Реферат на тему:
Системи технологій і екологічні проблеми хімічної промисловості
Хімізація економіки й екологічні проблеми
На підставі матеріалу із попередніх розділів можемо дійти висновку, що
більшість процесів біосфери і технологій виробництва, а також
забруднення навколишнього середовища — хімічні. Отже, природні закони
перетворення речовини — це відомі нам закони хімії, досконале знання
яких — ключ до раціонального використання природних ресурсів на потребу
людині. Завдяки пізнанню законів перетворення речовини людина створює
нові матеріали, добрива, синтезує біологічно активні препарати.
Хімізація народного господарства є характерною рисою сучасної економіки
й науково-технічного прогресу. Водночас недостатньо збалансоване
багатотоннажне виробництво і неконтрольоване застосування хімічних
речовин у сільському господарстві й побуті стає небезпечним для здоров’я
людей.
Хімічне виробництво нині об’єднує понад два десятки галузей
промисловості: азотної, хлорної, содової, фосфорної, основної, калійної,
йодобромної, органічних барвників, важкого органічного синтезу,
хімічного й синтетичного волокна, пластичних мас, каучуку, товарів
побутової хімії.
Нагадаємо деякі особливості хімічного виробництва. По-перше, це висока
токсичність і шкідливість для здоров’я людини відходів виробництва за
відносно невеликих концентрацій у навколишньому середовищі.
По-друге, це велика потреба у дефіцитній прісній воді. Її витрати
становлять, наприклад, на 1 t аміаку 800 … 1000 m3, каучуку й гуми —
2400 m3, капролактаму — 5000 m3. Сучасні заводи пластмас або
синтетичного каучуку використовують стільки води, скільки її потрібно
для міста з населенням 0,5 … 1 млн людей.
По-третє, стоки хімічних підприємств потребують більш ніж десятикратного
розведення чистою водою, оскільки токсичні речовини в них за певних
концентрацій згубні для рослинного і тваринного світу річок та водоймищ.
Крім шкідливих для природи і людини безпосередніх відходів хімічної
промисловості, дуже небезпечним є те, що хімія синтезує неприродні
сполуки, котрі є або надзвичайно стійкими, через що не включаються в
природний кругообіг речовини (пластмаси), або надзвичайно активними щодо
зміни процесів живої природи (дефоліанти, гербіциди, інсектициди).
Перші у вигляді відходів (пляшки, банки, пакети) надовго забруднюють
навколишнє середовище, а другі, накопичуючись у рослинах і тваринах,
якими харчується людина, згубно діють на її здоров’я.
Збільшення використання добрив і пестицидів у сільському господарстві
зумовило їх постійне надходження з поверхневими стоками у водоймища.
Крім шкоди, якої завдають добрива, про що вже згадувалося раніше, деякі
пестициди в умовах водоймищ набувають особливо небезпечних властивостей.
Так, фосфороорганічні інсектициди, наприклад, хлорофос, структурна
формула якого
збільшують свою токсичність у воді в кількадесят разів.
Великої шкоди річкам, озерам і штучним водоймищам завдають синтетичні
мийні засоби, які потрапляють у них разом з промисловими й побутовими
стічними водами. Вода таких водоймищ не тільки сама стає непридатною для
вживання в побуті, а й забруднює водоносні горизонти артезіанських
джерел. Потужним джерелом забруднення атмосфери є сучасна азотна
промисловість, продуктами якої є аміак (NН3), азотна кислота (НNО3) та
азотні добрива — аміачна селітра (NН4NО3) і карбамід (СО(NН2)2). Навколо
деяких комбінатів (часто вже за 3 … 5 km) концентрація аміаку в повітрі
значно перебільшує допустимі норми, а з високої труби і вдень, і вночі
стелеться червоно-жовтий шлейф диму — «лисячий хвіст» з оксидів азоту
(NО, NО2).
Виробництво полімерних матеріалів (каучуку, волокон, пластмас) також
характеризується значними викидами в атмосферу цілої низки дуже
шкідливих речовин: ціанідів — солей синильної кислоти (МеСN, де Ме —
одновалентний метал), фосгену (дихлориду вуглецевої кислоти СОСl2),
хлориду водню (НСl), бензолу (С6Н6), дивінілу (СН2—СН=СН—СН2),
циклогексану (С6Н12), хлоропрену (СН2—СН=ССl—СН2) та ін.
Викиди хімічних речовин поширюються по всій планеті. У гірських снігах і
льодовиках Європи за останні 30 років вміст окремих шкідливих хімічних
речовин збільшився в середньому у 100 разів. Пестициди знаходять нині
навіть в Антарктиді. Великої господарської шкоди завдають так звані
кислотні дощі — результат викиду кислотоутворюючих оксидів, про які
згадувалось у попередніх розділах. Сотні озер у Канаді, Скандинавії і в
нашій країні вимерли — в них прозора вода, але життя там нема.
Матеріальний баланс технологій
виробництва добрив і токсичні відходи
Виробництво добрив є однією з найважливіших галузей сучасної хімічної
промисловості. Як уже зазначалося вище, сільськогосподарські рослини,
наприклад зернові, за вегетаційний сезон на кожну тонну зерна виносять з
грунту десятки кілограмів азоту, фосфору, калію та інших хімічних
елементів. Щоб компенсувати їх вміст у грунті для нового врожаю, у
сучасному індустріальному сільському господарстві широко застосовують
мінеральні добрива — продукт хімічної переробки мінеральної сировини. До
найважливіших мінеральних добрив належать фосфорні, з яких найбільш
поширений — суперфосфат, азотні — селітри натрію й амонію, карбамід та
калійні — хлорид калію.
Звичайно в земній корі міститься багато фосфоровмісних сполук,
наприклад, фосфоритів і апатитів, а в атмосфері повітря — понад 76%
молекулярного азоту, але рослини можуть споживати ці елементи тільки з
водорозчинних солей. Завдання виробництва добрив саме і полягає в тім,
щоб перевести «зв’язані» елементи фосфору чи азоту з природних речовин у
водорозчинні солі. Світове виробництво добрив становить до кількасот
мільйонів тонн щороку.
А які відходи цього виробництва? Розглянемо деякі приклади.
Великого техногенного навантаження зазнає місцевість навколо хімічних
комбінатів з виробництва фосфорних добрив. Наприклад, одним із
багатотоннажних відходів таких добрив є фосфогіпс (CaSO4 ( 2 H2O +
Н3РО4), який утворюється за виробництва фосфорної кислоти відповідно до
реакції:
.
Гіпс відокремлюють фільтруванням, а одержана фосфорна кислота
спрямовується на виробництво подвійного суперфосфату:
.
(суперфосфат)
Із наведених рівнянь випливає, що на кожний моль суперфосфату припадає 2
моля фосфогіпсу, відтак на 1t суперфосфату вихід гіпсу становить:
40 + 2 ( (2 + 31 + 4 ( 16) = 234 — 2 ( (40 + 32 + 4 ( 16) = 272
гіпсу.
Виробництво суперфосфату в деякі роки на Україні становило близько 10
млн t. Отже, багатомільйонні відходи гіпсу, насичені сірчаною кислотою,
ставлять складну екологічну проблему перед сучасним виробництвом
фосфорних добрив.
2NH3 + 92 kJ, але саме вона є прикладом того, як людство завдяки
науковому пошуку вирішує сучасні глобальні проблеми.
До початку першої світової війни основним азотним добривом була натрієва
селітра (NаNО3), природні поклади якої є обмеженими. Основну масу
натрієвої селітри завозили у Європу з Південної Америки, з Чилі, завдяки
чому вона більш відома під назвою «чилійська селітра». Звичайно,
доставка селітри з-за океану збільшувала її ціну, що негативно впливало
на рівень економічної ефективності її застосування в сільському
господарстві та промисловості. Додамо, що в ті часи натрієва селітра
широко застосовувалась для виробництва азотної кислоти (за реакцією
NаNО3 + H2SO4 = 2HNO3 + Na2SO4), яка, у свою чергу, використовувалась у
процесі виготовлення пороху й вибухівки.
n
p
gd?:e
j$
??
інших продуктів коксування досягається пропусканням коксового газу
через воду. Така вода одержала назву «аміачна вода» і знайшла
застосування як перше азотне добриво хімічного виробництва. Нагріванням
аміачної води з вапном аміак можна було виділити в чистому вигляді як
газ, що й було єдиним промисловим методом його одержання до початку ХХ
ст.
Обмежені запаси природної селітри й незначні потужності аміачного
виробництва коксохімічної технології спонукали науковців і виробничників
до інтенсивних пошуків економічно ефективніших промислових методів
одержання аміаку, який уже був відомий як хімічно активна і зручна
сполука для її використання в різних хімічних процесах виробництва
добрив, барвників і військової продукції (пороху, динаміту,
тринітротолуолу).
Початок першої світової війни значно загострив потреби в азотній
кислоті, яка була особливо необхідною Німеччині, блокованій Антантою.
Німецькі хіміки Фріц Габер і Карл Бош завершили багаторічні пошуки
видатних хіміків свого часу — здійснили синтез аміаку за тією простою
реакцією, з якої ми почали цю тему. Але це не було просто. Треба було
визначити термодинамічні умови перебігу реакції і знайти відповідні
параметри процесу і каталізатори.
Свідченням значення цього видатного науково-технічного досягнення для
прогресу цивілізації є визнання його вченим світом — Ф. Габер і К. Бош
були удостоєні Нобелівської премії. Принципи технології синтезу аміаку,
розроблені цими вченими, не змінилися до нашого часу в системі
технологій отримання азотних добрив й описані в кожному підручнику з
хімії. Значно змінилися апаратурне оформлення і параметри процесу.
У сучасному технологічному процесі синтезу аміаку найчастіше тиск у
системі підтримують близьким до 30 МРа, а температуру 400 … 500°С. У
зв’язку з високими тиском і температурою конструювання й виготовлення
апарата синтезу аміаку становить складну проблему.
Перші апарати — колони синтезу виготовляли із стальних заготовок у
Німеччині після першої світової війни на військових заводах Круппа за
такою технологією, як і для крупнокаліберних гарматних стволів. З часом
розміри колон збільшувались і змінювалась технологія їх виготовлення.
Сучасна колона синтезу — це великогабаритний апарат каталітичного
синтезу аміаку безперервної дії (рис. 62). Унизу до колони надходить
азотно-воднева суміш, а згори виходять продукти реакції — аміак (близько
20%) і вихідні реагенти (Н2 і N2), які не прореагували. Після
відокремлення аміаку водень і азот знову повертаються в колону синтезу.
Технічна характеристика
Виробництво за добу, t 1360
Внутрішній діаметр, мм:
корпусу колони 2400
теплообмінника 1000
Робочий тиск, kgs/sm2 32
Максимально допустима температура
стінки корпусу, (С 250
Внутрішній об’єм корпусу, м2 96,6
Загальна висота колони, мм 31450
Маса оснащеної колони, t 510
Колона синтезу аміаку:
1 — теплообмінник;
2 — верхнє днище колони;
3 — рулоновані блоки центральної обичайки корпусу;
4 — внутрішня насадка з каталізатором;
5 — нижнє днище колони;
6 — вхідний штуцер;
7 — вихідний штуцер
Опрацьовуючи наведені далі розрахунки матеріальних потоків і
матеріального балансу, користуйтесь методикою аналогічних розрахунків з
попередніх розділів: 1.2.3 (стехіометрія) та 3.2.1 і 3.2.2.
Обчислення матеріального балансу
основних стадій процесу синтезу 1 t аміаку
2 NH3;
молярні маси: 28 3 ( 2 = 6 2 ( (14 + 3) = 34;
становитиме: 820 kg : 1,25 kg/m3 = = 656 m3, де 1,25 kg/m3 — густина
азоту за н. у.
;
;
Добування N2 для синтезу 1 t NH3.
визначимо з умови, що вміст N2 у повітрі становить 75 % (об’ємних
разом з інертним газом).
або за масою: 830 m3 (
. Як побічний продукт матимемо: О2 : 1,07 – 0,82 = 0,25 або за об’ємом:
води. При цьому матимемо як побічний продукт кисень:
кисню.
Матеріальний баланс процесу:
Надходить Отримуємо
kg %
kg %
Повітря 1070 40 Аміак 1000 40
Вода 1620 60 Кисень з повітря 250 77
Кисень з води 1440 53
Усього 2690 100 Усього 2690 100
Схему матеріальних потоків синтезу аміаку показано на рис. 63.
Рис. 63. Схема матеріальних потоків і відходів
виробництва аміаку
Зважаючи на високу ціну електроенергії, у сучасному виробництві аміаку
водень отримують не електролізом, а конверсією природного або коксового
газу на нікелевому каталізаторі за реакцією:
.
Дальша очистка водню від шкідливих домішок сірковмісних сполук, які не
беруть участі в реакції, зв’язана з певними проблемами
еколого-економічного характеру.
Іншим видом багатотоннажних відходів хімічної промисловості є водні
суспензії хлоридів кальцію і натрію у виробництві соди, які
накопичуються в так званих «білих морях» (див. 3.1.2).
Гази (SO2, NmOn, NH3, Cl2), пил і токсичні органічні речовини хімічних
заводів з дощем утворюють стійкі сполуки з компонентами грунту, знижуючи
його продуктивність. Значною мірою це залежить від складу грунтів:
перегній і вапно (СаО) помітно нейтралізують шкідливий вплив хімічних
відходів, а глини накопичують токсичні речовини. Виявлено, що такі
грунти можуть згодом проявлятись як десорбери токсичних речовин,
отруюючи сільськогосподарську продукцію і тварин.
Насамкінець спинімося ще на одній екологічній проблемі, зв’язаній з
хімічною промисловістю, — руйнуванні озонового шару атмосфери. Схему
утворення озону (О3) див. у (2.1.2), а його руйнування за даними
сучасної науки можливе завдяки викидам в атмосферу хлору, фтору й
оксидів азоту. За наявності цих сполук в атмосфері можливе руйнування
озону через реакції фотодисоціації:
O + O3 O2 + O2; (сумарна реакція)
Багаторазове повторення таких циклів призводить до порушення рівноваги
між природними процесами утворення і руйнування озону в атмосфері.
Розрахунки, зроблені за допомогою математичного моделювання, дають змогу
прогнозувати, що в останнє десятиліття ХХ ст., якщо викиди фреонів не
збільшуватимуться, а концентрація монооксиду азоту (NO) буде близькою до
0,2 %, то кількість озону на висоті
10 km збільшиться на 25 %, а на висоті 40 km зменшиться на 40%.
Слід зазначити, що наукове обгрунтування явищ зміни концентрації озону в
атмосфері сьогодні є скоріше гіпотетичним. Експериментальні
спостереження свідчать, що в районах, які майже не зазнають
антропогенного навантаження, концентрація озону становить 60—130 mg/m3,
а у великих індустріальних регіонах улітку може досягати 300—400 mg/m3 і
навіть за виникнення смогу (див. рис. 27) 1000 mg/m3 . Збільшення
концентрації озону в тропосфері в 2 рази призводить до підвищення
середньої температури приземного шару повітря на 0,7(С, що може
спричинятись до несприятливих змін клімату.
Зрозуміло, що причини згубного впливу хімічної промисловості на природу
передовсім зумовлюються недосконалістю технологій, бажанням якнайбільше
і якнайшвидше взяти від природи необхідне, не заплативши їй відповідної
ціни. За раціональної організації виробництва, запровадження технологій
знешкодження відходів, замкненої системи водозабезпечення і
автоматизованого контролю, хімічне виробництво може бути не тільки
збалансованим з природними процесами, а й сприяти вирішенню екологічних
проблем інших галузей економіки. Але це вже тема наступного розділу.
Література
Колотило Д. М. К 61 Екологія і економіка: Навч. посібник. — К.: КНЕУ,
1999.
СН3О
СН3О
О
ОН
Р
СН
ССl3
H2 + N2
1
2
3
4
5
6
7
2,4 м
31,5 м
NH3
Виділення N2 з повітря
Електроліз Н2О
Н2О = 2Н + + О 2 –
Синтез аміаку
N2 + 3 H2 2 NH3
Повітря — 1,07 t (830 m3)
N2 — 0,82 t (656 m3)
Продуктивність за добу — 1500 t NН3
Витрата повітря — 1,2 · 106 m3
Витрата води — 2,4 · 103 t
O2 — 0,25 t (174 m3)
H2O — 1,62 t
Побічний продукт
O2 — 1,44 t (2059 m3)
H2 — 0,18 t (2000 m3)
NH3 — 1 t (1250 m3)
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
