Вода в химической промышленности. Значение воды в промышленности

Вода и ее роль в промышленном производстве

Вода имеет ключевое значение в процессах появления жизни на Земле и ее постоянном поддержании, поскольку именно вода формирует климат, а еще она необходима для химических процессов, происходящих в телах людей и животных. Роль воды в жизни людей трудно переоценить. К основным потребителям пресной воды относятся: сельское хозяйство, промышленность, включая энергетику и коммунальное хозяйство. В промышленном производстве наиболее водоемкими являются химическая, целлюлозно-бумажная и металлургическая промышленность. Так, на изготовление 1 т синтетического волокна расходуется 2500...5000, пластмассы - 500...1000, бумаги - 400...800, стали и чугуна - 160...200 м3 воды. В промышленных целях по разным источникам расходуется от 8 до 20% всей используемой в мире воды, из них свыше 85% воды, расходуется в процессах охлаждения. Остальная часть расходуется в процессах мойки, промывки газов, для гидротранспорта и в качестве растворителя. Приблизительно полмиллиона литров воды расходуется на выпуск каждого легкового автомобиля; это количество включает как безвозвратно расходуемую воду, так и воду повторного использования.

На данный момент качество воды в различных регионах страны может сильно отличаться (все зависит от численности населения, рек, стоков, наличия крупных предприятий), но в целом вода не может похвастаться высоким качеством. Для повышения качества водоочистки приходится использовать самые современные технологии, а процесс очистки делать по-настоящему комплексным и проводить водоподготовку. При производстве и выпуске продукции, качество воды определяют характеристики конечного изделия. Это достигается либо путем удаления из воды вредных для используемого оборудования, или же готовой продукции веществ, либо охлаждением. Подготовленная вода, после прохождения химической очистки и (или) охлаждения в промышленном оборудовании, поступает непосредственно в производственный цикл.

Промышленная водоподготовка.

Водоподготовка - цикл мероприятий по водоочистке, который осуществляется с помощью установок умягчения, обезжелезивания а так же с помощью сорбционных, осадочных установок и УФ-обеззараживателей. Используя подобную автоматизированную технику для промышленной водоподготовки, можно сделать водоочистку практически непрерывным процессом, не тормозящим производство и обеспечивающим все стадии работ водой необходимого качества.

Специалисты выделяют следующие основные проблемы, стоящие перед промышленной водоподготовкой: жесткость воды, большое число примесей, цвет, замах, наличие бактерий и вирусов, другие загрязнения. Промышленная водоподготовка может включать в себя целый ряд очистительных мер. Одной из главных негативных характеристик воды является высокое содержание железа, влияющее как на работу использующей воду техники, так и на здоровье человека (если это, к примеру, пищевая индустрия), поскольку осадки надолго задерживаются в организме и влияют на его ежедневное функционирование.

Промышленная водоподготовка - это не только значительное повышение качества производимой продукции и продление срока службы оборудования, но и снижение воздействия вредных веществ на окружающую среду за счет уменьшения вредных водостоков. Основное предназначение промышленной водоочистки - это очистка воды для предприятий и объектов с большим потреблением воды в сутки. Очистка воды, в зависимости от требований потребителя применяется как общая, так и доочистка. Общая очистка включает в себя очистку от железа и солей жесткости. Доочистка - это обессоливание воды и её полное умягчение.

Для обеспечения водой предприятий, предъявляющих к качеству воды повышенные требования, таких как: медицинские учреждения, фармацевтические и пищевые объекты, спортивные комплексы и детские учреждения, применяется многоступенчатая система очистки. Сейчас практически все пищевые и мясомолочные предприятия РФ производят реконструкцию с заменой изношенного, или морально устаревшего оборудования на новые образцы импортного и российского производства. В связи с этим значительно меняется подход к исходной воде, поступающей по общегородским, или другим водопроводным сетям общего назначения, или воде, поступающей из артезианских скважин. В системах применяется реагентная обработка воды - для уничтожения опасных микроорганизмов, содержащихся в воде, обессоливание с применением обратного осмоса и ионного обмена, а также селективные ионообменные технологии.

На особо крупных предприятиях тяжелой промышленности в технологических циклах применяют оборудование, в процессе работы которого требуется его охлаждение. В этих целях, на таких предприятиях, зачастую используют системы оборотного водоснабжения, но при эксплуатации данных систем появляются проблемы с составом подпиточной воды и загрязнением стоков оборотной воды.

Обезжелезивание - процесс быстрой водоочистки при помощи обезжелезивателя, который производится в двух основных вариациях. В реагентный обезжелезиватель, используемый в быту и на промышленной водоподготовке, для улучшения и ускорения обезжелезивания засыпаются специальные вещества. Безреагентный обезжелезиватель для промышленной водоподготовки осуществляет водоподготовку каталитическим методом.

Кроме обезжелезивания, в промышленной водоподготовке часто проводится умягчение воды , которое осуществляется посредством специализированного оборудования. Жесткая вода не только противопоказана для питья, без проведения водоочистки она также влияет на работу оборудования, так как нагревающие элементы быстро зарастают и в конце концов ломаются. Умягчение воды во время промышленной водоподготовки производится с помощью метода ионного обмена, реагентного умягчения или нанофильтрации, которые даже при непрерывной водоочистке справляются с ионами кальция и магния, губительными для оборудования последующей водоподготовки.

Иногда возникает необходимость водоподготовки посредством водоочистки от больших остаточных элементов, примесей или же видимых частиц. Для такой водоподготовки используются особые осадочные установки, удаляющие из водопроводной или добытой из скважин воды песок, ржавчину или другие материалы. То есть осадочная техника занимается механической водоочисткой, важной, например, для коммунальных служб и различных предприятий.

Для ряда производств водоочистка от металлов и различных солей является недостаточной, поскольку возникает необходимость полноценной промышленной водоподготовки с удалением любых, даже самых малых примесей. Для этого используются сорбционные установки водоподготовки , специализирующиеся на активной очистке сточных и других вод от осевших малых частиц размером в 5 микрон. Данный этап промышленной водоподготовки следует, как правило, за более грубой водоочисткой от коллоидных примесей. Работают сорбционные установки по водоподготовке за счет использования синтетических волокнистых материалов вроде лепестков полиэстера и полипропиленовых нитей.

Важным этапом в промышленной водоподготовке является дополнительная очистка от бактерий, вирусов и других вредных элементов, влияющих на показатели воды и ее возможности по потреблению и использованию в производстве. Одним из самых современных решений данного вопроса стали ультрафиолетовые лампы для промышленной водоподготовки. Это позволяет использовать УФ-обеззараживатели в водоподготовке на предприятиях пищевой промышленности, где удаление вредоносных элементов и водоочистка обязательны для простой безопасности и сохранности итогового продукта.

Промышленная водоподготовка подразумевает и важность слежения над кислотно-щелочными показателями воды . Например, жидкость с высоким уровнем pH негативно воздействует на технику, которая ломается при долгом использовании воды, не прошедшей водоподготовку. Более того, несбалансированная вода вредна для здоровья, а многие химические процессы в воде, не прошедшей водоподготовку и балансировку кислотно-щелочных показателей, или невозможны, или происходят не в полную силу. Таким образом, предварительная водоочистка от кислот и нормализация уровня pH обеспечат сохранность оборудования (включая другие устройства водоподготовки) и значительное улучшение качества самой воды.

В наше время проблема очистки воды становится все более и более актуальной. Это касается как очистки питьевой воды, так и водоподготовки промышленных предприятий. Конечно, для разных отраслей промышленности необходима та или иная степень очистки воды. Но в любом случае, при необходимости получить воду самого лучшего качества, без примесей солей и других составляющих, одной только обычной фильтрации совершенно недостаточно.

Современные технологии, основанные на принципе обратного осмоса, позволяют произвести очистку воды на молекулярном уровне. И освободить ее не только от солей, но и от разного рода органических соединений, в том числе вирусов и бактерий. обессоливание воды, или деминерализация -очень важный физический процесс удаления солей при использовании воды в технологических процессах котельных, парогенераторных, пищевых, медицинских и других установках, для предотвращения накипи и быстрого износа оборудования. За счет обессоливания, водоподготовка снижает концентрацию солей и минералов до заданного значения, и делает исходную воду пригодной в качестве питьевой, охлаждающей, или технологичной жидкости.

Прямой осмос использован на применении мембран, способных пропускать только молекулы воды, задерживая при этом все другие молекулы. Разделив такой мембраной, например, два сообщающихся сосуда с более, или менее чистой водой, можно увидеть, что уровень воды в сосуде с менее чистой водой со временем поднимется. Это произойдет за счет того, что через мембрану будут поступать только молекулы воды, стремясь уравновесить концентрацию в обоих сосудах. Это и есть явление прямого осмоса. Логически следует, что если создать давление в более "грязном" сосуде, то молекулы воды будут поступать, наоборот, в более "чистый" сосуд, делая воду еще более чистой. А это уже принцип обратного осмоса.

Таким образом, используя такие мембраны вместе с фильтрами предварительной очистки, можно создать высокоэффективную систему водоподготовки предприятий, основанную на принципе обратного осмоса. Иными словами, процесс обратного осмоса основан на прохождение воды сквозь мембрану из более насыщенного раствора солей в менее насыщенный раствор под действием давления, которое превышает разницу осмотических значений давлений в обоих растворах.

Использование оборотной воды.

Интенсивное развитие промышленности и сельскохозяйственного производства, повышение уровня благоустройства городов и населенных пунктов, значительный прирост населения обусловили в последние десятилетия дефицит и резкое ухудшение качества водных ресурсов практически во всех регионах России.

Одним от основных путей удовлетворения потребностей общества в воде является инженерное воспроизводство водных ресурсов, т.е. их восстановление и приумножение не только в количественном, но и в качественном отношении.

Перспективы рационального воспроизводства технологического расхода воды связаны с созданием на предприятиях систем повторно-последовательного, оборотного и замкнутого водоснабжения. В их основу положено удивительное свойство воды, позволяющее ей не изменять своей физической сущности после участия в производственных процессах.

Промышленность России характеризуется высоким уровнем развития систем оборотного водоснабжения, за счет которых экономия свежей воды, расходуемой на производственные нужды, составляет в среднем 78%. Лучшие показатели использования оборотных систем имеют предприятия газовой (97%), нефтеперерабатывающей (95%) отраслей, черной металлургии (94%), химической и нефтехимической (91%) промышленности, машиностроения (85%).

Максимальные расходы воды в системах оборотного и повторно-последовательного водоснабжения характерны для Уральского, Центрального, Поволжского и Западно-Сибирского экономических районов. В целом по России соотношение объемов использования свежей и оборотной воды составляет соответственно 35,5 и 64,5%.

Широкое внедрение совершенных водооборотных систем (вплоть до замкнутых) способно не только решить проблему водообеспечения потребителей, но и сохранить природные водоисточники в экологически чистом состоянии.

Использование природных вод на Урале.

Огромные объемы воды расходуются промышленностью, сельским хозяйством, а в последнее время увеличилась потребность человека в воде на коммунально-бытовые нужды. Сейчас из 18414 рек области шесть рек включены в список наиболее загрязненных объектов РФ это бассейн рек Исеть, В. Пышма, Тура, Тавда, Чусовая, Уфа.

В промышленности вода используется:

• Для охлаждения и нагревания жидкостей, газов и газовых смесей;
• Как растворитель;
• Для приготовления и очистки растворов;
• Для транспортировки материалов и сырья по трубам;
• Для теплоэнергетических целей, в качестве пара для преобразования тепла или давления;
• Для удаления отходов и т. д.

Если в производстве необходима чистая вода, ее берут из водопроводной системы. В тех случаях, когда вода может быть не особенно чистой, фабрики и заводы пользуются речную воду. Такие возможности используются на большинстве бумажных комбинатов. Потребление воды промышленностью в настоящее время достигло огромных размеров. По оценкам специалистов, безвозвратное водопотребление составляло около 150 куб. км в год, то есть 1% устойчивого стока пресных вод. По расчетам, потребность в воде на Земле до 2000 года будет возрастать в среднем на 3,1% в год. В настоящее время люди ежегодно расходуют 3000 км пресной воды.

На долю сельского хозяйства приходиться более 2/3 мирового потребления воды, примерно 17% посевных площадей во всем мире являются орошаемыми. Сейчас в мире под посевные площади занято около 15млн. квад. км.

Устойчивое ведение сельского хозяйства на Урале требует огромное потребление водных ресурсов, не смотря на то, что Свердловская область имеет низкую освоенность территорий (не более 13% всей территории). (Двинский В.М., Бриль А.Б., Видревич М.Б. Экологический менеджмент)

Тем самым промышленность использует 150 км куб в год.

Использование воды в промышленности, быту и сельском хозяйстве

В структуре водоотведения 35% приходится на все отрасли промышленности, кроме теплоэнергетики, 33% - на теплоэнергетику, 18% состовляют сбросы стоков с мелиорированных полей и 14%- сбросы коммунально-бытового хозяйства городов и сельских населенных пунктов.

Одним из главных потребителей воды является орошаемое земледелие - 190 м3/год. Чтобы вырастить 1 т. хлопка, требуется 4-5 тыс.м3 пресной воды, 1 т. риса - 8 тыс.м3 . При орошении большая часть воды расходуется безвозвратно. Водопотребление на орошение зависит от трех факторов: площадей полива, состава культур и техники полива.

Главным способом полива является дождевание. Коэффициент полезного действия оросительных систем не превышает 0,6. Много воды просачивается в оросительных каналах, поднимая уровень грунтовых вод и вызывая засоление почвы. Значительно сокращаются потери воды при применении прогреccивных способов полива: капельного орошения, предпочвенного и мелко дисперсионного полива. Совершенствование оросительных систем, бетонирование дна, применение закрытых дренажей способствуют повышению КПД этих систем, но эти методы еще не полностью используются.

Коммунально-бытовое потреление воды превышает 20 км3/год.Уровень развития коммунального водоснабжения определяется двумя показателями: обеспеченностью населения централизированным водоснабжением и велечиной удельного водопотреблнения. Важной задачей является сокращение потребления водопроводной воды на технические нужды. В Москве, например, на долю промышленности приходится 25% подаваемой в столицу водопроводной воды. Однако нет никакой необходимости использовать питьевую воду на технические нужды. Для этого необходимо расширить сеть технических водопроводов, что существенно снизит себестоимость потребляемой воды.

Велики расходы воды в промышленности (около 90 км3/год). Для выплавки 1 т. стали требуется 200-250 м3 воды, 1 т. целлюлозы - 1300 м3,... Велики резервы экономии воды в промышленности за счет внедрения прогрессивных технологических процессов. Например, на старых нефтехимических заводах для переработки 1т. нефти расходуется 18-22 м3 воды, в то время, как на современных заводах с оборотным водоснабжением и системами воздушного охлаждения - около 0,12 м3/год.

В настоящее время положение усугубляется тем, что после приватизации основного числа предприятий, в том числе и экологически грязных предприятий, новым хозяевам не хватает денег для постройки или модернизации очистных сооружений.

Работу выполнил ученик 11 В

Класса, гимназии №1

Солодилов Дмитрий.

Для получения высоких урожаев требуется много воды: так, например, на выращивание 1 кг вишни расходуется 3000 л воды, риса — 2400 л, кукурузы в початках и пшеницы — 1000 л, зеленых бобов — 800 л, винограда — 590 л, шпината — 510 л, картофеля — 200 л и лука — 130 л. Примерное количество воды, затрачиваемое только на выращивание (а не на переработку или приготовление) пищевых культур, потребляемых ежедневно одним человеком в западных странах, — на завтрак ок. 760 л, на обед (ланч) 5300 л и на ужин — 10 600 л, что в целом за сутки составляет 16 600 л.

В сельском хозяйстве идет не только на полив посевов, но также на пополнение запасов подземных вод (чтобы предупредить слишком быстрое опускание уровня грунтовых вод); на вымывание (или выщелачивание) солей, накопившихся в почве, на глубину ниже корнеобитаемой зоны возделываемых культур; для опрыскивания против вредителей и болезней; защиты от заморозков; внесения удобрений; снижения температуры воздуха и почвы летом; для ухода за домашним скотом; эвакуации обработанных сточных вод, используемых для орошения (преимущественно зерновых культур); и переработки собранного урожая.

Потребление воды в пищевой промышленности.

Для переработки разных пищевых культур требуется неодинаковое количество в зависимости от продукта, технологии изготовления и доступности воды соответствующего качества в достаточном объеме. В США на производство 1 т хлеба расходуется от 2000 до 4000 л воды, а в Европе — лишь 1000 л и всего 600 л в некоторых других странах. Для консервирования фруктов и овощей требуется от 10 000 до 50 000 л воды на 1 т в Канаде, а в Израиле, где вода представляет собой большой дефицит, — только 4000–1500. «Чемпионом» по затратам воды является лимская фасоль, на консервирование 1 т которой в США расходуется 70 000 л воды. На переработку 1 т сахарной свеклы затрачивается 1800 л воды в Израиле, 11 000 л во Франции и 15 000 л в Великобритании. На переработку 1 т молока требуется от 2000 до 5000 л воды, а на производство 1000 л пива в Великобритании — 6000 л, а в Канаде — 20 000 л.

Водопотребление в целлюлозно-бумажной промышленности.

Целлюлозно-бумажная промышленность — одна из самых водоемких вследствие огромного объема перерабатываемого сырья. На производство каждой тонны целлюлозы и бумаги в среднем затрачивается 150 000 л воды во Франции и 236 000 л в США. В процессе производства газетной бумаги на Тайване и в Канаде расходуется ок. 190 000 л воды на 1 т продукции, производство же тонны высококачественной бумаги в Швеции требует 1 млн. л воды.

Топливная промышленность.

Для производства 1000 л высококачественного авиационного бензина необходимо 25 000 л воды, а автомобильного бензина — на две трети меньше.

Текстильная промышленность

Эта отрасль требует много воды для замачивания сырья, его очистки и промывки, отбеливания, крашения и отделки тканей и для других технологических процессов. Для производства каждой тонны хлопчатобумажной ткани необходимо от 10 000 до 250 000 л воды, шерстяной — до 400 000 л. Изготовление синтетических тканей требует значительно больше воды — до 2 млн. л на 1 т продукции.

Металлургическая промышленность.

В ЮАР при добыче 1 т золотой руды расходуется 1000 л воды, в США при добыче 1 т железной руды 4000 л и 1 т бокситов — 12 000 л. Для производства железа и стали в США требуется примерно 86 000 л воды на каждую тонну продукции, но до 4000 л из них составляют безвозвратные потери (главным образом, на испарение), и, следовательно, примерно 82 000 л воды может быть использовано повторно. Водопотребление в черной металлургии значительно варьирует по странам. На производство 1 т чугуна в чушках в Канаде тратится 130 000 л воды, на выплавку 1 т чугуна в доменной печи в США — 103 000 л, стали в электропечах во Франции — 40 000 л, а в Германии — 8000–12 000 л.

Электроэнергетика.

Для производства электроэнергии на ГЭС используется энергия падающей воды, приводящая в движение гидравлические турбины. В США на ГЭС ежедневно расходуется 10 600 млрд. л воды.

Сточные воды.

Вода необходима для эвакуации бытовых, промышленных и сельскохозяйственных стоков. Хотя около половины населения, например США, обслуживается канализационными системами, стоки из многих домов все еще просто сбрасываются в отстойники. Но все бóльшая осведомленность о том, к каким последствиями приводит загрязнение воды через подобные устаревшие канализационные системы, стимулировала прокладку новых систем и сооружение водоочистных станций для предотвращения инфильтрации загрязняющих веществ в подземные воды и поступления неочищенных стоков в реки, озера и моря.

Требования к воде, используемой в различных отраслях промышленности и в конкретных производствах, существенно различаются. Они отражены в соответствующих ГОСТах, технических условиях (ТУ), технологических инструкциях (ТИ), фармакологических статьях и других нормативных документах. Разброс требований чрезвычайно широк: от удаления только взвешенных частиц до воды, сверхчистой по всем компонентам. Содержание в ней загрязнений столь мало, что их концентрация не может быть измерена прямыми методами, а в обобщенном виде выражается в электропроводности или сопротивлении, которое часто требуется близким к теоретическому пределу - 18 МОм/см.

Все промышленные предприятия являются потребителями воды. Она расходуется для таких основных целей, как:

Хозяйственно-бытовое водоснабжение;

Отвод тепла, подогрев оборудования, кондиционирование;

Основные технологические нужды - приготовление реагентов, полупродуктов, теплоносителей, отмывка деталей.

Требования к воде для хозяйственно-бытовых целей минимальны, это, как правило, водопроводная вода. В ряде случаев допускается применение поверхностных или подземных вод без обработки, либо оборотных.

Воды 2 категории наиболее часто используются в обороте, основные требования к ним - минимальные коррозионная активность и отложения солей. Это достигается комплексом мероприятий по поддержанию в них определенного солевого состава и рН. Для этого осуществляется постоянная продувка системы, а подпиточная вода умягчается или обессоливается, в нее вводятся ингибиторы, а также щелочь или кислота для корректировки рН. Требования к качеству вод для таких целей в различных производствах достаточно близки. Расход таких вод составляет от десятков до тысяч кубометров в час.

Требования к воде для технологических нужд определены в соответствующих ГОСТах, ОСТах, ТУ, ТИ и т. п. Эти требования для различных производств очень отличаются друг от друга как по допустимому содержанию различных химических и механических загрязнений, так и по специальным требованиям, например, биологической стерильности и т. п.

В пищевой промышленности, как правило, требуется вода, по солесодержанию близкая к водопроводной, но с ограничением по содержанию взвесей, железа, марганца, солей жесткости и часто по биозагрязнениям. Наиболее распространено использование умягченной воды для производства соков, водки, пива и т. п. продуктов, а также для мытья бутылок. Ряд производств потребляет обессоленную воду с солесодержанием десятки мг/л для производства высокостабильной продукции. Причем иногда такую воду используют как основу для приготовления «стандартной» воды заданного состава. Потребление воды в пищевых производствах составляет от единиц до сотни м7ч.

Для ряда пищевых производств вода является основным сырьем: для розлива питьевой воды - 100% , производства соков - до 90%, безалкогольных напитков - более 95%, пива - 90%, водки - 60%.

Реальное потребление воды на единицу продукции существенно выше, поскольку она используется не только непосредственно как базовое сырье, но и для вспомогательных нужд - мытья бутылок и оборудования, нагрева и охлаждения и т. п.

Требования к воде для этих производств представлены.

Требования к воде для производства водки, пива и безалкогольной продукции

В энергетике требования зависят от используемого оборудования и режима его работы и колеблются от простого удаления взвесей и солей жесткости для теплосетей и паровых котельных до глубокого обессоливания с удалением органических загрязнений и растворенных газов (ТЭС, АЭС). Производительность установок составляет от единиц то тысяч м /ч.

Наиболее высокие требования предъявляются к воде для производства медицинских препаратов и электронных компонентов. Кроме глубокого обессоливания, вода не должна содержать микровзвесей и бактерий. Производительность таких установок составляет от литров до десятка кубометров в час.

В качестве примеров по требованиям к воде, используемой для технологических процессов в промышленности, приведены данные по

полам для подпитки теплосетей, для электроспитий с котлами низкого, среднею и высокого давления.

Показатели качества питательной воды

А. Питательная вода для систем теплоснабжения

В числителе указаны значения для котлов на твердом топливе, а в знаменателе -на жидком и газообразном топливе

Паровые газотрубные котлы ________________________

Требования к воде для гальванических производств по ГОСТ 9.314-90