Лекция 4. Воздух в химической технологии

1. Воздух как источник сырья. Источником воздуха является атмосфера Земли. Атмосфера представ­ляет собой газовую систему, опоясывающую Землю оболочкой размером более 1500 км. Эта оболочка крайне неоднородна как по плотности, так и по химическому составу.

Промышленноезначение имеет из­влечение из воздуха таких элементов, как кислород, азот и благородные газы (аргон, неон, криптон, ксенон). Чистый кислород необходим, например, в до­менном производстве, при сварочных работах. Известно также, что воздух является по существу единственным источником азота, применяемого для получения аммиака и последующих синтезов на его основе. Связывание эле­ментарного азота осуществляют в соответствии с реакцией

N₂ + 3H₂ 2NH₃. (2.13)

Далее из аммиака получают разнообразные азотсодержащие удобре­ния, капролактам, синтетические волокна.

Химический состав воздуха в приземном слое приведен в таблице 1.

Таблица 1

№ п/п	Газ	Концентрация, %
объемная	массовая
	Азот	78,09	75,5
	Кислород	20,95	23,1
	Аргон	0,932	1,286
	Оксид углерода (IV)	0,032	0,046
	Неон	1,8 .10–3	1,3. 10–3
	Гелий	4,6. 10–4	7,2. 10–5
	Криптон	1,1. 10–4	2,9. 10-4
	Оксид азота (I)	5,0. 10–5	7,7. 10–5
	Водород	5,0. 10–5	7,6. 10–6
	Озон	2,0. 10–7	3,3. 10–6

В практических расчетах, не требующих большой точности, принима­ют, что воздух содержит, % об. (% масс.): азота – 79 (77) и кислорода – 21 (23).

2. Воздух как реагент. Как было упомянуто в начале этой главы, воздух широко применяют в химической технологии в качестве окислителя, содержа­щего кислород. Примерами таких процессов могут служить следующие реакции.

1. Hедеструктивного окисления, в которых число атомов углерода в образующемся кислородсодержащем соединении такое же, как в исходном соединении, например:

 

0,5O₂

RCH₂CH₃ R(ОН)CHCH₃; (2.14) одноатомный спирт

 

O

HC – CH₃ HC – C

3O₂ O + 3Н₂О; (2.15)

HC – CH₃ HC – C

O

2-бутен малеиновый ангидрид

 

0,5О₂ ОН циклогексанол; (2.16) О₂

циклогексан О + Н₂О

циклогексанон

 

СН₃ + 1,5О₂ СООН + Н₂О. (2.17)

толуол бензойная кислота

 

2. Деструктивного окисления (с расщеплением связей С – С):

2,5О₂

СН₃СН₂СН₂СН₃ 2СН₃СООН + Н₂О; (2.18)

бутан уксусная кислота

 

О

НС – С

4,5О₂ О + 2Н₂О + 2СО₂; (2.19)

НС – С

О

бензол малеиновый ангидрид

 

 

2,5О₂

НООС(СН₂)₄СООН + Н₂О. (2.20)

циклогексан адипиновая кислота

 

3. Окислительной конденсации (окислительное соче­тание) – окисле­ние, сопровождающееся связыванием исходных компонен­тов:

 

1,5O₂

2RH ROOR + H₂O; (2.21)

алкан пероксид

 

1,5O₂

RCH₃ + NH₃ RCN + 3H₂O; (2.22)

алкан аммиак нитрил

 

1,5О₂

СН₂ = СН – СН₃ + NH₃ СН₂ = СН – С N + 3Н₂О. (2.23)

акрилонитрил

Воздух, применяемый в качестве реагента, необходимо очищать от пы­ли, влаги и контактных ядов. Такую очистку ведут в промывных башнях жид­кими поглотителями (щелочами, водой, этаноламинами, раствором амми­ака), мокрых и сухих фильтрах, аппаратах с твердыми адсорбентами.

Существует два источника загрязнения атмосферы: естественный и ан­тропогенный. Второй источник наиболее опасный. Он имеет место в резуль­тате вредных выбросов электроэнергетикой, цветной и черной металлургией, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленностью и другими отраслями хозяйственной деятельности человека. В таблице 2 приведена структура выбросов от стационарных источников в России, тыс. т.

Таблица 2

Вид экономической деятельности	2006 г.	2007 г.	2008 г.	2009 г.	2010 г.
Всего по Российской Федерации	20568,4	20636,9	20103,3	19021,2	19115,6
Сельское хозяйство, охота и лесное хозяйство	129,3	118,2	124,8	127,5	136,6
– Сельское хозяйство, охота и предоставление услуг в этих областях	103,2	100,7	110,2	114,8	123,3
– Лесное хозяйство, лесозаготовки и предоставление услуг в этих областях	26,1	17,5	14,5	12,6	13,3
Добыча полезных ископаемых	6027,1	6244,8	5567,2	5238,6	5200,3
Добыча топливно-энергетических полезных ископаемых	5509,3	5737,9	5092,9	4867,8	4817,1
– Добыча каменного угля, бурого угля и торфа	904,0	1063,0	1117,3	1062,8	1053,8
в т. ч. добыча каменного угля	877,0	1028,7	1083,2	1007,0	988,2
обогащение и агломерация каменного угля	12,4	22,6	21,2	43,9	51,9
– Добыча сырой нефти и природного газа; предоставление услуг в этих областях	4585,9	4655,8	3958,2	3788,8	3747,8
в т. ч. добыча сырой нефти и нефтяного (попутного) газа; извлечение фракций из нефтяного (попутного) газа	3673,4	3705,5	3108,8	3029,1	2923,7
добыча природного газа и газового конденсата	473,4	507,6	436,8	405,6	313,6
Добыча полезных ископаемых, кроме топливно-энергетических	517,8	507,0	474,3	370,8	383,3
– Добыча металлических руд	433,6	418,1	386,1	297,0	307,1
– Добыча прочих полезных ископаемых	84,2	88,8	88,2	73,8	76,1
Обрабатывающие производства	7167,9	7205,1	6829,4	6353,5	6431,0
Производство пищевых продуктов, включая напитки, и табака	144,6	146,1	140,2	144,9	138,2
Текстильное и швейное производство	14,3	11,3	9,7	8,6	8,1
Производство кожи, изделий из кожи и производство обуви	3,5	3,7	3,5	3,3	3,1
Обработка древесины и производство изделий из дерева	84,2	85,5	85,5	78,3	84,2
Целлюлозно-бумажное производство; издательская и полиграфическая деятельность	162,2	152,9	148,9	152,5	145,1
– Производство целлюлозы, древесной массы, бумаги, картона и изделий из них	161,4	151,6	147,5	151,1	143,6
– Производство кокса и нефтепродуктов	764,4	829,8	816,5	663,2	733,3
в т. ч. производство кокса	36,9	35,3	34,8	32,7	39,8
производство нефтепродуктов	727,5	794,5	781,7	630,5	693,5
Химическое производство	368,9	374,3	351,3	332,2	334,6
Производство резиновых и пластмассовых изделий	18,2	18,4	17,4	15,0	16,1
Производство прочих неметаллических минеральных продуктов	497,6	520,8	462,6	403,5	418,6
Металлургическое производство и производство готовых металлических изделий	4787,9	4751,4	4496,3	4303,8	4289,2
– Металлургическое производство	4756,3	4722,3	4469,1	4278,7	4263,9
в т. ч. производство чугуна, стали и ферросплавов	1668,6	1636,3	1555,2	1452,2	1457,8
производство цветных металлов	3052,6	3048,9	2880,4	2796,1	2773,1
– Производство готовых металлических изделий	31,6	29,1	27,2	25,1	25,3
Производство машин и оборудования	102,6	106,0	96,0	76,2	73,0
Производство электрооборудования, электронного и оптического оборудования	53,7	48,3	41,3	33,5	35,5
Производство транспортных средств и оборудования	116,4	108,3	104,4	82,5	93,1
Прочие производства	20,5	18,5	19,3	17,7	17,7
– Обработка вторичного сырья	5,6	5,7	6,4	6,3	6,3
Производство и распределение электроэнергии, газа и воды	4352,9	4206,0	4462,2	4140,7	4327,2
– Производство, передача и распределение электроэнергии, газа, пара и горячей воды	4303,4	4162,9	4419,0	4096,4	4275,9
в т. ч. производство, передача и распределение электроэнергии	3155,2	2923,5	3129,0	2736,6	2971,2
производство и распределение газообразного топлива	18,4	37,5	38,3	40,2	44,3
– Сбор, очистка и распределение воды	49,5	43,1	43,2	44,3	51,3
Транспорт и связь	2150,2	2211,1	2475,2	2605,9	2426,4
– Деятельность сухопутного транспорта	1954,6	1986,8	2247,2	2378,9	2191,5
в т. ч. транспортирование по трубопроводам	1837,8	1851,5	2107,5	2240,8	2066,9
из нихтранспортирование по трубопроводам нефти и нефтепродуктов	108,1	110,1	104,2	112,7	116,1
транспортирование по трубопроводам газа и продуктов его переработки	1729,6	1739,5	1997,7	2128,0	1950,8
Операции с недвижимым имуществом, аренда и предоставление услуг	390,2	283,7	286,3	169,6	200,5
– Операции с недвижимым имуществом	238,6	174,7	161,6	119,1	124,0
Предоставление прочих коммунальных, социальных и персональных услуг	59,1	55,2	67,9	89,9	108,0
–Сбор сточных вод, отходов и аналогичная деятельность	55,0	52,0	65,2	86,0	104,0

 

По объемам выбросов в атмосферный воздух от стационарных источников на первом месте располагаются “обрабатывающие производства” (третья часть суммарного объема по России) за счет металлургического производства. Другой крупный блок источников загрязнения атмосферного воздуха образуют предприятия по “добыче полезных ископаемых” (27,2%), в первую очередь предприятия, занимающиеся добычей сырой нефти и нефтяного (попутного) газа. Значительные объемы выбросов в атмосферу характерны для предприятий, связанных с производством, передачей и распределением электроэнергии, а так же с транспортирование по трубопроводам газа и продуктов его переработки.(рисунок 1).

 

Крупнейшими источниками загрязнения атмосферного воздуха являются предприятия металлургического комплекса и электроэнергетики. Основным источником загрязнения атмосферного воздуха является Заполярный филиал ОАО “ГМК “Норильский никель”, на который приходится 10% всех выбросов от стационарных источников.

3. Воздух как теплоноситель. Несмотря на низкую теплопровод­ность, воздух довольно широко используется в химической технологии в качестве хладагента, особенно в нефтепереработке. Это объясняется низкой стоимостью воздуха по сравнению с другими хладагентами и простотой ус­тройств воздушных холодильников.

4. Другие области применения воздуха в химической промыш­лен­ности. Воздух применяют для продувки аппаратов и трубопроводов, для сжигания и распыления жидких и газообразных топлив в форсуночных и горелочных устройствах, для перемешивания текущих сред, для создания «воздушных подушек» в резервуарах и др.