Введение в специальность

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И ПРОМЫШЛЕННЫЕ ВЫБРОСЫ

Прежде чем рассматривать конкретное производство, остано­вимся на понятиях «технология», «технологический процесс» и «химическая технология».

Технология (греч. techne — искусство, мастерство, умение; logos — слово, учение) — совокупность методов обработки, изго­товления, изменения состояния, свойств сырья или полуфабрика­тов, применяемых в процессе производства для получения готовой продукции. Технология — наука о способах воздействия на сырье и полуфабрикаты соответствующими орудиями производства.

Разработка технологии осуществляется по отрасли производ­ства (технология целлюлозы, технология биосинтеза — гидролиза древесины и т. д.).

Технологический процесс — совокупность технологических операций, выполняемых планомерно и последовательно во време­ни и пространстве над однородными или аналогичными материа­лами.

Технология делится на химическую и механическую.

Химическая технология — наука о наиболее экономичных ме­тодах массовой химической переработки сырых природных мате­риалов в продукты потребления и средства производства [8]. В химической технологии рассматривают процессы коренного изменения состава, свойств и внутреннего строения вещества, а в механической технологии — процессы, в которых изменяются форма или внешний вид и физические свойства материала [20]. Это деление условно, так как при изменении вида материала ча­сто меняются его состав и химические свойства. Примером может служить литейное производство, относящееся к механической технологии, но при литье металлов происходят и химические реак­ции. Вместе с тем химические процессы во всех производствах сопровождаются механическими.

Химическая технология рассматривает способы и процессы производства в химической, нефтехимической, металлургической, целлюлозно-бумажной, лесохимической, энергетической, машино­строительной и других отраслях промышленности.

Политбюро ЦК КПСС одобрены меры по дальнейшему совер­шенствованию химико-лесного комплекса [14].

Значение химической промышленности определяется тем, что она обеспечивает многие отрасли огромным количеством продук­тов, без которых была бы невозможна жизнь современного об­щества.

Одновременно с этим выбросы химических производств часто оказывают вредное воздействие на окружающую среду, загрязняя атмосферу и водоемы, а иногда и почву. Например, технологиче­ские установки для производства серной кислоты загрязняют ат­мосферу диоксидом и триоксидом серы; промывные воды очист­ного отделения содержат такие токсичные вещества, как соеди­нения мышьяка.

При производстве фосфорных удобрений фторсодержащие газы загрязняют атмосферу, а на стадиях промывки соединения фтора попадают и в сточные воды.

Газовые выбросы в производстве метанола выделяются на ста­дии дистилляции, а также при продувке газов из емкостей. Второй источник загрязнения биосферы — сточные воды, образующиеся при промывке шламов и емкостей вместе с отходами со стадии очистки метанола.

В качестве примера рассмотрим более подробно химиче­скую технологию древесины.

«Основными направлениями...» предусмотрено: «Опережаю­щими темпами развивать химическую и химико-механическую переработку древесного сырья, особенно в районах его заготовки. Увеличить выпуск целлюлозы на 19—22 процента, бумаги — на 17—20 процентов, древесно-волокнистых плит — на 20—23 про­цента, картона и древесностружечных плит в 1,3 раза. Довести в 1990 году... использование древесных отходов до 70—75 млн. ку­бических метров... Значительно расширить выпуск бумажно-бело­вых товаров и обоев, а также бумаги и картона для упаковки и расфасовки товаров и для бытовых нужд. Обеспечить рост произ­водства картонной тары примерно в 1,7 раза» (с. 39).

Химическая технология древесины включает следующие производства: цел­люлозно-бумажное, лесохимическое и гидролизное.

Основным сырьем целлюлозно-бумажного производства является балансо­вая древесина, а также отходы лесозаготовок, лесопиления и деревообработки (обрезкн, горбыли, рейки, стружки, опилки).

Советский Союз обладает огромными лесными ресурсами: запас древесины исчисляется примерно в 75 млрд. м3, что составляет 30 % мировых запасов. Основ­ные лесные массивы расположены в северных районах европейской части страны, на Урале, в Западной и Восточной Сибири и на Дальнем Востоке. Наличие боль­ших сырьевых ресурсов — одно из благоприятных условий для развития химиче­ской и механической технологии древесины.

Древесина состоит из множества растительных клеток, образующих волокна. Клетки в основном разделяются на прозенхимные (мертвые) и паренхимные (жи­вые). Содержание прозенхимных клеток в древесине составляет 90—95 %, а па­ренхимных — 5—10 % от объема древесины.

Клеточная оболочка древесного волокна имеет несколько слоев: первичный, который называется наружной оболочкой волокна, и вторичный (стенка, состоя­щая, в свою очередь, из трех слоев: наружного, среднего и внутреннего). Между первичными стенками клеток находится слой межклеточного вещества, при по­мощи которого волокна соединяются друг с другом. Вторичная стенка относитель­но толстая и представляет собой главную массу объема клетки.

Химический состав волокон следующий: клетчатка, лигнин, гемицеллюлозы, жиры, смолы и др. Стенки волокон состоят главным образом из клетчатки (цел­люлозы).

Целлюлоза — это высокомолекулярное органическое вещество (углевод); содержание ее в древесине около 50 %. Формула молекулы целлюлозы (СбНю05)п, где п — число элементарных единиц СбН10О5, называемых глюкозными остатками.

Лигнин — вторая составная часть древесины. Находится преимущественно в межклеточном веществе, соединяющем клеточные стенки волокон, придавая им твердость и жесткость. В древесине хвойных пород лигнина содержится до 30 %, а в древесине лиственных пород — до 20 %. В процессе получения целлюлозы из древесины (щепы) с кислотой или щелочью большая часть лигнина растворяется, меньшая остается в целлюлозе.

Гемицеллюлозы являются третьей составной частью древесины. Они, как и целлюлоза, представляют собой органические вещества — углеводы. Гемицел­люлозы подразделяются на пентозаны (СбНвОч),, и гексозаны (СбНю05)п. В хвойной древесине гемицеллюлоз содержится 20—22 %, а в лиственной — 27— 30 %. В процессе получения целлюлозы большая часть гемицеллюлоз, как и лиг­нина, переходит в раствор.

Лигнин, гем и целлюлозы, смолы, терпены и другие вещества, сопутствующие целлюлозе (клетчатке), называют инкрустирующими веществами.

Из древесины получают полуфабрикаты (целлюлозу, древесную массу) и го­товую продукцию (бумагу, картон).

Основным производством целлюлозно-бумажной промышленности является производство целлюлозы сульфатным и сульфитным способами.

При сульфатном способе щепу обрабатывают смесью растворов едкого натра и сульфида натрия при температуре 166—176 °С под давлением 0,6—1 МПа в специальных варочных котлах. По окончании варки содержимое варочного котла выдувают или вымывают в выдувной или вымывной резервуар, отделяют от целлюлозы щелок и отправляют его на регенерацию.

Такую целлюлозу в зависимости от степени провара (содержания остав­шегося р ней лигнина) условно делят на жесткую, среднюю и мягкую.

При сульфитном способе щепу обрабатывают варочной сульфитной кислотой, получаемой в результате реакции диоксида серы БОг, основания и воды. В качестве основания могут применяться соединения Са, №, М^, N114. Варку также проводят при повышенных температуре и давлении.

Отработанный щелок содержит перешедшие в раствор из древесины различ­ные углеводы, дальнейшее использование которых важно для народного хозяйства в отношении очистки сточных вод перед сбросом их в водоем, а также получения ценных побочных продуктов (спирта, дрожжей, концентратов).

Сваренную сульфатную и сульфитную целлюлозу промывают, очищают от суч­ков, непровара и минеральных примесей, а затем сгущают па сгустителях или вакуум-фильтрах и направляют на производство бумаги и картона.

В зависимости от требований, предъявляемых к целлюлозе потребителями, определяют характер ее обработки в отбельном цехе. Для отбелки небеленой целлюлозы применяют хлор, гипохлорит кальция и натрия, диоксид хлора, кисло­род и пероксид водорода. Беленая целлюлоза отличается от небеленой прежде всего внешним видом (белый цвет). Небеленая сульфатная целлюлоза имеет коричневый оттенок, сульфитная — сероватый или желтоватый.

По химическому составу беленая целлюлоза содержит меньше лигнина, гемицеллюлозы, золы и смолы. Однако она имеет и меньшую прочность по срав­нению с небеленой целлюлозой. Снижение механической прочности происходит вследствие частичного разрушения целлюлозного волокна при отбелке. Беленую целлюлозу используют для производства многих видов бумаг.

Применяя в некоторых стадиях отбельного процесса дополнительную щелоч­ную обработку, получают облагороженную целлюлозу, близкую по свойствам к хлопковой. При этом происходит дополнительная очистка волокна от инкру­стирующих веществ. Облагороженная целлюлоза поступает на химическую пере­работку для получения шелка, штапеля, корда и других материалов.

Древесную массу в отличие от целлюлозы, получают путем механического истирания древесины на специальной машине — дефибрере. Химический состав белой древесной массы приблизительно такой же, как и у исходной древесины. Волокна древесной массы при отливе бумаги образуют плохое сплетение и не дают прочного листа. Поэтому при выработке бумаги она применяется только вместе с целлюлозой. Бурую древесную массу получают путем предварительного пропаривания древесины (щепы) и ее химической обработки. В последнее десяти­летие получило развитие производство термо-, химико-механической древесной массы.

Производство бумаги состоит из приготовления бумажной массы (массового размола) и отлива бумажного листа на бумагоделательной машине.

Аналогично и производство картона включает размол массы и ее отлив на картоноделательной машине.

Лесохимические производства включают следующие виды переработки дре­весины:

Пирогенетические:

А) первичные — пиролиз (сухая перегонка древесины) с получением угля, смол, растворителей, уксусной кислоты и ее сложных эфиров, углежжение, гази­фикация;

Б) вторичные — переработка пнрогенных смол и переработка уксусно-каль- цневого порошка в уксусную кислоту и ее сложные эфиры, получение форма­лина нз метанола;

Экстрактивные:

А) первичные — экстракция смолистых веществ из осмола (древесина после подсочки), добывание живицы при лодсочке леса и ее переработка, экстракцион­ная обработка коры и хвои;

Б) вторичные — переработка скипидара в камфору, камфен и пииен, получение эфиров канифоли, кабельной канифоли, гидрированной и др.

К гидролизным производствам относятся: переработка древесины и однолет­них растений с получением этилового спирта, глюкозы, кормовых дрожжей, триоксиглутаровой кислоты, фурфурола, многоатомных спиртов, жидкого и твер­дого диоксида углерода и т. д., а также переработка сульфитных щелоков с полу­чением спирта, кормовых дрожжей и сульфитно-бардяных концентратов.

Химическая технология древесины — крупнейший источник загрязнения воз­душного и водных бассейнов. С развитием этой отрасли промышленности возра­стают масштабы возможных загрязнений окружающей природной среды. Если раньше, например, загрязнение воздуха ограничивалось преимущественно терри­торией самих предприятий, то в настоящее время оно во многих случаях выходит далеко за ее пределы и оказывает влияние на атмосферный воздух городов и посел­ков. То же можно сказать и о вредном влиянии сточных вод, угрожающих водоемам.

Жидкие, а также твердые отходы (огарки, шламы) предприятий содержат различные токсичные соединения и вследствие этого также могут служить источни­ком опасного для населения загрязнения почвы и водоемов.

Из всех видов производств химической технологии древесины основной источник загрязнения атмосферы — производство целлюлозы, особенно сульфат­ной, сопровождающееся газопылевыми выбросами, содержащими, в частности, сероводород, метилмеркаптан (ММ), диметилсульфид (ДМС), диметилдисульфид (ДМДС), диоксид серы и различные пыли. Большую часть составляют выбросы варочного и выпарного цехов, окислительной установки, дымовые газы и парогазо­вые выбросы растворителя плава содорегенерационного котлоагрегата (СРК. А) и известерегенерационной печи (ИРП).

В сульфитно-целлюлозном производстве основные источники газовых выбро­сов — варочный, кислотный и регенерационный цехи. Количество диоксида серы в выдувочной парогазовой смеси колеблется от 14,3 до 20,6 кг/т целлюлозы.

Лесохимические производства загрязняют атмосферу и водоемы различного рода растворителями, скипидаром, смолами, лигнином и др.

Следующим источником загрязнения атмосферы является энер­гетика — одна из ведущих отраслей народного хозяйства нашей страны, охватывающая энергетические ресурсы, выработку, пре­образование, передачу и использование различных видов энергии (наиболее важные виды энергии — электрическая и тепловая).

«Основными направлениями...» предусмотрено: «В электро­энергетике довести в 1990 году выработку электроэнергии до 1840—1880 млрд. киловатт-часов, в том числе на атомных электро­станциях до 390 млрд. киловатт-часов. Существенно сократить использование мазута в качестве топлива, в первую очередь на тепловых электростанциях» (с. 40). Последние, сжигающие весьма значительное количество топлива, являются одним из самых крупных источников загрязнения атмосферы, так как кроме основ­ных продуктов горения выбрасывают золу, диоксид и триоксид серы, оксид и диоксид азота, некоторые фторсодержащие соеди­нения, продукты неполного сгорания топлива — оксид углерода, метан и др. Около 90 % всего оксида углерода, поступающего в атмосферу при использовании энергоресурсов, дает авто­транспорт.

Количество выбрасываемого связанного азота при сжигании топлива достигает 40 млн. т в год и увеличивается ежегодно на

4 %; связанный азот из атмосферы вымывается осадками и попа­дает в почву и водоемы. Аналогичные явления происходят и с оксидами серы, которых выбрасывается по данным Мировой энергетической конференции, более 200 млн. т в год.

Оксиды серы, находящиеся в атмосфере, активно воздействуют на металлы, вызывая их коррозию. В условиях повышенной влаж­ности оксиды серы разрушают бетонные и железобетонные соору­жения. Растворяясь в воде, эти оксиды образуют кислоты и заки - сляют водоемы и почву. Так, отмечается сильное закисление водо­емов на Скандинавском полуострове за счет диоксидов серы и азота, приносимых ветрами из ФРГ и Англии.

Общее количество твердых частиц (зола, сажа, пыль), попа­дающих в атмосферу за счет антропогенной деятельности, состав­ляет более 400 млн. т в год. Следует отметить, что эти выбросы не распределены равномерно, а сосредоточены обычно в крупных промышленных регионах, что существенно повышает степень воз­действия на окружающую среду.

Сточные воды, сбрасываемые электростанциями, содержат: воды охлаждения конденсаторов турбин, вызывающие «тепловое загрязнение» водоемов; регенерационные и промывочные воды от водоподготовительных установок и конденсатоочисток; воды, за­грязненные нефтепродуктами; воды от наружных обмывок поверх­ностей нагрева котлов и пиковых подогревателей, работающих на сернистом мазуте; отработанные растворы после химической очистки и консервации оборудования; воды систем гидрозоло­удаления на ТЭС, работающих на твердом топливе. Для электро­станций характерны «залповые» сбросы.

Машиностроительный комплекс также является источником за­грязнения окружающей среды. Машиностроение является техни­ческой основой интенсификации материального производства и базой повышения его эффективности. В социалистическом обществе планируется развитие машиностроения опережающи­ми темпами.

Наиболее важной частью машиностроения является станко­строительная промышленность, обеспечивающая металлообраба­тывающими станками, кузнечно-прессовым и литейным оборудо­ванием, режущим и измерительным инструментом. Современное отечественное машиностроение характеризуется широким исполь­зованием процессов сварки и резки металлов. Основными видами сварки являются ручная электродуговая, полуавтоматическая и автоматическая сварка иод слоем флюса, сварка в среде инертных газов (СОг, Аг, Не).

Процесс сварки состоит из ряда последовательных стадий: нагрева и расплавления основного и электродного металла, смеши­вания жидкого основного и электродного металла, охлаждения и процесса кристаллизации металла соединения (шва). Сварочная зона, т. е. объем пространства, в котором под влиянием нагрева протекает сварочный процесс, состоит из следующих фаз: твердый основной и электродный металлы, жидкий расплавленный металл; газовая фаза — пары металла и продукты окисления; жидкий и твердый шлаки. При взаимодействии между отдельными фазами сварочной зоны происходят следующие основные процессы: оки­сление наплавленного металла; его раскисление; выравнивание состава основного и наплавленного металлов (путем диффузии); поглощение различных газов наплавленным металлом.

При электрической дуговой сварке дуга возбуждается путем соприкосновения электрода с изделием и последующего удале­ния от него. В начальный момент короткого замыкания через контакт электрода с изделием проходит большой ток, и выделяю­щаяся теплота сильно разогревает место соприкосновения электро­да и изделия. В момент удаления электрода от изделия места соприкосновения очень быстро расплавляются и доводятся до кипения. Температура за очень малый промежуток времени успе­вает возрасти до температуры кипения металла, и выделяющаяся теплота расплавляет и частично испаряет металл изделия и элек­трода. Освобожденные из катода электроны приобретают в элек­трическом поле скорости, достаточные для бомбардировки молекул газа и паров металла. Таким путем возбуждается дуга, образова­ние которой сопровождается потерями в окружающую среду паров металлов, их оксидов и продуктов окисления газов.

Состав и количество потерь при сварке определяется характе­ром и химическим составом металлов, электродов, присадочных и сварочных проволок, назначением сварки и др. В их состав вхо­дят газы N0, N02, СО, Оз, НИ и пыль, включающая практически все основные металлы.

Таким образом, сварочные процессы являются потенциальными источниками загрязнения атмосферного воздуха.

При тепловой резке процесс разделения материала происходит при его расплавлении или интенсивном окислении (сжигании) по линии реза под действием концентрированного потока теплоты. Наиболее распространены два вида тепловой резки: кислородная (газовая) и газоэлектрическая. Кислородная резка основана на сжигании металла в струе чистого кислорода. Образующиеся в зоне реза оксиды выдуваются газовой струей. В качестве горю­чего газа обычно используют ацетилен. Газоэлектрическая резка основана на выплавлении металла по линии реза теплотой дуги, возбуждаемой между двумя электродами или между электродом и изделием. Наиболее распространен способ плазменно-дуговой резки, при котором дуга стабилизируется потоком собственной плазмы. Образование плазмы интенсифицируется путем продува­ния газа через дуговое пространство.

Для плазменной резки применяют электроды, изготовленные из вольфрама, циркония. Рабочими газами служат аргон, гелий, водород, азот или их смеси, а также воздух. В качестве режущих инструментов применяют специальные резаки.

Концентрация вредных веществ в воздухе (пыль, газы) при резке определяется элементным составом обрабатываемых метал­лов, шириной и толщиной реза и др.

На большинстве промышленных предприятий имеются гальва­нические производства, в которых поверхности деталей и изделий защищают пленками разных металлов. Гальванический метод нанесения покрытий предусматривает тщательную очистку и обез­жиривание поверхностей, погружение их на специальных подвесах в раствор электролита, содержащего ионы наносимого металла. Детали подключают к отрицательному полюсу источника постоян­ного тока. Анодами обычно служат пластины из наносимого ме­талла.

Гальваническое производство включает следующие технологи­ческие процессы:

Химическое или электрохимическое обезжиривание в щелочном растворе;

Травление, декапирование, цинкование, кадмирование, хрома - тирование, никелирование, меднение, хромирование, оксидирова­ние в кислых растворах;

Цинкование, кадмирование, оксидирование в щелочных раст­ворах и др.

Каждый из перечисленных процессов сопровождается выделе­нием в атмосферу и водные объекты вредных веществ, количество которых зависит от применяемой технологии и условий ее выпол­нения.

Выбросы в атмосферу включают: пыль (оксиды хрома, олово и др.), газы и пары N02, 302, НР, Н2304, НС1, Н1ЧОз, ЫаОН, орга­нические растворители и др.

Сточные воды загрязнены солями металлов и нефтепродукта­ми.

Широкое распространение в машиностроении имеют лакокра­сочные операции, которые проводятся в специальных камерах с использованием лакокрасочных материалов (ЛКМ), предвари­тельно доведенных до требуемой консистенции специальными орга­ническими (летучими) растворителями (ацетон, ксилол, толуол, этилацетат, бутилацетат и др.). При высыхании ЛКМ раствори­тели испаряются, загрязняя воздух производственных помещений и промышленной площадки.