов Сибири и Дальнего Востока, разви­

тию атомной энергетики. Намечается сократить применение в ка­

честве топлива нефти и газа за счет увеличения доли угля.

Вусловиях возрастаюших потребностей экономики страны

втопливно-энергетических ресурсах все более актуальной стано­ вится организация рационального производства и потребления

этих ресурсов.

В качестве основных механизмов действий рассматриваются:

понижение энергоемкости экономики, увеличение степени извле­

чения углеводородных ресурсов из недр и повышение коэффици­

ента использования извлеченных энергоресурсов.

294 Раздел второй. Промыщленные хuмuко-технологuческuе процессы

По экспертным оценкам, проводимым международными инс­

титутами, К КОНЦУ 1990-Х ГОДОВ Наименее ресурсаеМКОЙ ЭКОНОМИ­

КОЙ (наименьшим удельным потреблением энергии на единицу производства ВВП) из сотни стран мира обладали Япония, Швей­ цария, Великобритания, ФРГ, Франция, Бельгия, Австрия, Испа­ ния. США занимают в данном ранжировании примерно 35-е, Ка­ нада - 45-е, Россия - 80-е место.

Увеличение степени извлечения из недр углеводородных ре­

сурсов и в первую очередь нефти и газаодин из важнейших

ресурсов энергосбережения. Так, в конце ХХ в. коэффициент от­ дачи пластов в среднем для топливных ресурсов составлял 46%,

для угля шахтной добычи - 35-80%, для нефти- 35%, для при­ родного газа- 80%.

Не менее важная задача - повышение коэффициента полез­

ного использования добытого топлива. Средний мировой уровень

полезного использования первичных энергоресурсов составляет

всего 33% (при сжигании угля - 20%, нефти- 24% и природного

газа- 48%).

Предусматриваются меры, направленные на экономию топли­

ва и энергии, прежде всего совершенствование технологии, сни­

жение материалоемкости производства, создание и внедрение

энергосберегающего оборудования, машин и аппаратов, повыше­

ние уровня использования вторичных энергетических ресурсов,

изменения структуры всей экономики в направлении снижения

удельной энергоемкости общественного производства. Использование вторичных энергетических ресурсов. По виду

энергии вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) разделяют на

три группы:

горючие (топливные) ВЭРхимическая энергия отходов тех­

нологических процессов химической и термохимической перера­

ботки углеродистого сырья, побочных горючих газов плавильных печей (доменных, колошниковых, шахтных печей и вагранок, кон­

верторных и т. д.), не используемых для дальнейшей технологи­

ческой переработки древесных отходов лесозаготовок и деревооб­ работки в лесной и деревообрабатывающей промышленности, упаренных горючих щелоков, упаренных бардяных концентратов,

коры и древесных отходов в целлюлозно-бумажной промышлен­

ности и т. д.;

тепловые ВЭРфизическая теплота отходящих газов техно­ логических агрегатов, основной, побочной, промежуточной про­

дукции и отходов основного производства, рабочих тел систем

принудительного охлаждения технологических агрегатов и ус­

тановок, горячей воды и пара, отработанных в технологических

Глава 11. Сырьевая и энергетическая базы хшо,шческой промышлетюстu 295

и силовых установках. В химической промышленности ВЭР пре­

имущественно основаны на теплоте экзотермических реакций;

ВЭР избыточного давления - потенциальная энергия газов

и жидкостей, выходящих из технологических агрегатов с избыточ­

ным давлением.

В зависимости от видов и параметров рабочих тел различают

четыре основных направления использования вторичных энерге­

тических ресурсов: топливное (непосредственное использование

горючих компонентов в качестве топлива) 1, тепловое (использова­

ние теплоты, получаемой непосредственно в качестве вторичных

энергетических ресурсов или теплоты и холода, вырабатываемых

за счет вторичных энергетических ресурсов в утилизационных ус­

тановках, а также в абсорбционных холодильных установках); си­

ловое (использование механической или электрической энергии,

вырабатываемой в утилизационных установках (станциях) за счет

вторичных энергетических ресурсов); комбинированное (использо­

вание теплоты, электрической или механической энергии, одно­

временно вырабатываемых за счет вторичных энергетических ре­

сурсов).

Утилизационные установки. Одной из важнейших задач совер­

шенствования технологических процессов в любой отрасли эко­

номики является по возможности полное выявление резервов вто­

ричных энергетических ресурсов и экономически обоснованное их использование для целей производства и удовлетворения быто­ вых нужд. Направление преобразования вторичных энергетичес­ ких ресурсов зависит от трех факторов: количества вторичной

энергии, образующейся в единицу времени; степени непрерывно­

сти ее получения; температурного уровня.

Вторичные энергетические ресурсы могут быть использованы непосредственно как топливо, а также преобразуются в другие энергоносители утилизационными установками. Оборудованием для использования тепловых ВЭР, а также ВЭР избыточного дав­

ления являются котлы-утилизаторы, установки сухого тушения

кокса, газовые утилизаторные бескомпрессорные турбины, абсор­ бционные холодильные машины.

Наиболее распространенными в различных отраслях экономики

утилизационными установками являются котлы-утилизаторы, ис­

пользующие высокопотенциальные дымовые газы промышленных

'Некоторые горючие отходы химических производств одновременно могут быть

иэнергетическими и материальными ресурсами. Так, например, сннтсз-газ про­

изводства аuстилена применяется в качестве сырья для получения метанола, водород

производства каустической соды используется при получении хлороводорода, тан­

ковые и продувочные газы части•Iно возвращаются в uикл синтеза аммиака и т. д.

296 Раздел второй. Промышленные хuмuко-технологuческuе процессы

Рис. 11.3. Схема установки

котла-утилизатора:

1- бункер-питатель; 2- пе'IЬ кипящего слоя; З - паропе­ рсгреватель; 4 - котел-утили­

затор; 5 - барабан-сепаратор; 6, 8 - охлаждающие элементы; 7- uиркуляuионный насос

печей и технологические газы химических производств для полу­

чения водяного пара, а также водяные экономайзеры для нагрева

питательной воды котлов и воздухоподогреватели (рекуператив­

ного и регенеративного типов) для нагрева дутьевого воздуха, ис­

пользующие дымовые газы высокого и среднего потенциала. Ути­

лизация вторичных энергетических ресурсов осуществляется также

в абсорбционных и пароэжекторных холодильных машинах, су­

шильных и других установках.

Котлы-утилизаторы обеспечивают большую экономию топли­ ва благодаря генерированию энергетического или технологиче­

ского пара, а также нагреву воды вследствие использования вто­

ричной теплоты.

Так, например, при обжиге серосодержащего сырья и перера­ ботке диоксида серы в серную кислоту выделяется большое коли­

чество теплоты (7, 1 млн кДж при получении 1 т H 2S04 из колчеда­ на, 5, 77 млн кДжиз серы и 8,03 млн кДжиз сероводорода).

Температура газа на выходе из печей сжигания достигает

1073-1273 к.

В применяемой при производстве серной кислоты утилизаци­

онной установке (рис. 11.3) основным технологическим аппара­

том является печь кипящего слоя 2, в которую поступает колttедан из бункера J. Котел-утилизатор снабжен барабаном-сепаратором 5,

куда подается паро-водяная эмульсия и з охлаждающих элементов

6, 8. Пар из барабана-сепаратора 5 направляется в пароперегрева­

тель 3, откуда при температуре 703-723 К передается потребите­

лям. Горячая вода, отделенная в барабане-сепараторе, вновь на­ правляется циркуляционным насосом 7 в охлаждающие элементы 6, 8. Поступающая в барабан-сепаратор 5вода предварительно очи­ щается , нагревается и деаэрируется. В таких котлах вследствие

Глава 11. Сырьевая и энергетическая базы химической промыzuлеююстu 297

использования теплоты реакции горения в печах кипящего слоя

получают до 1,5 т пара на 1 т сжигаемого колчедана. Рассмотрим котел-утилизатор (рис. 11.4), используемый при

производстве азотной кислоты под давлением нитрозных газов до

0,68 МПа. На входной камере 1 имеется конус, в котором распо­ лагаются трубки пароперегревателя 8; к этому же конусу присо­ единяется нижняя часть контактного аппарата. Пароперегреватель

работает в зоне нитрозных газов при температуре 1153-1273 К.

Испарительная часть котла представляет собой трубчатый теп­

лообменник, по трубкам 4 которого проходят нитрозные газы. Вода

находится в межтрубном пространстве. Давление газов составляет

0,68 МПа, воды- 1,27 МПа. Влажный газ собирается в парасбор­ нике 6 и по трубкам 7 поступает в пароперегреватель 8, откуда

выходит при температуре 503 К. Котел снабжен лазами 2, предох­

ранительным клапаном 5 и выходной камерой 3.

Утилизация теплоты реакции синтеза аммиака в котлах-утили­ заторах (рис. 11.5) позволяет получать 0,8-0,9 т пара на 1 т амми­ ака. Перевод колонн синтеза на работу с использованием теплоты

реакции существенно улучшает технико-экономические показате­

ли агрегатов синтеза.

Для нагрева воды на нужды технологического и бытового

горячего водоснабжения, приготовления питательной воды кот­

лов, а также для воздушного и низкотемпературного отопления

2

Нитрозные

..----н-+­

газы

Рис. 11.4. Котел-утилизатор:

1 - входная камера; 2 - лазы; 3 - выходная камера; 4 - испарителшые трубки; 5 - предохранительный клапан; 6- паросборник; 7- трубки насыщенного пара; 8 - паропсрсгрсватель

298 Раздел второй. Про.мышленные хu.мuко-технологuческuе процессы

и кондиционирования применяют контактные экономайзеры, в ко­

торых газы непосредственно соприкасаются с нагреваемой водой.

Контактные экономайзеры обеспечивают весьма глубокое охлаж­ дение дымовых газов (до 313 К) и конденсацию 70-80% водяных паров, содержащихся в газе. Они отличаются сравнительно малой металлоемкостью, простотой конструкции и обслуживания.

Установки сухого тушения кокса врименяют для охлаждения

раскаленного кокса инертными газами, которые нагреваются при

этом до 1073 К и используются для выработки пара в котлах-ути­

лизаторах.

В газовых утилизационных бескомпрессорных турбинах ис­

пользуют избыточное давление отходящих газов для производства

электроэнергии или для привода компрессоров.

Большой интерес представляют также системы, вырабатываю­

щие при использовании ВЭР электроэнергию, пар и сжатый воз­ дух. Одна из схем энерготехнологического агрегата, предназначен­

ного для восстановления оксидов азота с использованием энергии

контактных газов в производстве азотной кислоты, приведсна на

рис 11.6.

Отходящие из абсорбционной колонны 1 газы с содержанием оксидов азота до О, 11% во избежание загрязнения окружающей среды восстанавливают до азота. Для этого газы направляют в по­ догреватель 2, где они нагреваются до температуры 383-418 К и после смешения с газом-восстановителем (природный газ) по­ ступают в реакторконтактный аппарат 3. Очистка происходит при температуре 1033 К. Очищенные газы проходят котел-утили­ затор 4 и поступают в газовую турбину 7. Пар из котла-утилизато­ ра 4 направляют в паровую турбину 5. Энергия, вырабатываемая

турбинами за счет теплоты хiЗостовых газов и пара, используется

для работы компрессора 6, подающего на производство сжатый

воздух.

Низкопотенциальные вторичные энергетические ресурсы в про­

изводстае холода. Перспектинным является использование ВЭР

в абсорбционных холодильных машинах для производства искус­

ственного холода, широко применяемого в химической, пищевой,

нефтехимической технологии, в других отраслях экономики и для

кондиционирования воздуха. Использование ВЭР отбросных ис­ точников низкотемпературной теплоты (до 273 К и ниже)- отхо­

дящие газы различных технологических печей и котлоагрегатов,

вторичные пары, промышленные сточные воды, воды охлаждения

оборудования, охлаждения продуктовых потоков и т. п.- значи­

тельно снижает стоимость получения холода и позволяет эконо­

мить до 50 млн т условного топлива в год.

Глава J!. Сырьевая u СJ/lергетuческая базы химической промыш.ленностu

299

Газ

а

Пар

J

4

Газ	Вода
Газ
Газ

Рис. 11.5. Двухконтурная (а) и одноконтурные (6, в) схемы утилизации

теплоты реакции синтеза аммиака:

1- колонна синтеза; 2 - котлы-утилизаторы; 3 - циркуляционные насосы;

4 - выносной теnлообменник

Газ-восстановитель

J	7

Кислота

Рис. 11.6. Схема установки каталитической очистки газов от оксидов азота:

1 - абсорбционная колонна; 2 - nодогреватель; 3 - контактный апnарат: 4 - ко­

тел-утилизатор; 5 - nаровая турбина: 6- воздушный комnрессор; 7- газовая

турбина

300 Раздел второй. Про.мышленные хuмuко-технологuческuе процессы

Рис. 11.7. Схема абсорбционной водааммиачной холодильной машины:

1 - генератор; 2 - ректификаuионная колонна; 3 - дефлегматор; 4 - конденса­ тор; 5, 9 - дроссельные вентили; 6 - испаритель, 7- абсорбер; 8 - насос; !О­

теплообменник

Действие абсорбционных холодильных машин основано на

поглощении (абсорбции) паров холодильного агента каким-либо абсорбентом (при давлении испарения) и последующем его выделе­ нии (при давлении конденсации) нагреванием. В качестве холодиль­ ного агента применяют водааммиачный раствор, водный раствор бромида лития и фреоны. В водааммиачной холодильной машине

(рис. 11. 7) концентрированный водааммиачный раствор, содержа­

щий почти 50% аммиака, поступает в генератор /, работающий при повышенном давлении. Образующиеся пары аммиака прохо­ дят через ректификационную колонну 2 и дефлегматор 3, покидая их с концентрацией аммиака 99,5-99,8%. Далее пары конденсиру­ ются вследствие водяного охлаждения в конденсаторе 4. Жидкий аммиак после дросселирования в дроссельном вентиле 5поступает в испаритель 6, где, испаряясь, отнимает теплоту от охлаждаемой среды. Пары аммиака направляются из испарителя в абсорбер 7, где поглощаются орошающим абсорбер слабым (примерно 19,5%-ным)

водааммиачным раствором, который поступает из колонны 2 через

дроссельный вентиль 9. Из абсорбера водааммиачный раствор с концентрацией аммиака примерно 32% возвращается в колон­ ну 2 через теплообменник 10, в котором он нагревается, охлаждая горячий поток раствора. Холодопроизводительность машины опре­ деляется количеством отнимаемой теплоты. Холодильная машина снабжена насосом 8.

Глава 11. Сырьевая u энергетическая базы химической про.мышленностu 301

Холодильный коэффициент для абсорбционной холодильной

машины есть отношение холодопроизводительности Qo к теплоте Q., сообщенной водааммиачному раствору в кипятильнике: Е,= QjQк

Абсорбционные бромистолитиевые холодильные машины (АБХМ)

широко применяют для получения хладаносителя с температурой

278-288 К. Хладагентом в этих машинах является вода, а абсор­

бентомконцентрированный раствор бромида лития.

§ ll.б. Основные направления

повышения эффективности использования

сырьевых и топливно-энергетических ресурсов

Для повышения эффективности развития экономики немало­

важное значение имеют рациональное использование и экономия

сырьевых и топливно-энергетических ресурсов. Научно-исследо­ вательские и опытно-конструкторские работы в области химиче­

ской технологии и хими•rеского машиностроения развиваются

в двух основных направлениях:

разработки по совершенствованию действующих технологиче­

ских процессов, направленные на снижение удельных расходов

сырья, материалов, энергозатрат, а также повышение качества и эко­

логичности выпускаемых продуктов и технологических процессов;

разработки конкурентно-способных на мировом рынке прин­ ципиально новых видов химической и нефтехимической продук­ ции, а также способов их получения.

Активно ведутся работы по комплексному использованию при­ родных сырьевых ресурсов, сокращению их потребления заменой

химическими материалами (полимерами, синтетическими во­

локнами и т. д.), а также разработка новых прогрессивных тех­

нологических процессов: электрохимических, плазмохимических,

мембранных, фотохимических, каталитических с применением макроциклических соединений, биохимических, радиационных,

с использованием лазерных излучений, ударных волн, саморас­

пространяющегося высокотемпературного синтеза и др.

Скорость химических превращений и физико-химических про­ вессов определяется термодинамическими и кинетическими фак­

торами, характеристиками процессов тепло- и массообмена.

Конечный результат и скорость протекания любого физико­

химического процесса определяются температурой и давлением в рассматриваемой системе, а также скоростью движения отдель­ ных частиц системы относительно друг друга. Изменяя эти пара­

метры, можно управлять физико-химическими процессами и тем

самым оказывать решающее влияние на технологическис процессы

302 Раздел второй. Промышленные химико-технологические процессы

получения и обработки материалов и веществ, на процессы жиз­

недеятельностимикро-и макроорганизмов, рабочие режимы функ­ ционирования технических устройств.

Новые технические средства (такие как лазер, плазма, элект­

ромагнитные поля, потоки частиц высоких энергий) существенно расширяют возможности активного воздействия на физико-хими­

ческие процессы. Могут быть достигнуты значительно более вы­

сокие значения температуры и давления, а также скорости их из­ менения, скорости конвективных потоков в жидкости и движения структурных несовершенств в твердых телах по сравнению с теми,

которые реализуются в естественных процессах развития природы

и технологических процессах сегодняшнего дня.

Во многих отраслях экономики внедряются эффективное гене­

рирующее и энерrоиспользуюшее оборудование, технологические процессы, установки и машины, обеспечивающие высокий техни­

ческий уровень производства при минимальных затратах сырьевых

и энергетических ресурсов. Увеличивается доля комбинированной выработки электрической и тепловой энергии на теплофикацион­

ных электростанциях, создаются и осваиваются магнитогидродина­

мические установки на газообразном и твердом топливе.

Дальнейшее развитие получает централизованное теплоснаб­

жение в результате строительства атомных теплоэлектроцентралей,

атомных станций теплоснабжения и крупных котельных. Особое внимание уделяется сейчас повышению безопасности и экологи­ ческой совместимости атомных реакторов. Экономии энергии можно добиться, повышая качество тепловой изоляции оборудо­ вания и трубопроводов.

Внедряются мошные энерготехнологические агрегаты и уста­

новки в химической промышленности и автогенные процессы

в цветной металлургии.

Перспективным является увеличение производства цемента сухим способом, установок плазменного и электронно-лучевого

нагрева; ускорение внедрения вторичных nроцессов nереработки нефти с целью увеличения выхода светлых нефтепродуктов.

К значительному снижению удельных расходов сырья, топли­

ва, теплоты и электрической энергии nриводят модернизация дейст­ вующего оборудования, машин и механизмов, оптимизация режи­ мов работы энергетических и технологических установок.

В химической промышленности и других отраслях экономики

широко используют современны е средства автоматизации для уче­

та, контроля и оnтимизации расхода тоnлива, теnлоты и электри­

ческой энергии в химико-технологических процессах, котельных

установках , тепловых и электрических сетях.

Глава 11. Сырьевая и э11ергетическая базы хuАшческтi промьтшенности 303

Болr,шое внимание уделяется повышению селективности тех­ нологических процессов, обеспечивающей снижение расходных коэффициентов, уменьшение количества отходов и повышение

производительности аппаратов и агрегатов.

Значительная экономия сырья и энергии может быть достиг­

нута при повышении уровня использования вторичных материаль­

ных и топливно-энергетических ресурсов, максимальном приме­

нении рекуперации теплоты в технологических агрегатах, а также

при утилизации других видов низкопотенциальной теплоты с ис­

пользованием тепловых насосов и абсорбционных холодильных

машин.

Для решения этой задачи необходимо создание и усовершенст­

вование конструкций реакторов для экзотермических процессов

в комбинации с малогабаритными теплообменными устройства­ ми, обеспечивающими достаточно полное использование теплоты

химических реакций, с одновременным приближением темпера­

турного режима процесса к оптимальному; создание и усовершен­

ствование конструкций малогабаритных реакторов для эндотер­ мических процессов с максимальным использованием подводимой извне энергии и с заменой дефицитных видов топлива (нефти и га­ за) углем или сланцами; создание экономически эффективных ус­ тановок, обеспечивающих исnользование низкопотенциальной

теплоты технологических потоков химических производств.

Одним из важнейших направлений рационального использова­

ния энергии различных видов является создание комбинированных

энерготехнологических установок, в том числе с использованием

теплоты ядерных реакторов. Примерам такого комбинирования

может служить использование теплоты гелия, циркулирующего

через ядерные реакторы, для проведения эндотермического про­

цесса производства синтез-газов, диссоциации карбонатов, прямо­

го восстановления оксидов железа и др.

Один из важнейших путей повышения эффективности исполь­

зования сырьевых ресурсоврасширение сырьевой базы и комп­ лексное использование сыры1. Так, например, на этиленовых

установках сейчас получают этилен, пропилен, фракцию С4 и пи­

роконденсат, а при комплексной переработке можно получить до­

полнительно бутадиен, бензол, бутилены, циклопентадиен, изо­

прен, нафталин.

Большое развитие получат мембранные методы, обладающие

высокой экономичностью и малой энергоемкостью. В отличие от процессов ректификации, экстракции, выпаривания и сушки раз­ деление смесей мембранными методами (ультрафильтрация, обрат­

ный омос, электродиализ) проводится без фазовых превращений

304 Раздел второй. Промышленные химико-технологические процессы

и обычно при температуре окружающей среды. Испол ьзование этих методов позвол ит решить ряд народнохозяйственных nроблем

со значител ьным экономическим эффектом, создать ресурсо­

и энергосберегающие технологические процессы и улучшить за­ щиту окружающей среды.

Весьма nерсnективным является широкое использование не­

традиционных возобновляемых источников энергии, в том числе

солнечной, глубинной теплоты Земли, ветровой и приливной

энергии , а также биомассы.

§11.7. Основы энерrотехнолоrии,

еезначение и сущность

Одним из наиболее действенных средств повышения эффек­

тивности потребления топлива в народном хознйстве является nе­

реход к комnлексным энерготехнологическим методам использо­

вания топлива, к извлечению всех ценных его составляющих при

обязательном комбинировании энергетического процесса сжига­

ния части топлива для производства энергоносителя с различного

рода технологическими процессами .

Комбинирование энергетического и различных технологичес­ ких процессов nозволяет интенсифицировать все основные про­

цессы , включенные в энерготехнол огическую схему , зна чительно

повысить коэффициент использования теплоты топлива, его вы­

сокого температурного потенциала, а также с максимальной эф­

фективностью и высоким энергетическим КПД 1 использовать

органическую и минеральную (зольную) составные части топлива. Энерготехнологическое комбинирование и комплексные ме­ тоды использования топлива обусловливают более эффективное

теплоиспользование в крупнотоннажных и энергоемких техноло­

гических процессах химической и нефтехимической промышлен­

ности , промышленности строительных материалов, черной и цвет­

ной металлургии и по своей значимости приобретают широкое

межотрасле вое значение .

В Российской Федерации и за рубежом уделнстся большое вни­

мание созданию высокоэффективных энерготехнологических ус­

тановок.

Энерготехнологuческuмu установками называют комплексы

энергетических и технологических агрегатов, тесно связанных между

собой и состоящих из энергоблока, блока термической переработки

1 Энергстиче<;ким КПД называется отношение поле'Jно и<;пользуе ~юй теплоты

к общему расходу теплоты топл ива.

Глава 1/. Сырьевая u :щергетuческая базы химической промышлетюстu 305

топлива, блоков разделения и очистки получаемых продуктов.

В таких установках наряду с процессами чисто энергетическими (полное сжигание очищенных от вредных примесей горючего газа

иполукокса, преобразование теплоты в работу) осуществляются

ипроцессы технологические (газификация, пиролиз или коксова­ нис топлива).

Основным назначением энерготсхнологических установок ян­

ляется максимально эффективное комплексное использование топлива как источника получения тепловой и электрической энер­ гии и сырья для химической и нефтехимической промышленнос­

ти, металлургии и других отраслей экономики при одновремен­ ном предотвращении загрязнения окружаюшей среды.

По виду топлива, используемого в качестве источника для про­ изводства тепловой и электрической энергии, энерготехнологи­

ческие установки делят на два типа: энерготехнологические на

органическом топливе (твердое, жидкое, газообразное) и атомные,

в которых органическое топливо используется лишь как сырье для

произнодства химической продукции. Тетюная энергия для тер­ мической переработки топлива, а также тешюная и электрическая энергия для энергоснабжения вырабатываются на ядерном го­ рючем. В свою очередь атомные энерготсхнологические установки rюдразделяют на установки, потребляющие ядерное топливо, и ус­

тановки, вырабатывающие дополнительнос ядернос топливо, на­ пример плутоний и другие продукты деления.

В широком смысле к энсрготехнологическим установкам от­

носятся комплексы, в которых дополнительные технологическис

процессы переработки топлива радикально влияют на rюказатели

и схему производства тепловой и электрической энергии, а энер­ гетические процессы существенным образом меняют технологи­ ческие показатели основной продукции.

Разработка эффективных методов комплексного исrюльзона­

ния топлива неразрывно связана с развитием энерготехнолоr·ии.

Энерготехнология - раздел науки, базирующийся на глубоких

исследованиях кинетики и механизма соответствующих химических

реакций, изучении физических процессов переноса теплоты и вещест­ ва при фазовых превращениях в реагирующих системах и на исследо­ вании качественных физико-химических, а также экономических

характеристик исходного топлива.

Энерготехнологин имеет два главных практических направле­

ния. Первым является изыскание путей повышенюr эффективно­ сти использования органической и минеральной частей топлива,

применяемого на электростанциях и в промышлснной энергетике.

306 Раздел второй. Промышленные химико-технологические процессы

Второе направлениесоздание интенсивных химико-энерготех­

нологических методов производства важных видов промышлен­

ной продукции (химическое сырье, строительные материалы и т. п.) при потреблении дешевого энергетического топлива, снижении их

удельного расхода, а также использовании теплоты химических

реакций.

Энерrотехнолоrические системы использования топлива. Основ­ ной энерготехнологической системой повышения эффективности использования составных частей топлива (первое направление

энерготехнологии) является так называемая простейшая система, в которой топливо перед сжиганием в котельной топке подверга­

ется в определенных условиях термической переработке с получе­ нием высококалорийного газа и ценных жидких продуктов. Про­ стейшая система применима при потреблении большинства

твердых, жидких и газообразных видов топлива, однако ее назна­

чение зависит от конкретных условий. Схемы энерготехноло­

гических систем использования различных топлив приведсны на

рис. 11.8.

Такие простейшие схемы служат для получения жидких смол

и газового бензина, содержащих ценные виды химического сырья; высококалорийного газа, содержащего компоненты так называе­

мого сжиженного газа и вепредельные углеводороды (олефины)­

этилен, пропилен, бутилен; редких и рассеянных элементов: гер­

мания, вольфрама, урана, молибдена, тория, ванадия, титана и др.;

цементного клинкера и других строительных материалов типа

шлаковойлока, шлакаваты и т. п.

Энерготехнологические системы использования природного газа предусматривают его глубокую переработку с получением га­

зовой серы, этана, гелия и других ценных компонентов.

Сочетание энергетики и технологии позволяет значительно

полнее использовать энергию химических реакций и энергоресур­

сы, повысить качество продукта и производительность энерготех­

нологических агрегатов.

Энерrотехнолоrические системы использования теплоты химиче­ ских реакций. В современной химической технологии принципи­

альное значение имеет создание энерготехнологических процес­

сов и систем, в которых использовалась бы теплота химических реакций.

Наиболее эффективными энерготехнологическими системами

в химической промышленности являются системы крупнотоннаж­

ного производства аммиака, слабой азотной кислоты и карбамида.

В результате использования этих систем в производстве амми­

ака удельные расходы электроэнергии снизились почти в 8 раз

Глава 77. Сырьевая u э!iергетическая базы химической npoмышлelflfOCmu

307

а

б	Рециркуляция жидких
	продуктов

в

2

Рис. I J.8. Схемы энерготехнолоrических систем использования твердых

топлив (а), мазута (6) и природного газа (в, г)

308 Раздел второй. Промышленные химико-техllологические процессы

(с 6840 до 900 МДж/кг); в установках производства карбамида на 40% сократился расход пара, получаемого со стороны, на 35-40% уменьшились удельные капитальные вложения, на 10% снизилась

себестоимость продукции; в производстве слабой азотной кисло­

ты в несколько раз сократился расход электроэнергии, а также

вырабатывается свыше 5 ГДж теплоэнергии, которая может быть

передана другим потребителям.

Принцип создания энерготехнологических систем рассмотрим на примере синтеза аммиака. Чтобы нагляднее показать, чем от­

личается энерготехнологическое производство от обычного, при­

ведем сначала функциональную схему процесса синтеза аммиака

(рис. 11.9). На ней показаны лишь основные этапы химического

превращения исходного сырья и нет узлов, позволяющих создать

энерготехнологическое производство.

Первый этап превращения сырья - паровая конверсия метана

в трубчатой печи при высокой температуре (800 °С). Второй этап -

паравоздушная конверсия метана кислородом воздуха в шахтном

конверторетакже осуществляется при высокой температуре

(1 000 °С). Третий этап - паровая конверсия оксида углерода при

температуре примерно 450 ос. Полученная азотоводародная смесь очищается от примесей в абсорбере водным раствором Моно­

этаноламина (процесс идет под давлением 2,6 М Па) и затем в ме­

танаторе, сжимается в компрессоре и подается в контактный аппа­

рат (колонну) для синтеза NH 3•

Поток реагентов, выходящих из колонны синтеза, охлаждается в холодильнике, продукт (аммиак) отделяется, а азотоводародная

смесь возвращается на повторное превращение в колонну синтеза.

Рассмотрим схему производства аммиака (рис. 11.10). Паровая конверсия метана осуществляется в трубчатом кон­

верторе метана 1 при высокой температуре. Для ее обеспечения трубы конвертора обогреваются продуктами сжигания природного газа. Отходящие дымовые газы имеют высокую температуру, и их теплоту используют. Трубчатый конвертор 1 снабжается конвек­

ционной камерой /а, проходя через которую горячие дымовые газы подогревают: а) природный газ, приходящий на пароную кон­

версию в конвертор 1; б) воздух, поступающий на паравоздушную конверсию в шахтный конвертор 2; в) пар, подающийся на паро­

ную конверсию метана (конвертор /) и оксида углерода (конвер­

тор 4). Отдавшие часть теплоты, но еще горячие дымовые газы

направляются в котел-утилизатор 11 для получения пара. Реагенты, выходящие из реакторов паравоздушной конверсии

метана 2 и паравой конверсии оксида углерода 4, также имеют высокие температуры. Чтобы использовать теплоту их потоков,

Глава 11. Сырьевая и энергетическая базы химической промышленности 309

горячие реагенты после конверсии СН4 и СО направляют в гене­ раторы пара (котлы-утилизаторы) 3 и 5, где получается насыщен­ ный водяной пар. Затем он перегревается в конвекционной ка­

мере трубчатого конвертора 1 и может быть направлен в одну (их

в агрегате синтеза аммиака несколько) из паровых турбин. Пар подается на паровую турбину 8, установленную на одном валу с турбокомпрессором 7, сжимающим азотоводародную смесь,

Очистка

азотоводародной

смеси

Сжатие

азото­

водородной

смеси

Рис. 11.9. Функuиональная схема синтеза аммиака

		Пар
	Пар
Азотоводародная смесь			8
. 1	------==___. t .---'
Аммиак~
(продукт)	10	9

Рис. 11.10. Принuипиальная схема синтеза аммиака:

1 - трубчатый конвертор метана; la - конвекционная камера трубчатого конвертора; 2 - шахтный конвертор метана; J, 5, 11- котлы-утилизаторы; 4- коннсртор окси­

да углерода; 6 - абсорбер; 7- компрессор; 8 - паровая турбина; 9 - колонна

синтеза; 10 - теплообменник

310	Раздел второй. Промышлепные химико-технологические процессы

поступающую в колонну синтеза аммиака 9 и проходящую затем

вместе с продуктами реакции через узел охлаждения 10, где отде­ ляется конденсирующийся аммиак. Этим уменьшается расход

энергии на сжатие азотаводородной смеси.

Пример регенерации механической энергии - узел очистки азотонодородной смеси от диоксида углерода С02. Очистка прово­

дится в абсорбере 6 nод давлением 2,6 МПа водным раствором

моноэтаноламина. Выходящая из абсорбера под давлением жид­ кость поступает в турбину, стоящую на одном валу с насосом.

Другим примерам энерготехнологического агрегата может слу­

жить агрегат, использующий теплоту каталитического или терми­

ческого дожигания отходящих газов, содержащих органические

примеси, в процессах газофазного окисления углеводородов. На рис. 11.11 приведсна схема энерготехнологического агрегата по производству малеинового ангидрида газофазным окислением али­

фатических углеводородов (буганбутиленовая фракция, бутан) кис­ лородом воздуха. Отходящие газы, содержащие примеси органи­ ческих веществ, газадувкой 1 подают в реактор 2 на каталитическое дожигание. Сюда же воздуходувкой 6 через подогреватель 7 пода­ ют необходимое количество воздуха. Теплота, выделяющаяся при

дожигании, отводится расплавом солей, охлаждаемым в парагене­ раторе 3. Пар из парагенератора проходит через газовый теплооб­

менник 4, где перегревается теплотой парагазовой смеси продук­

тов контактирования, а затем подается на турбину с паровым

приводам 5, приводящую в движение вал воздуходувки 6. Воду, поступающую в парагенератор 3, предварительно подогревают во второй секции теплообменника 4. Мятый пар из турбины 5 ис­ пользуют в качестве теплоносителя. Благодаря использованию от­

ходов производства в качестве вторичных энергоресурсов удается

снизить себестоимость малеинового ангидрида на 25% .

Большой эффект достигается при комплексной утилизаuии

энергии газов выжига кокса из катализатора крекинга, разрабо­

т<шной в Институте газа Национальной Академии Наук Украины. Рассмотрим схему, приведенную на рис. 11.12. Газы выжига после очистки от пыли в циклонах 3 подаются в каталитический реактор 4 для полного окисления (дожига) оксида углерода. Сюда же из

компрессора 7 поступает воздух, необходимый для дожигания СО

и регулирования температуры на входе в газовую турбину 5; тем­ пература на входе в турбину достигает 1023 К. Газы после турбины направляются в котел-утилизатор 9.

Новым эффективным энергосберегающим способом очистки

промышленных газовых выбросов является нестационарный спо­

соб каталитического обезвреживания отходящих газов. Очистка

fJюва 11. Сырьевая u энергетическая базы хшvrической промышленностu

311

Рис. 11.11. Схема энерготехнологического агрегата в процсссах га:юфаз­

ного окисления углеводородов:

1 - газодувка; 2 - реактор; 3 - парогенератор; 4 - газовый теruюобменник; 5 - тур­

бина с паровым приводом; 6 - воздуходувка; 7- подогреватель воздуха

Продукты Газы

крекинга выжига

1

Пар Вода

Рис. 11.12. Схема использования энергии газов регенерации катализатора

установки каталитического крекинга:

1- реактор каталитического крекинга; 2 - реактор-регенератор; 3 - система ник­ лонов; 4 - каталитнческий реактор дожигания СО; 5 - газовая турбина; 6 - мотор­

генератор; 7- компрессор; 8 - пусковая паровая турбина; 9- котел-утилизатор

312 Раздел впюрий. Про.мышленные хu.мuко-технологuческuе процессы

проводится в реакторе с неподвижным слоем катализатора при

периодическом изменении направления подачи реакционной сме­

си с произвольной начальной температурой (см. рис. 8.26). Часть

теплоты, выделившейся в результате реакции, задерживается в цент­ ральной части реактора, а его торцевые участки работают как ре­ генеративные теплообменники. В слое катализатора достигаются сколь угодно высокие температуры (в пределах термостойкости

катализатора) при малых содержаниях горючих компонентов. По­

добная организация процесса позволяет отказаться от рекупера­ тивных теплообменников предварительного подогрева газов.

Намечается более полно использовать теплоту химических реакций и продуктовых потоков в производстве винилхлорида, а продукты пиролиза направлять для выработки пара в промыш­ ленные котельные. Большой интерес представляет создание энер­

готехнологических агрегатов в производстве полиэтилена высокой

плотности. Здесь благодаря ВЭР будут вырабатываться тепловая

энергия, осуществляться теплоснабжение сторонних потребителей, что позволит сэкономить дефицитное органическое топливо.

Энерrотехнолоrическая переработка твердых топлив. Переработ­

ка твердых топлив (угля, сланцев, торфа, древесины и т. д.) для

получения водорода, оксида углерода, синтетического жидкого

топлива и других видов углеводородного сырья приобретает возрас­

тающую актуальность в связи с увеличивающимся дефицитом неф­

ти и природного газа.

Для энерготехнологического использования наиболее перспек­ тивны твердые топлива с большим выходом летучих веществ. К ним

прежде всего относятся бурые угли, горючие сланцы и торф. В ка­ честве одной из важнейших мер обеспечения экономики энерго­ ресурсами и совершенствования структуры энергетического балан­

са России предусматривается увеличение добычи угля, в первую очередь развитием открытого способа разработки угольных место­

рождений.

Важнейшую роль в энергетическом балансе будет играть Канс­

ко-Ачинский топливно-энергетический комплекс (КАТЭК). За­

пасы угля в этом регионе оцениваются в 600 млрд т, из которых

140 млрд т пригодно для открытой добычи, что составляет почти 70% российских запасов угля открытой разработки. В состав ком­

плекса войдут угольные разре"3ы единичной мощностью до 60 млн

тугля в год, тепловые электростанции мощностью по 6,4 млн кВт,

атакже предприятия по облагораживанию угля и переработке его в твердые, жидкие и газообразные виды топлива и химическое сырье.

Угли Канско-Ачи некого бассейна характеризуются невысокой зольностью (7-12%), низким содержанием серы (менее l%) и вы-

Глава 11. Сырьевая и энергетическая базы хи.wическоu промыtшtnLНости

313

соким выходом летучих веществ (до 48 %), но в то же время из-за

высокой влажности (30-40%), сравнител ьно небольшой теплоты

сгорания ( 12 550-5900 кДж/кг) и атмосферной нестойкости в обыч­

ном виде они не могут эффективно использоваться за пределами бассейна. Поэтому в другие районы Сибири , на Урал и в европей­

скую часть страны будут транспортироваться электроэнергия и

продукты переработки угля в КАТЭ Ке.

В перспектине предполагается увеличение использования го­

рючих сланцев. Они также представляют собой ценное комплекс­

ное орга наминеральное сырье, пригодное для получения электро­

энергии и различных химических продуктов, синтетического

жидкого топлива и лекарственных препаратов. Минеральная часть сланцев используется для производства цемента, минеральной ваты , материала для известкова ния почв. Потребление же торфа в качестве энергетического и химического сырья уже в ближай­

шие годы существенно сократится в связи с увеличивающимся ис­

пользованием его в сельском хозяйстве.

При нагревании в различных условиях уголь и другие виды

твердого топлива претерпевают сложные превращения, ведущие

к образованию новых твердых, а также жидких и газообразных

продуктов .

Методы переработки твердых топли в подразделяются на следу­

ющие основные группы: пирагенетическое превращение , дестру к­

тивная гидрогенизация , термическое растворение и газификаt~ия.

Пирогенетические методынагреванис топлива без доступа

воздуха (сухая перегонка), сопровождаемое глубокими деструктив­

ными химическими превращениями компонентов топлива. При

такой термической переработке уголь превращается в следующие продукты: кокс (или полукокс), воду, газы (Н 2, СО, H2S, СН4), масло, смолу (фенолы, гетероциклические соединения, нафталин,

антрацен).

Взависимости от температуры различают полукоксование

(723-773 К), среднетемпературнос (773-1173 К) и высокотемпе­ ратурное (выше 1173 К) коксование.

Полукоксование используют для получения наряду с твердым

топливом (полукокс) смолысырья для химической промышлен­

ности. Полукокс применяется в качестве энергетического топлива,

восстановителя в агломерационном и ферросплавном производст­

вах, полупродукта для получения ряда химических веществ, а так­

же дешевого адсорбента для о•Iистки сточных вод вместо активи­

рованного угля.

Основной целевой продукт коксования - кокс широко исполь­

зуют в качестве восстановителя в черной и цветной металлургии.

314 Раздел второй. Промьииле11ные химико-технологические процессы

Весьма перспективно применение сухой перегонки для пере­ работки горючих сланцев. Россия занимала первое место в мире

по добыче и по переработке сланцев. Однако нолукоксуется пока

лишь 26% сланцев, а 74% расходуется как энергетическое топливо

для nроизводства электроэнергии.

Ценные химические продукты можно получить при высокоско­

ростном пиролизе топлив. Быстрое нагревание угля (время пребы­ вания угля в высокотемпературной области 773-973 К составляет l0-3-l0-4 с) значительно повышает выход смолы, пригодной дш1

получения синтетического жидкого топлива. Принuип высокоско­ ростного nиролиза, разработанный в Энергетическом институте

им. Г.М. Кржижановского, реализован в опытно-промышленной

установке производительностью 175 т/ч (l ,2 млн т угля в год).

Установка ЭТХ-175 сооружена на Красноярекой ТЭЦ-2.

Деструктивная гидрогенизациятермическое разложение угля с исnользованием катализаторов (системы на основе молибдена,

вольфрама, железа, хрома и др.) поддавлением 20-70 МПа. Целью

этого процесса является получение максимального количества

жидких продуктов на единицу органической массы угля. При гид­ рогенизации, как и при других химических методах переработки

угля, происходит разрушение внутримолекулярных и межмолеку­

лярных связей в органической массе угля. Процесс деструкции

сопровождается одновременным гидрированием образующихся углеводородных соединений и взаимодействием с водородом содер­

жащихся в угле серы, кислорода и азота. В результате всех этих про­

нессов возникает смесь легких углеводородов с минимальным со­

держанием соединений S, О и N, удаляемых в виде паров и газов

(H2S, Нр, NH3).

Термическое растворение (ожи.жение) углей осушествляется воз­

действием на измельченный уголь органических растворителей в области температур начала его термического разложения в отно­

сительно мягких условиях (613-653 К, 2-15 МПа). Часть органи­

ческой массы угля подвергается деструкции и переходит в раствор,

обладающий большей, чем уголь, реакционной способностью. Эта

часть углн называетсн <<ОЖиженным>> углем и используется для по­

лучения специальных видов кокса, пластмасс, углеродистых мате­

риалов и других веществ. Термическое растворение может быть использовано для подготовки углн к деструктивной гидрогениза­

ции и повышения выхода из него жидких продуктов и в качестве

самостонтельного процесса.

Газификация твердого топливапроцесс его превращения в смесь газов с помощью газифицирующих агентов. Процесс универсален: газификации могут быть подвергнуты любые виды

Глава 11. Сырьевая и энергетическая базы химической промышленности 315

твердого топлива (низко- и высокосортные угли, сланuы, торф, полукокс, отходы лесопереработки, пол имерные материалы и т. п.).

В качестве газифиuирующих агентов применяют воздух, кисло­

род, водяной пар, а также их смеси. При газификаuии протекают

окисл ительные и восстановительные реакции, в результате кото­

рых из органической массы топлива образуются главным образом

СО и Н2. Полученный газ может быть использован и как высоко­

качественное топливо в энергетических установках, и дли даль­

нейшей переработки в водород, жидкое топливо (синтез Фишера­ Тропша), метанол и другие химические полупродукты.

В России и во всех развитых странах мира широко ведутся

научные исследования и проектно-конструкторские работы по

создан ию высокоэффективных технологи•1сских проuе<.:сон тер­ мической переработки твердых топлив в облагороженные твердые, жидкие и газообразные виды топлива и химического сырья .

Энергогазохимическая переработка углей Канско-Ачинского бассейна. Одним из наnравлений комnлексного исnользования углей Канско-Ачин­ скоrо бассейна должна стать энергогазохимическая nереработка их в райо­ нах добычи.

Энергогазохимическое наnравление комплексного использования бу­ рых углей Сибири ( nрограмма «Энергия>>) вклю•шет в себн три основных

звена:

круnномасштабную терми•1ескую nереработку канско-<l'lинского угля

с nроизводством твердого тоnлива , смолы и газа , полу•1ением на основе

смолы синтетического жидкого энергетического топлива (СЖЭТ) и транс­ портировкой его на электростанuии евроnейской •1асти России ;

исnользование газов термической переработки углей длн производ­

ства амми ака, метанола, комnонентов моторных тоnлив и минеральн ых

удобрений;

производство водорода и оксида углерода и совмещеннан транспор­

тировка этих газов и электроэнергии в криогенных условинх в евроnей­

скую qасть России.

Рассмотрим схему энергогазохимического комплекса. приведеиную

на рис. 11 . 13.

Рабочий уголь nостуnает на установку nолукоксованин /, где разделя­ ется на полукокс, смолу и летучее органическое вещество. Основная •mсть nолукокса как бездымное топливо на nравляется для производстна элект­

роэнергии 2, а круnная фракuия 110 железной дорогедальним потреби­ телям. Из смолы nроизводится синтетическое жидкое энергетическое топ­ ливо 3. Летуqее вещество угля в nарагазовом состоянии подвергается конверсии с получением синтез-газов и водорода 4. Определенная часть

СО-водородной смеси поступает на очистку, сжижение и разделение 5.

Производится каталитическое превращение орто-водорода в пара-водо­ род. Некоторая часть синтезгазов и водорода используется неnосред­

ственно в регионе месторождения канско-ачинского угля для nереработки

316 Раздел второй. Прол1ышленные химико-технологические процессы

мазута в светлое моторное топливо 6, синтеза аммиака и карбамида 7,

метанола 8 и прямого восстановления руд 9. Полученные химические продукты поступают по железной дороге дальним потребителям. Электро­ энергия 2 за вычетом се части, израсходованной в регионе месторождения

угля, поступает одновременно с жидким водородом и оксидом углерода

в криогенный гиперпроводящий (или сверхпроводящий) совмещенный электрогазопровод 10, который доставляет энергоносители в европейскую

часть России, например в регион Курской магнитной аномалии. В конце

магистрали из водорода извлекается дейтерий //.

Совмещение в общем тракте транспортировки жидкого газа и элект­

роэнергии (в условиях гиперпроводимости или сверхпроводимости) дает возможность создания сверхмощной магистрали для транспорта энергии,

заменяющей более десяти новейших линий электропередачи.

В сжиженном виде водород имеет вязкость, примерно в 40 раз мень­

шую вязкости нефти, что по:Jволяет транспортировать по трубопроводу

поперечного сечения 0,5 м2 84,5 млн м3 жидкого водорода в год. Все это

по:Jволяет создать сравнительно компактное техническое сооружение.

Водород и оксид углерода, обладающие одновременно ценными свой­

ствами энергоносителей и химического сырья, используются в европей­

ской части России для повышения эффективности традиционных прои3-

водств, в также для со:Jдания и развития новых технологических процессов

и водородной энергетики. Наиболее перспектинным представляется ис­ IЮЛЬ3ование СО-водородной смеси для освоения рудных богатств Кур­

ской магнитной аномалии.

Глубокий холод жидких водорода и оксида углерода используют для сжижения во3духа с последующим его рюделением на кислород и азот 12. Такой подход устраняет традиционный расход электроэнергии на получе­

ние соответствующего количества кислорода и азота, и тем самым значи­

тельная часть энергии, израсходованная на сжижение гюов в районе за­

легания углей, будет возвращена в район ее наибольшего дефицита. Определенную часть водорода расходуют в качестве автомобильного,

авиационного и ракетного топлива, топлива турбин и магнито-гидроди­ намических (М ГД) генераторов. Запас топлива в виде жидкого водорода

в 3-4 раза меньше по массе, чем традиционного, что в 2,5 раза увеличи­

вает полезную грузоподъемность или соответственно дальность полета са­

молета 18.

Низкопотенциальный холод используют в холодильной промышлен­

ности для интенсификации теплообменных процессов и создания новых безводных процессов охлаждения на производствах 13.

А3от, получаемый при разделении воздуха, вместе с водородом и окси­ дом углерода может быть направлен на синтез аммиака, карбамида и дру­ гих соединений связанного азота. В результате будет высвобожден расхо­

дуемый для этого природный газ.

Водород с оксидом углерода в соотношение по объему 2: 1 может быть направлен на получение метанола с производством на его ба:Jе раз­ нообрюных химических продуктов.

Водород используют для превращения тяжелых остатков от перегон­

ки нефти (мазутов) в светлое моторное топливо, а также для обессеривания

J:qaвa 11. Сырьевая u Jltepгemuчecкaя базы химuческтi промыuиzетюстu					317
	РАБОЧИЙ УГОЛЬ
РАЗДЕЛЕНИЕ УГЛЯ НА ПОЛУКОКС, СМОЛУL!1
	И ЛЕТУЧЕЕ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО
Пол)кокс	Смола		Летучее вещество
/: Производствои~	1Получе~,	Конверсиялетучего вещества. ~
электроэнергии		получение синтез-газов и водорода1
	сжэт
-		1
н2 со	н2	н2 N C02t	Г/2 со	н2	со
Сжижениеl_i	Переработка L§_	Синтез Lz.	Синтез.!.	Прямое	L2..
и разделение	мазуга на моторное	аммиака	метанола	восстановление
Н2 иСО	топливо	и карбамида		железа

1

г--

Регион КАБ

Жидкий Н2

Жидкий СО

Электроэнергия

Криогенный сверхпроводящий

совмещенный электрогазопровод

	:идкийн2
о	1
u	1Получение дейтерия~
,=

i2

~н2 пары

Воздух	~~ Разделение воздуха l!1J

Доставляется дальним потребителям по железной дороге

Железо

Метанол

Карбамид

Моторное топливо

Синтетическое жидкое

энергетическое топливо (СЖЭТ)

Полукокс

Регион КМА

	н2~ со~	N2	02
1Производственные и бытовые теплообменные пpoueccыl!lj
нJ	~2,СО,О2	со	r2	~2
Переработка l!!	Доменное l!i	Прямое	м	Бытовое l12.	lШ_
мазуга на моторное	производство	восстановление		газоснабжение	Транспортная
топливо		железа			энергетика

Рис. 11.13. Схема энергогазохимическоrо комплекса

318 Раздел второй. Промыщ)1енные хuмuко-технологuческuе процессы

(гидроочистки) моторного топлива 14, часть водорода- в коммунально­ бытовом газоснабжении /7.

Кислород может применяться для традиционной интенсификации

процессов в доменном, конверторном и других производствах черной

и цветной металлургии /5.

Водород и оксид углерода как идеальные газы-восстановители могут заменить в доменном производстве и цветной металлургии вдуваемый

в доменные печи природный газ /5, возможно также их применевис для прямого восстановления руд /6.

Крупнотоннажное производство аммиака в районе КАТЭК и нали•ше

огромных количеств отходов углеобогащения или рядового угля позволя­

ет осуществить массовое производство для сельского хозяйства страны

дешевых стимуляторов роста растений, органаминеральных удобрений и биологических азотасодержащих кормовых добавок для животноводства. Гуминовые кислоты углей могут использоваться для улучшения структу­ ры почв, а зола углей, содержащая до 60% СаО,- в качестве мелиоранта

почв, наполнителя налимеров и сырья для производства строительных

материалов.

Из 1 т Канско-Ачинского угля при разделении на полукокс и летучее органическое вещество может быть получено 308 кг полукокса для произ­ водства электроэнергии, 55 кг полукокса для дальнего транспорта по железной дороге, 178 м3 (н.у.) 1 водорода, 88,3 м1 (н.у.) оксида углерода, 39,2 м3 (н.у.) диокрща углерода.

При общей мощности электростанции на месторождении углей

50· 106 кВт (базисный вариант) годовая выработка электроэнергии состав­

ляет 350 · 1QY кВт· чjгод. При этом годовой расход полукокса дли произ­ водства электроэнергии- 131 · 106 т/год, выработка полукокса для даль­

них потребитслей - 75,4 · 106 т/год, водорода- 75,5. 109 м3jгод, оксида

углерода- 37,6 · 10'1 м3jгод, диоксида углерода- 16,6 · 109 м1jгод.

Всовременной водородной энергетике, в частности в США, Англии

иФРГ, практикуется, в том числе в процсссе синтеза аммиака, предвари­

тельнос сжижение водорода с целью выделения дейтерия и получения тяжслой воды.

· Наиболее экономичным методом выделения дейтерия является низ­

котемпературная ректификация жидкого водорода (степень извлечения дейтерия- 95%). Содержание дейтерии в водороде составляет 1 часть на 8000 частей.

При ректификации 6 · 106 т жидкого водорода может быть получено

950 т дейтерии или 8500 т тижелой воды.

Один грамм дейтерии по энергетическому потенциалу соответствует

6 т угли. Следовательно, энергетический потенциал получаемого дейте­

рия составляет 4,9 · 109 т у.т.jгод.

Потенциальная энергия дейтерия, извлекаемого из водорода, может в 23 раза превысить энергию угля, израсходованного энергогазохимиче­

ским комплексом.

1 н. у. - нормальные условия (273 К, 1 атм.).

Глава 11. Сырьевая и :JIIергетическая базы химической промышленности

319

Изложенная общая схема энерrогазохимического использования про­ мышленного потенциала углей Сибири иллюстрирует программу-макси­ мум, практической реализации которой должен предшествовать большой объем научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по со­ зданию новой техники и технологии, на что потребуются значительные

время и средства. Поэтому предусмотрена поэтапная реализация проrрам­

мы, под•шненная общей конечной задаче. В начале используется упро­ щенная схема, которая совершенствуется по мере разработки новых бо­ лее эффективных процессов и техники (рис. 11.14 а, б).

Для всех этапов реализации указанной программы общей конечной задачей явлнется использование фиксированного углерода канско-ачин­

скоrо углн (в виде полукокса) как бездымного топлива для производства

электроэнергии, а летучего органического вещества угля как исходного сы­

рья, способного заменить природвый газ и нефть в рюличных производствах. Энергохимическая переработка угля на базе МГД-электростанции. Схе­

ма энергохимической переработки угля на базе магнитагидродинамиче­

ской электростанции основана на использовании разработанного Крас­ нояреким государственным университетом и Инетитугам теоретической и прикладной механики Сибирского отделения РАН МГД-генератора. В этом МГД-генераторе применен новый физический эффект, по·зволя­ ющий работать на продуктах сгорании топлива без использовании легко­ ионизирующейсн добавки. Схема предусматривает одновременное про­

и·зводство электроэнергии и ценных химических продуктов, в частности

метанола и моторного топлива.

Рабочим телом М ГД-генератора (рис. 11.15) служит продукт сгорания оксида углерода в подогретом воздухе - диоксид углерода. Выходящая ~п М ГД-канала плазма диоксида углерода делится на два потока, каждый из которых поступает в циклонный газификатор. В перво~1 потоке происхо­

дят восстановление диоксида углерода на полукоксе до оксида углерода

и отделение жидкого шлака. Далее поток оксида углерода через системы очистки, теплообменники и компрессор поступает в камеру сгорания КС. При этом векоторая часть потока оксида углерода используется в каче­

стве источника теплоты для подогрева в кауперах воздуха и основного

потока топлива.

Во втором циклонном газификаторе поток отработанного газа юаи­

модействует с подсушенным углем и водиным паром, в результате чего

получастен СО-водородная смесь (с векоторой долей азота), служащая

исходным сырьем для химического производства.

Предварительная подготовка угля заключается в его осушении уходн­ щими газами: в цикл производства электроэнергии добавляется пиролиз

вкаталитическом генераторе теплоты с целью получения полукокса.

Всхеме отсутствуют парасиловые установки по производству элект­ роэнергии. Избыточное давление отработанных газов утиЛiпируетсн в га­ зовых турбинах.

Атомные энерrотехнолоrические установки. В России и за ру­

бежом уделяется большое внимание разработке схем атомных

320Раздел второй. ПромышленNые хuмuко-технологuческuе процессы

а1 РАБОЧИЙ УГОЛЬ 1

1ПЕРЕРАБОТКА НА ПОЛУКОКС'			, СМОЛУ И ГАЗ 1
Полукокс~		Смолаt		+Газ
Производство	~	Получение		~ Промы11Шенные	1
электроэнергии
в Сибири		сжэт	1	и бытовые нужды1
Передача
электроэf!ергии
в европен екую	Транспортирование
часть России
	сжэт
Производство	по железной дороге
	в европейскую
электроэнергии	часть России

в европейской •tасти России на действующих

электростанниях

б

Передача	Транспортиуован11е
электроэнергии
в европейскую	в европсиекую	Использование
часть России	часть России	в Сибири
Транспортирование СЖЭТ в европейскую часть rоссии

	Линейная nередача	Транспортирование
	электроэнергии		Использование
		в европейскую часть
	в европейскую
			в Сибири
		России по железной дороге
	часть России
	Транспортирование СЖЭТ
	по магистральн ым
	трубопроводам
	в европейскую часть России
		Водород
		Оксид угле ода

Совмещенный транспорт водорода, оксида утлерода и электроэнергии в регион КМА

Рис. 11.14. Схемы реализаuии программы <<Энергия>> на первом (а) и вто­

ром (б) этапах

Глава 1/. Сырьевая u :тергетuческая базы XU]nuчecкou промышленностu 321

Рис. 11.15. Принципиальная схема энергохимического комплекса на базе М ГД-электростанции:

МГДГ- МГД-гснсратор; ЦГциклонный генератор; КСкамера сгорания:

Ц- циклов; КГТкаталити•1еский генератор теnлоты; К- комnрессор; Т- газо­

вая турбина

энерготехнологических установок для ряда энергоемких произ­

водств на базе теплоты высокотемпературных ядерных реакторов, а также схем атомных станций дальнего теплоснабжения.

На базе ядерного реактора с температурой гелия 1223-1273 К могут быть созданы атомные энерготехнологические установки по

производству водорода, аммиака, синтез-газа, метанола и др., а так­

же для комплексного теплоэнергоснабжения предприятий химичес­ кой промышленности, черной металлургии и т. п. суммарной тепло­

вой мощностью в десятки тепловых гигаватт. Перспектива создания

атомных станций дальнего теплоснабжения и атомных маневрен­ ных установок с регенерацией энергоносителя на базе высокотем­

пературного ядерного реактора с гелиевым охлаждением также су­

щественно увеличивает возможные масштабы этого энергоносителя.

В химической промьаиленности наибольший интерес представ­

ляет использование теплоты высокотемпературных ядерных реак­

торов с гелиевым охлаждением в крупнотоннажных производствах

аммиака и метанола.

Схема совмещенного производства аммиака мощностью 3000 т/сут и метанола мощностью 1020 т/сут, разработанная Государствен­

ным инетитутом азотной промышленности, приведена на рис. ll.lб.

Природный газ подвергается паравой каталитической конверсии под давлением по каскадной схеме в трубчатой печи 4 с выводом

322 Раздел второй. Промышленные химико-технологические процессы

Продувочные газы синтеза метанола

на подогрев природного газа

Не

20

СН3ОН

Рис. 11.16. Принципиальная схема производства аммиака и метанола с диф­ фузионным выделением водорода на стадии конверсии метана:

1 - комnрессор nриродного газа; 2 - Iюдогреватель; 3 - сероочистка; 4 - труб­

чатая nечь; 5, 7, /3, 15, 21 - котлы-утилизаторы; 6 - диффузионные аnnараты ;

8- турбокомnрессор; 9 - турбина; 10 - установки синтеза аммиака; 11 - усти­

новка ризделения nродуво'IНЫХ газон; 12, 14 - установка конверсии СО; 16 - установка nропиленкарбонатной очистки; 17, 18 - компрессоры; 19 - агрс1·ат

синтеза метанола; 20- колонна для укреnления метанола

водорода из конвертированного газа через металлические водоро­

допроницаемые мембраны между ступенями конверсии. Водород

высокой чистоты после смешения его с азотом из хвостовых газов производства азотной кислоты используется как сырье для произ­

водства аммиака.

Азотоводародная смесь сжимается до 32,0 М Па в турбокомп­

рессоре 8 с приводам от паравой турбины 9. Непродиффундиро­

вавшие газы после третьего диффузионного аппарата используют­ ся как сырье для производства метанола. В реакторе 72 эти газы

подвергаются среднетемпературной конверсии оксида углерода,

после чего из газовой смеси выделяют водород в четвертом диф­ фузионном аппарате.

Непродиффундировавшие газы после четвертого диффузионно­

го аппарата подвергаются конверсии оставшегася метана в IV сту­

пени трубчатой печи. Удаление водорода и дозировка пара nеред

Глава 11. Сырьевая и энергетическая базы химической промышленности 323

конверсией метана способствуют более глубокому течению реак­

ции и уменьшению концентрации инертОfl, в частности остаточного

метана в свежем газе производства метанола. Конвертированный

газ после IV ступени трубчатой печи охлаждается в котле-утилиза­ торе 13 до температуры 723 К, после чего часть его подвергается среднетемпературной конверсии оксида углерода.

Газовая смесь проходит затем пропиленкарбонатную очистку

до содержания диоксида углерода в газе не более 6%. Водород из

четвертого диффузионного аппарата сжимается компрессором 18, а

газовая смесь - компрессором 17до давления 5,0-10,0 М Па и после

смешения направляются в агрегат синтеза метанола 19.

Продувочные газы синтеза метанола используются частично

в качестве топлива в подогревателе природного газа, а частично

возврашаются в трубчатую печь конверсии метана. Метанол-сы­ рец укрепляется в ректификационной колонне 20. Метанол-рек­

тификат используется в качестве продукта.

Необходимый для проведения технологических пронессов энер­ гетический пар давлением 10,4 МПа получают в системе котлов­ утилизаторов технологических газов, в блоке теплоиспользующей

аппаратуры трубчатой печи, а также в дополнительном котле. Га­

зовые компрессоры аммиачного и метанольнога производства при­

водятся в действие от пароных конденсационных турбин. Мас­ лонасосы и питательные насосы паровых котлов работают от

электродвигателей. Для покрытия эндотермического теплового

эффекта конверсии метана

СН4 + Н20 ----7 3Н2 + СО !',Н= 206,4 кДж/моль,

а также затрат теплоты на энергетические нужды используется теп­

лота высокотемпературного гелиевого ядерного реактора.

Эксергетический анализ данного процесса показал, что при температуре гелиевого теплоносителя 2083 К суммарный эксер­

гетический КПД процесса llжc = 0,757, при температуре 1473 К llжc = 0,823, а при 1223 К llэкс = 0,863, что более чем в 1,5 раза выше

по сравнению с традиционными замкнутыми схемами производ­

ства аммиака и метанола.

В нефтехимической промыuU/енности энергия высокотемпера­

турного ядерного реактора может быть эффективно использована

для проведения таких энергоемких процессов как крекинг, пиро­

лиз, гидроочистка, конверсия. Так, например, в атомном нефтепе­

рерабатывающем комплексе (рис. 11.17) под действием высокопо­

тенциальной теплоты в реакторе В при 1073 К происходит паровая

конверсия тяжелых нефтяных остатков, а в технологических аппара­

тах Б при температурах до 825 К протекают процессы первичной

324 Раздел второй. Промьииленные химико-технологические процессы

и вторичной переработки нефти с образованием моторных топ­ лив, тяжелых нефтяных остатков и сырья для нефтехимии.

Этот комплекс позволяет эффективно реализовать ряд техно­

логических проuессов с одновременным получением электроэнер­

гии, топлива, водорода и других uенных продуктов, в результате

чего будет раuионально использоваться как сама нефть, так и теп­

ловая энергия ядерного реактора.

Высокотемпературные ядерные реакторы с гелиевым охлажде­

нием могут широко использоваться для проведения радиаuионно­

термических лроuессов в нефтехимии. Уникальные возможности

в этом отношении представляют высокотемпературные газаохлаж­

даемые реакторы с шаровыми твэлами (тепловыделяющими эле­ ментами). В таких установках можно проводить радиаuионно-тер­

мический пиролиз для получения этилена.

	10
4	5	6

9

Jl

10

8

Рис. 11.17. Структурная схема атомного нефтеперерабатывающего комп­ лекса (сырье - сернистая нефть):

А - ядерный реактор; Б - технологические аnnараты nервичной и вторичной nереработки нефти; В - реактор паравой конверсии; Г- установка утилизации

сероводорода; Д - установка гидроочистки; Е - реактор конверсии метанола в бензин; Ж- реактор синтеза метанола; 3 - устанонка разделенин синтез-газа; nотоки: 1 - сыран нефть; 2 - тяжелыс нефтяные остатки: 3 - вода; 4 - светлыс

нефтеnродукты; 5 - очищенные от серы нефтеnродукты; 6 - нефтеnродукты на

нефтехимию; 7- моторное топлино; 8 - влажный синтез-газ; 9- водород; 10- серонодород; 11- синтез-газ; 12- серная кислота; 13- СН4+С02; 14- СО+Н2; 15- метанол; 16- бензин

Глава 11. Сырьевая и :щергетическая базы химической промыишенности 325

При переработке угля высокотемпературные реакторы с гелие­ вым теплоносителем удобны для получения жидких и газообраз­

ных синтетических топлив.

Газификация угля на базе теплоты атомного реактора позволит

снизить затраты на производство синтетических жидких топлив

на 5-I 0% и будет важным фактором улучшения экономических и

экологических показателей работы углеперсрабатывающих заводов.

Создание ядерных энерготехнологических комплексов, пред­ назначенных для выработки электроэнергии и газификации угля с целью получения вторичных энергоресурсов (водород, метан

идр.), позволяет также решить проблему комплексного энерго­

итеплоснабжения крупных промышленных центров. Принципиальная схема такого комплекса приведсна на рис. 11.18.

Теплота, полученная в ядерном реакторе /, подводится через про­ межуточный контур с теплообменником 11 к газификатору 2 и па­

рогенератору 10 турбины 9. Газифицируют уголь водяным паром,

подаваемым из отбора турбины. Предварительный подогрев угля и водяного пара происходит в генераторе J. После охлаждения и очистки продуктов газификации в системе 5 горючие газы (Н2, СО, СН4) направляются компрессором 4 в район потребления, где

установлен реактор-метанатор 6. Метанираванне может осуществ­

ляться при температурах, целесообразных для обеспечения нужд

Рис. 11.18. Структурная схема ядерного комплекса, предназначенного для выработки электроэнергии и теплогазоснабжения:

1- ядерный реактор; 2 - газификатор; 3, 8 - генераторы; 4- компрессор; 5, 7- системы очистки газов; 6 - реактор-метанатор; 9 - турбина; !О- парогенератор; 11 - теплообменник промежуточного контура

326 Раздел второй. Промыишенные химико-технологические процессы

бытовых и технологических тепловых потребителей. Подогревают

исходные продукты теплотой, выделнющейся при реакции обра­

зования метана в генераторе 8. Метан после охлаждения и очистки

в системе 7 направляется потребителям.

В промышленности строительных материалов теплота атомного

реактора может быть использована для проведения эндотермиче­

ского процесса диссоциации карбонатов (рис. 1.19) при темпера­ туре 1173 К в соответствии с реакцией

СаС03 ----7 СаО + СО2 t:,.H = 173,5 кДжjмоль.

В черной металлургии возможно использование высокотемпе­

ратурной теплоты ядерных реакторов для получения железа в про­

цессе прямого восстановления оксидов и развития порошковой

металлургии.

Возможно создание радиационно безопасных, надежных в эк­ сплуатации и экономически эффективных атомных источников

теплоснабжения на базе освоенных низко- и среднетемпературных энергетических реакторов. Такие источники теплоснабжения эко­

номически могут конкурировать с источниками централизованно­

го теплоснабжения на органическом топливе при присоединенных

тепловых нагрузках 1,2-1 ,8 ГВт и выше. Атомнос теплоснабжен ие будет развиваться по пути внедрения атомных станций теплоснаб­ жения для производства горячей воды; атомных теплоэлектроцен­

тралей , где выработка теплоты сочетается с производством элект­

роэнергии ; атомных станций промышленного теплоснабжения для

производства горячей воды и пара.

Наряду с созданием таких атом ных источников теплоснабже­

ния необходима разработка новых типов энергоисточников и сис­ тем теплоснабжения, основанных на хемотермических системах

дальней передачи теплоты (рис. 11.20).

Хемотсрмический способ передачи теплоты основан на соче­ тании эндотермической химической реакции в месте производет­

Ба энергии, транспортировке теплоты холодным энергоносителем

в химически связанном состоянии и обратной экзотермической

реакции в месте потребления. Имеется довольно большое число

циклов аккумулирования и передачи теплоты, наиболее перспектив­

ным из которых признан цикл паровой конверсии метана и гид­

рирова ния оксида углерода по уравнению

СН4 + нр р СО+ 3Н2 t:,.H = 206,4 кДж/моль.

Энергоисточником для такой системы служит высокотем­

пературный ядерный реактор /, тепловая энергия которого ис­

пользуется для осуществления каталитической конверсии метана

Глава 11. Сырьевая и энергетическая базы химической про.мышленности

327

ll

Рис. 11.19. Структурная схема низкотемпературной диссоциации карбо­ натов в специальных средах (Н 2, Н 20) с использованием теплоты высоко­

температурного ядерного реактора с гелиевым охлаждением:

1- nодогреватель сырья; 2 - высокотемnературный атомный реактор; 3 - энер­ гоустановка; 4 - охладитель nродукта; 5 - апnарат доnолнительной термообра­ ботки; 6 - апnарат низкотемnературной диссоuиаuии; 7 - регенератор среды

диссониаuии; 8 - отделитель; 1 - сырье; II - готовый nродукт; 1!1 - среда дис­ соuиаuии; IV- гелий; V- электроэнергия

4

1

Теплоаккумулирующая	Тепловыделяющая и тепло­
часть	использующая части

Рис. 11.20. Структурная схема атомной хемотерми'Iеской системы даль­

него теплоснабжения:

1 - высокотемпературный ядерный реактор; 2 - реактор конверсии ме­

тана; 3, 5, 6 - теплообменники; 4 - метанатор

328 Раздел второй. Промышленные химико-технологические процессы

в конверторе 2. Полученный конвертированный газ, состоящий

из водорода и оксида углерода, транспортируется по газопроводам

к центрам потребления теплоты, где в специальных установках­ метанаторах 4 происходит каталитическая реакция синтеза метана

из конвертированного газа , сопровождающаяся выделением теп­

лоты температурой 675-975 К.

После охлаждения метан возвращается на конверсионный центр,

а выделившаяся при этом вода может либо использована на месте, либо также возвращена на конверсионный центр. В теплоаккуму­

лирующей части (рис. 11.21) осуществляется паровая каталитическая

конверсия подводом теплоты высокотемпературного ядерного реак­

тора с гелиевым теплоносителем; производство технологического

конверсию

Конвертированный

газ

Рис. 11.21. Принuипиальная схема теплоаккумулирующей части атомной станции дальнего теплоснабжения:

1 - высокотемпературный	ядерный реактор; 2 -	конвертор; 3, 4, 5, 6, 7, 10 -
теплообменники; 8 - воздушный конденсатор; 9 -		сепаратор
Конвертированный газ	Пар или горячая вода

Рис. ll.22. Принuипиальная схема тепловыделяющей и теплоиспользую­ щей частей атомной станции дальнего теплоснабжения:

/ , 4, б - метанаторы; 2, 3, 5, 7 - теплообменники; 8 - воздушный конденсатор;

9 - сепаратор

Глава 11. Сырьевая u энергетическая базы xu.мuчecкoil промышлепностu 329

пара, необходимого для проведения процесса конверсии; пред­ варительный подогрев газовой и парагазовой смеси, поступающей на конверсию; охлаждение газа и конденсация избытка пара.

Смесь, содержащая примерно 95% СН4, 1% С02 и 4% Н2, пред­

варительно подогревается в теплообменнике 5 до температуры 573 К за счет утилизации теплоты конвертированного газа и сме­

шивается в необходимом соотношении с перегретым паром. Па­

рогазовая смесь догревается в теплообменниках 4-6 до температуры начала реакции (приблизительно 875 К) и поступает в конвер­ тор 2. Необходимый для осуществления конверсии технологиче­

ский пар генерируется частично вследствие утилизации теплоты

конвертированного газа в теплообменниках 3 и 7, частично в ре­ зультате подвода в теплообменник 10 теплоты от высокотемпера­ турного ядерного реактора 1.

Принципиальная схема установки метанирования, выделения и использования теплоты (тепловыделяющей и теплоиспользую­ щей частей атомной станции дальнего теплоснабжения) приведс­ на на рис. 11.22.

В зависимости от способа организации процесса метанирова­ ния (количества ступеней метанирования и объема рециркулируе­ мого газа) верхняя температура теплоты, производимой в метана­

торах 1, 4 и 6, может изменяться от 675 до 875-975 К, что позволяет

осуществлять как нагрев в теплообменниках 3, 5 и 7 сетевой воды

или производство технологического пара, так и генерацию энерге­

тического пара необходимых параметров.

Достоинства транспортировки теплоты в химически связанном

состоянии по сравнению с транспортировкой в виде горячей воды проявляются: 1) в снижении металлоемкости теплопередающей системы на единицу передаваемой теплоты; 2) в отсутствии потерь при транспортировке и необходимости теплоизоляции трубопро­

водов. Это позволяет увеличить дальность передачи теплоты. Применение атомных станций дальнего теплоснабжения по­

зволит существенно расширить области использования атомных

источников теплоснабжения в сфере промышленного и комму­

нально-бытового теплоснабжения и вытеснить из топливно-энер­ гетического баланса значительный объем дефицитного газомазут­

нога топлива.

Атомная энергетика не связана с наличием или отсутствием

запасов полезных ископаемых, поэтому в прогнозах на будущее ей

отводится определенное место. Однако ее развитие немыслимо без

существенного улучшения радиационной защиты, повышения на­ дежности и кардинального решения задач охраны окружаюшей

среды при эксплуатации атомных установок.

330 Раздел второй. ПромыuLЛенные химико-технологические процессы

Вопросы для nовторения и самостоятельной nроработки

1.По каким признакам классифицируют сырье химической промышленности?

2.Что такое вторичные материальные ресурсы?

3.С какой целью проводится комплексная лереработка сырья?

4.Что такое обогащение сырья и зачем его выполняют?

5. Для каких целей используются в химической технологии вода

ивоздух?

6.Что такое кругооборот воды в природе и каковы его основные элементы?

7.По каким признакам классифицируют природные воды?

8.По каким покюателям определяют качество воды?

9.Составьте схему очистки природной воды.

10.Какова роль тоnлива и энергии в проведении технологических

процессов?

J1. Каковы основные виды энергетических ресурсов? Какие из них нвляются наиболее перспективными?

12. Персчислите возобновляемыеиневозобновляемые энергетические

ресурсы.

13.Что такое вторичные энергетические ресурсы? Как их классифи­ uируют по виду энергии? Какова роль вторичных энергетических ресур­ сов в экономии топлива и энергии?

14.К<'lкие способы применяют для эффективного использования вто­ ричных энергетических ресурсов, в том числе и для получения холода?

15.Персчислите альтернативные способы получения энергии после

исчерпанин горючих ископаемых.

16.В чем состоит сущность энерготехнологии?

17.Составьте схемы использования твердых, жидких и газообразных

видов топлива .

18.Приведите примеры использов<'!н ия в энерготехнологических сис­

тем<'!х теплоты химических реакuий.

19.Приведите примеры исnользован ия в энерготехнологических сис­

темах теплоты ядерных реакторов.

20.В чем заключается хемотермический метод передачи энергии на дальние расстояния?

21.Сформулируйте основные направления повышения эффективнос­

ти испол ьзования сырьевых и топливных энергетических ресурсов.

Глава 12

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Охрана окружающей среды - это комплексная система меро­

приятий , направленных на сохранение, рациональное использова­

ние и воспроизводство природных ресурсов, в том числе на сбере­ жение видового многообразия (генофонда) флоры и фауны Земли,

Глава /2. Химическая технология и охрана oкpy.жaюUJ,eil среды

331

ее недр, водных ресурсов, атмосферного воздуха и, следовательно,

на сохранение природных условий развития человеческого общества.

С середины ХХ в. воздействие человека на природу (антропо­

генный пресс), включая загрязнение таких жизненно важных для

человека природных ресурсов, как атмосферный воздух, пресная

вода и плодородная почва, запасы которых на планете ограниче­

ны, приобретает глобальный характер. Ежегодно из недр Земли

извлекается более 100 млрд т различных пород, топлива и выбра­ сываются в атмосферу сотни миллионов тонн оксидов углерода,

азота и серы, более 400 млн т твердых частиц золы, сажи и пыли; сбрасывается в гидросферу около 600 млрд т промышленных и

бытовых стоков, почти 1О млн т нефти и нефтепродуктов; на раз­ бавление сточных вод расходуется 40% объема мировых ресурсов устойчивого речного стока; вносится в почву почти 100 млн т ми­

неральных удобрений. В биосферу поступает до 50% извлеченных из недр металлов, 30% химического сырья, 67% теплоты, выраба­ тываемой электростанциями. Ежегодно создаются сотни тыся•1 тонн не Встречавшихея ранее в биосфере химических соединений,

многие из которых не поддаются биологическому и физическому

разрушению.

Происходят значительные спонтанные изменения в атмосфе­

ре, почве, воде, растительном и животном мире, а также во взаи­

мосвязях между ними. Загрязнение биосферы разрушительно дейст­ вует на ход биогеценотического и генетического процессов даже вдали от очагов непосредственного загрязнения. Масштабы загряз­

нения биосферы столь велики, что естественные процессы мета­

болизма и разбавляющая способность атмосферы и гидросферы в ряде районов мира не в состоянии нейтрализовать вредное влия­ ние хозяйственной деятельности человека. Вследствие загрязнения биосферы нарушаются сложившисся в ходе длительной эволюции природные системы и связи в биосфере, подрывается способность природных комплексов к саморегуляции. Экологические наруше­

ния проявляются в сокращении численности и видового разнооб­

разия растений и животных, в снижении продуктивности рек, озер

и морей, лесов и сельскохозяйственных угодий, деградации эка­

систем.

Состояние водных ресурсов, особенно в европейской части России, не соответствует санитарно-гигиеническим нормам. Вод­

ные источники загрязнены различными нефтепродуктами, соеди­ нениями биогенных элементовазота, фосфора, синтетическими поверхностно-активными веществами, углеводородами, фенолами, соединениями тяжелых металлов, хлоридами, сульфатами, ядохи­

микатами, пестицидами и т. п.

332 Раздел второй. Промытлепные хuмuко-технологuческuе nр01~ессы

Хотя сброс загрязненных сточных вод в России в 1990-е годы

ежегодно сокращался из-за снижения валового внутреннего про­

дукта, объемы загрязненных сточных вод в поверхностных водое­

мах крайне велики (например, в 1996 г.- примерно 22 500 млн м3 , из которых промышленные стоки составляли почти 7500 млн м3).

В общей доле загрязненных стоков доля химической и нефтехи­

мической промышленности составляет 21 ,4%, деревообрабаты­

вающей и целлюлозно-бумажной - 19,4%, энергетики - 14,4%,

машиностроения - 8,3%. В хранилищах-накопителях, на поли­

гонах; свалках и других учтенных м естах захоронения сосредото­

чено 1,4 млрд т токсичных отходов, занимающих площади более

1,5 млрд тыс. км2 , причем только 80% этих площадей соответству­

ют действуюшим нормам .

Крайне опасным с непредсказуемым воздействием на окружа­

ющую среду является смешение различных токсичных отходов и их

совместное хранение. В этих случаях образуются сотни промежу­

точных и конечных продуктов в зависимости от внешних факто­

ров: температуры, концентрации веществ, их растворимости, рН растворов, которые не являются традиционным объектом сани­

тарной службы. Объем образующихся за год токсичных отходов на предприятиях страны в 1,6 раза превышает объем используемых

и обезвреживаемых отходов.

Из-за несовершенства технологических процессов предприя­ тий микробиологической промышленности возможно загрязнение окружаюшей среды жизнеспособными микроорганизмами и про­

дуктами их жизнедеятельности. Высокая токсичность продуктов

микробиологического синтеза, а также опасность возникновения

заболеваний аллергенной этиологии ставят задачи по усовершен­

ствованию технологических процессов и снижению загрязнения

среды (вплоть до полной ликвидации всех специфичных выбросов). Экологическая напряженность нарастает также из-за неэффек­

тивного использования природных ресурсов. Ежегодно в России теряется 14% добытого угля, 28 % хромовой руды , 8% медной руды, 61 % калийных солей, почти половина поваренной соли, 14% гип­ са. Из :жсплуатируемых пластов извлекается всего 30% нефти ,

потери древесины доходят до 20% вырубки, сельскохозяйственной

продукцииот 20 до 40%.

Охрана природы и рациональное использование природных

ресурсов в условиях быстрого развития промышленности, транс­

порта, сельского хозяйства являются одной из важнейших го­ сударственных задач. Охрана окружающей среды обеспечивает экологическую безопасность - важнейшую составную часть на­

циональной безопасности России .

Глава /2. Хи.мическая технология и охрана окру.>1сшощеu среды

333

Основные принципы сохранения окружающей среды и ее ус­ тойчивого развития определены Конституцией Российской Феде­ рации. Однако радикальные рыночные реформы и различные эко­

номические кризисы, произошедшие за прошедшее десятилетие

в России, привели к разбалансированию процессов управления

и контроля в сфере охраны окружающей среды и рационального

природопользования, способствовали противопоставлению эконо­

мических интересов экологическим.

В число главных задач охраны природы и рационального ис­

пользования природных ресурсов входят:

комплексное управление природаохранной деятельностью в

стране, разработка и проведение единой научно-технической по­

литики в охране природы и рациональном использовании при­

родных ресурсов;

государственный контроль за использованием и охраной земель, поверхностных и подземных вод, атмосферного воздуха, растительного (в том числе лесов) и животного (в том числе рыб­ ных запасов) мира, морской среды и природных ресурсов тер­

риториальных вод, континентального шельфа и экономической зоны России, а также общераспространенных полезных иско­

паемых.

Особое внимание обращается на необходимость разработки

и внедрения процессов, обеспечивающих резкое сокращение по­

терь полезных ископаемых при их добыче и переработке, созда­ ния технологических схем и оборудования, снижающих вредные

выбросы, оснащения всех источников вредных выбросов очист­ ным оборудованием, сокращения как минимум до установленных предельных норм выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, водные объекты и почву.

Значительное место в реализации защитных мероприятий по

охране окружающей среды принадлежит современной технологии очистки и утилизации всех выбросов и отходов.

Разрабатываются замкнутые системы водопотребления, мало­

отходные технологические процессы и безотходные производства,

системы водо-, пыле- и газоочистки, процессы использования

твердых, жидких и газообразных отходов в качестве вторичного

сырья. Методы химической технологии широко применяют для

охраны биосферы в черной и цветной металлургии, ядерной энер­

гетике, нефтехимической, электронной и других отраслях народ­ ного хозяйства.

Существенным является также производство продукции, пред­

назначенной для охраны окружающей среды. Это, в первую оче­ редь, активные угли и другие адсорбенты, коагулянты, флокулянты,

334 Разdел второй. Промыuшенные хш1ико-технологuческие процессы

флотореагенты, катализаторы, ионаобменные смолы, различные

фильтры, термо- и химически стойкие материалы и ткани, нейт­

рализующие добавки (щелочи, кислоты, известь и известковое молоко, кальцинированная сода) и иные реагенты и материалы,

необходимые для очистки промышленных выбросов и стоков от

добычи и обогашения полезных ископаемых, в гидрометаллургии и других технологических процессах. Например, насадки фильт­

рующих устройств для очистки отходящих газов изготовляют из

полиэтилена, пропилена, пенополиуретанов и т. п. При темпера­

туре отходящих газов до 393 К применяется лавсан, до 473 К­

полиамидные волокна (оксалон, финилон), до 573 К- стеклово­

локна. В агрессивных средах используются материалы на основе фторсодержащих волокон (тефлон, полифен). Одним из перспек­

тивных направлений работы по очистке сточных вод и газовых

выбросов является широкое внедрение мембранных методов.

Вопросы охраны природы - важное направление междуна­

родного сотрудничества. В 1948 г. создан Международный союз охраны природы и природных ресурсов. В 1972 г. Стокгольмекая

конференция ООН наметила общие принципы в области охраны

природы; 28-я сессия Генеральной Ассамблеи ООН учредила «Программу ООН по окружающие среде>> (ЮНЕП). С 1971 г. ЮНЕСКО осуществляет программу «Человек и биосфера». В 1979 г. МСОП (Международный Союз охраны природы и при­ родных ресурсов) совместно с ЮНЕП и Всемирным фондом ди­ кой природы выработал <<Всемирную стратегию охраны природы>>. В 1981 г. Генеральная Ассамблея ООН по инициативе СССР при­ няла резолюцию <<Об исторической ответственности государств за сохранение природы Земли для нынешних и будущих поко­

лений>>.

Конференция ООН по окружающей среде и развитию, состо­

явшаяся в июне 1992 г. в Рио-де-Жанейро на уровне глав госу­ дарств и правительств, констатировала, что на пороге XXI в. гло­ бальные изменения в окружающей среде и слишком большое

экономическое неравенство между различными странами и внут­

ри стран достигли уровня, который с учетом взрывоопасного рос­

та численности населения мира заставил человечество осознать,

что цивилизации на планете грозит катастрофа. Предыдущий путь

развития не может быть продолжен далее, и человечество должно

принять новую парадигму будущего развития цивилизации. Но­ вый путь развития предполагает достижение необходимого балан­

са между социально-экономическим прогреесом и сохранением

природы. В качестве основы такой парадигмы конференция ООН

предложила концепцию устойчивого развития.