Современные технологии и производство
Энциклопедия
На современном химическом заводе
Современная химическая промышленность многолика. Удобрения и лекарства, пластмассы и топлива, резиновые изделия и душистые вещества - сотни различных химических веществ выпускают каждый год химические заводы страны, причем в огромных количествах.
Создать новый химический завод, выпускающий удобрения, волокно или новый краситель, очень сложно. В этом принимают участие сотни людей различных специальностей. Вот почему в этой статье говорится не только о химической промышленности, но и о том, как создают химические заводы, производящие новые виды продукции.
Путь к производству нового химического продукта долог и тернист. Начинается он с идеи, которая приходит в голову ученым, работающим над наиболее рациональным способом синтеза нужного вещества. Ведь почти ко всем химическим веществам можно прийти различными путями, исходя из различных компонентов, соединяя их или, напротив, разлагая. И всегда ученые стараются найти такой способ создания нового вещества, чтобы меньше было реакций, дешевле были исходные вещества, проще аппаратура.
Через год или несколько лет - как повезет - лабораторных исследований ученые говорят: нужное вещество можно синтезировать таким-то способом. Теперь эстафету у исследователей принимают технологи. Они должны осуществить найденную реакцию не в миниатюрных лабораторных приборах, а в реально существующих аппаратах. Они должны соединить творческое исследование химика с реальным опытом инженера. Для этого они строят опытную установку уже не из стекла, а из керамики, стали, чугуна и других материалов и на ней проверяют свои расчеты, уточняют режимы процессов. На этой установке все операции максимально приближены к реальным заводским условиям.
Параллельно с этим специалисты по оборудованию подбирают материалы, из которых лучше всего изготовить необходимую для производства аппаратуру. Ведь иногда получаемые в синтезе вещества могут реагировать и с материалом аппарата. И тогда для аппаратов надо подбирать новые стали, сплавы или защищать их изнутри стеклом или пластмассой.
В лаборатории по технике безопасности изучают взрывные свойства полученных смесей; если опасность взрыва существует, то разрабатывают особые условия хранения, перевозки и эксплуатации химических реагентов (см. стр. 295).
В это же время в аналитической лаборатории изучают методы точного и быстрого анализа всех компонентов нового процесса. Важно уметь определять не только основные продукты, ради которых строится завод, но и незначительные примеси, которые влияют на ход процесса. Часто бывает, что доля процента какого-то постороннего вещества "выключает" всю реакцию или ухудшает конечный продукт.
Несмотря на то что все эти разносторонние исследования ведутся параллельно, на отработку процесса уходит еще год, а то и два: нужно не только устранить все неполадки, но и накопить достаточно достоверные данные. Эти данные будут еще раз проверены на полупромышленной установке, которую обычно строят на каком-то действующем заводе, где можно использовать для проверки нового процесса реальные промышленные условия. Продукция полупромышленной установки - сотни килограммов в день - направляется непосредственно будущим потребителям на отзыв. На эти испытания уходит еще год-два. Эта стадия весьма ответственная. Если после лабораторных исследований многое можно поправить, уточнить, то после полупромышленных испытаний изменения вносить во много раз труднее.
Когда новый процесс создан, его передают в проектный институт. И если что-то было плохо проверено - в технологии окажется ошибка, которая попадет в чертежи аппаратов, а потом в работу строителей и обнаружится только тогда, когда начнут пускать новый завод. Вот почему так важно четко и правильно провести испытание - сначала в лаборатории, а затем на заводе.
Итак, после всех лодсчетов, согласований, проверок новый химический процесс, который был плодом исследований ученых, теперь воплощен в результаты полупромышленных испытаний и переходит к проектировщикам.
В работу включились проектировщики
Здесь в работу включается сразу несколько групп специалистов. Технологи должны рассчитать объем основных аппаратов, составить материальный баланс процесса - сколько веществ входит в него, сколько выходит - исходя из годового выпуска продукции, а также уточнить, сколько нужно электроэнергии, пара и охлаждающей воды.
Механики и конструкторы делают чертежи аппа- , ратуры. Если для нового процесса можно приспособить уже существующие аппараты, их просто подбирают с учетом производительности; если такие аппараты наша промышленность не выпускает, конструируют новые. Потом составляют монтажную схему процесса: расставляют, пока еще на бумаге, будущие аппараты, будущие цехи и связывают их между собой будущими трубопроводами. На этой же схеме указывают все клапаны, вентили, смотровые окна, места замера температур и давления, места, где будут браться пробы веществ. Все должно быть учтено заранее, все до мельчайшего винтика. Проектировщики, хоть и имеют дело только с бумагой, должны видеть весь завод, как будто он уже существует.
Согласно указаниям технологов специалисты из отдела контрольно-измерительных приборов (КИП) подбирают и расставляют на чертежах свои приборы.
На этой же схеме расставляют необходимые насосы, компрессоры, которые станут перекачивать вещества из аппарата в аппарат, создавать в них повышенное давление или, наоборот, вакуум.
Затем в работу включаются проектировщики-строители. Они делают проект здания, при этом заранее намечают последовательность монтажа оборудования. Ведь если не сделать в коробке здания монтажных пролетов, если не расставить соответствующим образом несущие колонны, то аппараты нельзя будет внести в готовое здание и придется ломать стену.
Специалисты из отдела коммуникаций рассчитывают размеры труб, связывающих цехи, вычерчивают эстакады, подземные коллекторы, учитывают необходимую изоляцию.
Не сидят без дела и электрики - они должны предусмотреть подстанции, питающие цехи электроэнергией. А их коллеги теплотехники проектируют теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), чтобы обеспечить цехи горячей водой и паром, и одновременно намечают, как подавать к цехам холодную воду для усмирения чересчур бурно идущих реакций. Роль охлаждающей воды на современном химическом заводе столь велика, что создают специальные цехи водоподготовки.
Находится работа и для санитарных врачей. Они проверяют состав газов, которые завод будет выпускать в атмосферу: нет ли в них вредных примесей, опасных для людей и природы. Так же проверяют они и все сточные воды. Чистую воду можно сливать в реки, а вот загрязненные стоки направляют в огромные резервуары, где примеси отделяют отстаиванием и фильтрованием. Самые вредные отбросы направляют в печь и сжигают. На некоторых химических заводах вредные стоки удается очистить с помощью микроорганизмов. При этом отходы превращают в корм для скота, а чистую воду возвращают производству.
Потом в работу вступают проектировщики-пожарники. Они устанавливают на проекте места пожарных сигналов, размещают пожарные службы.
Ну и, конечно, ни один проект не обходится без тщательной проверки специалистов по технике безопасности. Они проверяют и перепроверяют безопасность для здоровья и жизни рабочих и служащих всех процессов и всех аппаратов и механизмов, намеченных в проекте.
Затем проектную эстафету принимают планировщики. Они составляют общий план завода, размещают цехи, планируют подъездные пути, дороги, пешеходные дорожки, размещают различные административные здания.
Совместно с проектировщиками работали и специалисты из сметного отдела. Они подсчитывали полную стоимость проекта. Здесь учитывается все: стоимость здания, оборудования, реагентов, зарплата рабочих, инженеров. Сумма обычно получается немалая - несколько десятков миллионов рублей. Ясно, что ответственность руководителей проекта перед государством очень велика, поэтому, перед тем как подписать проект, они еще раз тщательно просматривают данные всех отделов, придирчиво их обсуждают и, только полностью убедившись в правильности принятых на каждом этапе решений, ставят свои подписи на проекте. Кстати, даже на этой стадии им ^приходится немало потрудиться: документация современного завода занимает 40-50 ящиков.
Их грузят на автомобили, поезда или самолеты и отправляют на машиностроительные заводы, где по присланным чертежам будет создаваться химическая аппаратура, и строителям, которым предстоит в соответствии с проектом соорудить новое химическое предприятие.
Обычно на создание аппаратуры уходит год-два, еще столько же - на строительство завода, и только через 2-3 года после окончания проекта, а следовательно через 5-6 лет после окончания научного исследования, там, где раньше был пустырь, поднимутся многометровые установки. Теперь в новых цехах заводов в 3 или 4 смены станут работать тысячи людей - аппаратчиков, мастеров, инженеров, лаборантов.
С того момента, когда завод построен, опробован и принят государственной комиссией, его продукция включается в государственный план, и тогда ее начинают получать потребители - другие заводы, если это полуфабрикат, или покупатели, если это готовое промышленное изделие.
Так, по этой схеме создается любое химическое производство - как для выпуска органических продуктов, так и неорганических.
На химическом заводе
Чтобы познакомиться поближе с химическим заводом, надо остановиться на каком-то одном производстве. Среди многих важных и интересных мы выберем производство капролактама, сравнительно простого вещества, из которого на заводах синтетического волокна получают капроновые изделия.
Реакция, по которой идет синтез капролактама, ныне известна каждому школьнику. Исходные вещества: бензол, водород, аммиак, кислород воздуха. Синтез проводят в несколько стадий.
Для начала надо взять бензол и прогидрировать его, т. е. соединить с водородом, чтобы получить цик-логексан. При этом происходит такая химическая реакция:
Затем циклогексан следует окислить кислородом воздуха (реакция окисления):
Полученный циклогексанол переводят в циклогек-санон, при этом выделяется водород (реакция дегидрирования) :
Так выглядит современный химический завод. Людей не видно - только аппараты и трубы. В аппаратах происходят превращения веществ; по трубам подаются вода и пар и перекачиваются продукты. Сложным химическим процессом управляют на расстоянии по строго рассчитанной программе.
Циклогексанон соединяют с гидроксиламином, полученным из аммиака, и в результате получается циклогексаноноксим, или просто оксим:
Наконец, оксим смешивают с серной кислотой, и его молекула перегруппировывается в капролактам:
Изобразить ход реакции на бумаге легко. В действительности же каждая стадия процесса требует больших технологических ухищрений.
Сложности начинаются еще даже до начала первой реакции, до первого аппарата, еще на стадии хранения исходных веществ. Завод капролактама -производство мощное, одного только бензола в день расходуется около 60 м3 - это целая цистерна. А подвозить по одной цистерне в день рискованно: вдруг запоздает железнодорожный состав - тут же остановится весь завод. Поэтому завозят сразу по 10-15 цистерн, чтобы обеспечить бесперебойную работу на одну-две недели. Так поступают со всем сырьем, а не только с бензолом. Но бензол имеет неприятную особенность: он замерзает уже при температуре +5,5° С, а твердый бензол из цистерны уже не выкачаешь, поэтому приходится нередко предусматривать специальный "тепляк" - небольшой обогреваемый домик, куда зимой подают цистерну для размораживания.
Другой необходимый компонент - водород возить издалека вообще нельзя: водород - газ; чтобы его превратить в жидкость, надо его сильно сжать и охладить, а это очень дорого и опасно. Поэтому получают водород прямо на заводе или в крайнем случае направляют его по трубам с соседних предприятий непосредственно в цех гидрирования, где получают циклогексан.
Основа цеха гидрирования - толстостенный стальной цилиндр диаметром 1,5 м и высотой 14 м. Внутри него на полках насыпан катализатор, туда подают пары бензола и водород.
Но бензол нельзя подавать прямо со склада в аппараты, и в цехе создают специальную промежуточную емкость. Далее бензол надо испарять, чтобы его можно было смешивать с водородом,- и ставят испаритель. Надо мерить параметры процесса (температуру, давление, массу подаваемого сырья и отводимого продукта) - для этого аппараты оснащают контрольно-измерительными приборами. Надо сконденсировать пары циклогексана - ставят теплообменник. Наконец, надо перекачивать конечные и исходные продукты реакции - ставят много насосов. Поэтому цеховое хозяйство волей-неволей растет, становится сложным и большим, хотя для самой реакции, казалось бы, нужен только один аппарат.
В цех на окисление...
Полученный циклогексан - легкая, похожая на бензин жидкость - подается по трубопроводу в следующий цех на окисление. Этот цех самый большой и самый сложный. Основная трудность процесса здесь заключается в том, что легко воспламеняющаяся жидкость должна быть окислена кислородом воздуха. Иными словами, нужно провести горение циклогексана, но только медленное, без пламени. И стоит лишь чуть-чуть упустить реакцию, как может начаться пожар, а загоревшийся аппарат, наполненный 20 т циклогексана, пострашнее, чем зажигательная бомба. Поэтому аппараты окисления -а их в цехе 4 или 6 - снабжены множеством приборов, регулирующих плавное течение процесса.
Сам процесс идет следующим образом: в аппарат, залитый горячим циклогексаном, снизу подается воздух под давлением 1,5-2 МПа (15-20 кгс/см2). Он "пробулькивает" через циклогексан, постепенно его окисляя. Сверху в аппарат непрерывно поступает свежий циклогексан, а снизу выходят продукты окисления. Та часть воздуха, которая не вступила в реакцию, т. е. азот, проходит через специальную систему очистки, после чего выбрасывается в атмосферу. Выделяющееся в ходе реакции тепло отводится за счет испарения воды, циркулирующей в змеевиках внутри аппарата. Для окисления применяется катализатор, но, в отличие от гидрирования, здесь он вводится в реакцию не твердым, а растворенным в самом циклогексане.
Окисление - такой энергичный химический процесс, что в результате его образуются разные вещества. Чтобы удержать реакцию в рамках, не дать циклогексану вспыхнуть, как костер, его приходится гнать через аппарат с большой скоростью. Но в этом случае реагирует лишь его небольшая часть, всего 5%. Непрореагировавший циклогексан выходит вместе с продуктами окисления и после специального разделения возвращается снова в аппарат.
В этих 5%, как ни кратко было окисление, содержится много веществ. В числе прочих есть тут и органические кислоты, и вода, образовавшаяся вследствие частичного разложения циклогексана и окисления его обломков. Это неприятные примеси, и, хотя их немного, приходится тем не менее специально из-за них строить большие отстойники, где можно удалить воду и нейтрализовать кислоты щелочью. Если этого не сделать, кислота на всех последующих стадиях будет разъедать стальную аппаратуру, и, следовательно, надо либо делать аппараты во всех последующих цехах из нержавеющей стали, либо нейтрализовать кислоты. Тогда продукты окисления будут не опасны и для обыкновенной стали, а она значительно дешевле нержавеющей.
Но технологические сложности, рожденные самим инженерным решением процесса, на этом не кончаются. В тех 5% окисленного циклогексана, ради которых проводился процесс окисления, нужных продуктов окисления циклогексана всего 3/4. И это не одно вещество, а два - циклогексанол и цикло-гексанон, а нужно для синтеза капролактама только одно вещество - циклогексанон. Поэтому кроме цеха окисления приходится строить еще один цех, где все продукты нужным образом разделяются. Это очень сложная задача. Вообще разделить два вещества, если они смешаны, не так просто. Для этого в химической промышленности используют специальный метод, называемый ректификацией.
Самые высокие аппараты
Ректификационные колонны, пожалуй, самые высокие химические аппараты, высота их достигает 42 м - это 14-этажный дом. Выше их на заводе только трубы ТЭЦ и газоочистки. Диаметр ректификационной колонны тоже немалый - до 5 м. Весит каждая такая громадина до 150 т. Всего их в цехе 5-6, и работают они последовательно.
Принцип ректификации состоит в следующем. Если нагревать до кипения смесь двух веществ, то в парах будет больше содержаться того вещества, которое кипит при более низкой температуре. Например, если вскипятить смесь равных количеств воды и спирта, то в парах окажется больше спирта, чем воды, потому что он кипит при 78° С, а вода - при 100° С. Если такой смешанный пар затем сконденсировать, то получится жидкость, в которой спирта больше, чем в исходной смеси. Повторив эту операцию множество раз, можно получить практически чистый спирт.
Чтобы не ставить в цехе сотни испарителей и конденсаторов, ученые и инженеры изобрели ректификационную колонну, в которой оба процесса - испарение и конденсация - происходят одновременно и многократно. Колонна устроена таким образом: вдоль всей ее оси расположены перегородки, называемые тарелками, в которых имеются отверстия, и над каждым таким отверстием поднимается вверх короткая трубка. На тарелках собирается смесь, которую пытаются разделить. Уровень жидкости определяется высотой трубки - излишек перетекает на нижнюю тарелку. Самый низ колонны -куб обогревается мощным кипятильником длиной около 5 м. Пары смеси поднимаются вверх по колонне, проходя сквозь трубки в тарелках. На каждом таком "этаже" пары, соприкасаясь с жидкостью, стекающей вниз, все более обогащаются легко летучим компонентом. И к самому верху колонны приходят пары, содержащие в основном именно легко летучий компонент. А продукт, кипящий при более высокой температуре, остается внизу, в кубе. Поднявшиеся вверх пары отводят из колонны, конденсируют в холодильнике и подают на следующую ректификационную колонну - там из смеси выделяют еще один нужный компонент, и так постепенно смесь разделится на все составные части.
Чтобы облегчить разделение веществ, которые имеют слишком высокую температуру кипения, ректификацию проводят в вакууме, т. е. при давлении ниже атмосферного, а следовательно, и при более низкой температуре. Для этого колонну приходится оборудовать еще и вакуумными насосами. Естественно, что такие огромные аппараты, как ректификационная колонна, ни в какое здание не влезут, поэтому их строят прямо под открытым небом, а в помещение прячут только щит управления и насосы. Насосов много: одни качают смесь, другие подают охлаждающую воду, третьи гонят пар, четвертые создают вакуум.
Ректификация - процесс многоступенчатый. Сначала отгоняют легко летучий циклогексан и возвращают его обратно в цех окисления. То; что осталось в кубе колонны, подают на следующий ректификационный аппарат, там отгоняется смесь циклогекса-нола и циклогексанона. Затем смесь перекачивают еще на одну колонну и уж только там разделяют, причем с большим трудом, потому что температуры кипения циклогексанола и циклогексанона отличаются всего на 5° С.
Чтобы выделить 1 т циклогексанона из продуктов окисления, нужно затратить около 10 т пара и свыше 1000 м3 холодной воды - вот сколько энергетических ресурсов уходит на операцию, которая даже и не обозначена в самой химической реакции. Эти дополнительные процедуры, рожденные технологией, необходимостью иметь дело с большими массами веществ и большими аппаратами, и составляют характерную особенность химической промышленности. Если судить по реакции, приведенной в учебнике химии, завод капролактама, даже самый мощный, должен был бы уместиться на небольшой территории - ну сколько места займут 4-5 мощных химических аппаратов? А на самом деле современный завод простирается приблизительно на 2 км в длину и на 1,5 км в ширину. Во-первых, цехи разрастаются из-за многочисленного вспомогательного оборудования, которое нередко занимает больше площади, чем основные аппараты. Во-вторых, все цехи и все аппараты внутри цеха должны отстоять друг от друга на определенном расстоянии - из соображений противопожарной безопасности. Кроме того, надо, чтобы машины имели возможность подвезти запасные детали к любому месту, где требуется ремонт, чтобы было где развернуться подъемному крану. В 150-тонной колонне масса отдельных деталей достигает нескольких тонн, их вручную не поднесешь!
Противопожарной безопасности на химических производствах уделяют большое внимание, особенно в таких цехах, как цех окисления циклогексана. Здесь предусмотрено автоматическое тушение пожара (см. ст. "Техника тушит пожары"). Под всеми аппаратами проложены трубы с водой и пенообра-зующей жидкостью. Они сконструированы таким образом, что автоматически начинают выбрасывать вверх фонтаны воды и пены, как только температура воздуха около них повысится, скажем, выше 70° С. Одновременно автоматически отключается подача сырья, сбрасывается в аварийную емкость конечный продукт... Словом, все делается для того, чтобы в случае пожара освободить аппараты от горючих веществ в считанные минуты.
И наконец - в капролактам...
Но вернемся в цех ректификации. Из этого цеха циклогексанол перекачивают насосом в следующий цех, где его подвергают дегидрированию (т. е. удаляют водород), превращая в циклогексанон. Аппарат для дегидрирования похож на тот, в котором проводится гидрирование,- это тоже цилиндр, только с трубками внутри. .В трубках - катализатор, в межтрубном пространстве - горячие газы для подогрева, так как этот процесс требует тепла. В связи с этим возле каждого аппарата ставят печь для сжигания природного- газа. А поскольку температура продуктов горения газа слишком высока для процесса, их разбавляют воздухом.
В результате реакции дегидрирования из аппарата выходят смеси циклогексанона и водорода. Водород отделяют, конденсируя циклогексанон, но не выбрасывают его, а возвращают в первый цех на гидрирование бензола. Освобожденный от водорода циклогексанон после еще одной очистки смешивают с цик-логексаноном, полученным при окислении, и направляют в следующий цех, где ему предстоит превратиться в капролактам.
Этот цех, последний по счету, объединяет две химические стадии. Одна - реакция циклогексанона с гидроксиламином для получения оксимз, вторая -перегруппировка оксима под действием серной кислоты в капролактам. Но, как это уже не раз было, два акта химического взаимодействия обрастают таким количеством дополнительных и вспомогательных операций, что рядом с ними основные реакции как бы отходят на второй план.
Прежде всего нужно получить гидроксиламин. Получают его из аммиака. Аммиак привозят на завод в цистернах либо, если это возможно, подают по трубопроводу с близлежащего аммиачного завода. Основные технологические сложности связаны с превращением аммиака в гидроксиламин. Для этого приходится сооружать три вспомогательных цеха. Три цеха для работы одного аппарата - вот где наглядно виден весь масштаб сложности химического производства! Аммиак надо сжечь - и появляется печь. Полученные окислы азота надо соединить с карбонатом аммония, но эта реакция идет только на холоде - и появляется мощный холодильник. Образовавшийся нитрит аммония надо соединить с сернистым ангидридом, а чтобы получить его, надо сжечь природную серу - и вот появляется еще одна печь и заодно сложная установка по очистке отходящих газов и стометровая труба, чтобы защитить окружающую среду от окислов серы. А сама реакция с сернистым ангидридом идет при 0° С - и появляется еще один холодильник. И еще две стадии надо пройти, пока не получится в конце концов желанный гидроксиламин.
Схема производства капролактама.
Отстойник. Здесь лроисходит разделение двух жидкостей, имеющих разный удельный вес.
Абсорбер. Аппарат для растворения газа в жидкости. Для этого жидкость -абсорбент - распыляют на мелкие капли, которые легко поглощают газ.
Теплообменник. Аппарат для подогревания и охлаждения химических веществ. Нагревают вещества чаще всего паром, а охлаждают - водой.
Ректификационная колонна. Один из самых высоких химических аппаратов. Он применяется для разделения двух смешанных жидкостей, отличающихся друг от друга только температурой кипения.
Экстракционная колонна. В ней происходит отделение примесей от основного вещества. Для разделения используют жидкость, отличающуюся от основной жидкости удельным весом и хорошо растворяющую примеси.
После всего этого основная реакция - соединение гидроксиламина с циклогексаноном - кажется очень простой. Она идет при обычной температуре, в водной среде, в самом обычном аппарате с мешалкой, не надо ни компрессоров, ни подогревателей.
Получаемый на выходе оксим без всякой очистки сразу же подают в другой аппарат, куда поступает серная кислота. Она нужна здесь для того, чтобы вызвать в молекуле оксима внутреннюю перегруппировку атомов, в результате которой и образуется капролактам.
Насос перекачивает жидкости. Очень распространенный аппарат.
Компрессор сжимает газ и подает его под давлением в другие химические аппараты.
Мешалка. Аппарат для перемешивания двух различных жидкостей.
Но процесс на этом не кончается: предстоит еще одна технологическая операция - очистка продукта. От чистоты капролактама зависят все важнейшие свойства будущего капронового волокна - прочность, способность к ровному окрашиванию, стойкость на свету. Количество примесей не должно превышать 1 часть на 100 тыс. частей капролактама. Чтобы добиться такой высокой очистки, приходится ставить специальные установки, где капролактам подвергается экстракции, т. е. извлечению. Капролактам получается при перегруппировке оксима в виде водного раствора; если добавить в этот-раствор бензол, капролактам растворится в нем, а примеси останутся в воде. Экстракция много проще ректификации, поскольку она не требует нагревания, а идет при нормальной температуре. Тем не менее аппараты для экстракции - это колонны диаметром 1,5 м и высотой 15 м! Обычно на заводе таких экстракторов два. В одном капролактам извлекают бензолом из водного раствора, в другом - водой из бензола. Делается это, во-первых, чтобы освободиться от органических примесей, которые могли перейти в бензол вместе с капролактамом, обратно в воду они уже не перейдут; а во-вторых, чтобы легче было получить готовый продукт - из водного раствора его можно получить выпариванием.
В конце концов образуется расплав капролактама с температурой плавления 68-69° С. Расплав нагревают примерно до 90° С и в таком виде заливают в цистерны с тепловой изоляцией. Если теплоизоляция достаточно тщательно сделана, капролактам не затвердевает за те 7-8 суток, что он находится в пути к потребителям, к заводам, на которых он превратится в ценные предметы массового потребления: в капроновые ткани или чулки, сети или канаты, брезент или корд для покрышек авиационных или автомобильных колес и многие другие изделия.
Конечно, можно охладить капролактам, измельчить его и везти к потребителю в виде порошка или гранул. Так, кстати, и делают, когда отсылают его на экспорт в другие страны,- расстояние в этом случае велико и расплав застыл бы по дороге. Но там, где можно, лучше иметь расплав, потому что на заводах, изготовляющих капроновые изделия, капрон получают именно из расплавленного капролактама.
Теплоизоляция на химических предприятиях вообще имеет большое значение. Почти все аппараты стоят прямо под открытым небом, зимы у нас в стране холодные, а химические процессы требуют строго определенной температуры. Кроме того, аппараты и цехи расположены далеко друг от друга, и вещества транспортируются по трубам, поэтому приходится заботиться и о теплоизоляции трубопроводов. Обычно теплоизоляцию делают из шлаковой ваты или стекловолокна, сверху закрывают ее жестким кожухом. Кожух разъемный, чтобы можно было легко отремонтировать в случае необходимости поврежденный участок аппарата или трубопровода.
Как получают серную кислоту
Производство капролактама позволило нам познакомиться с одним из современных химических заводов. А теперь мы расскажем о получении другого важнейшего химического вещества - серной кислоты.
Вез серной кислоты в наши дни не может обойтись ни одна отрасль промышленности. Огромные количества серной кислоты применяются в производстве удобрений, при очистке нефти, для обработки кожи и, как мы видели, при получении капро-лактама.
Особенность производства серной кислоты - это применение аппаратов большой производительности. Для выработки миллионов тонн серной кислоты, необходимой нашей стране, применяют аппараты, перерабатывающие до 500 т сырья в сутки, а это не меньше 10 вагонов. А сейчас разрабатываются проекты аппаратов в 2 и 3 раза более мощных.
Сырьем в производстве серной кислоты служат природные соединения, в которых атомы серы связаны с железом, цинком или другими элементами. Природное сырье после отделения от ненужной породы размалывают и подают на сжигание. В случае применения серного колчедана при сжигании образуется сернистый ангидрид и окись железа:
Сернистый ангидрид получают при температуре 450-550° С в печах, выложенных изнутри огнеупорным кирпичом. В печь вдувают раздробленный колчедан и нагретый воздух, а полученный сернистый ангидрид охлаждают и очищают от примесей.
Образующаяся при реакции окись железа не является пустым балластом, ее непрерывно выгружают из печи и отправляют на металлургический завод для выплавки чугуна.
Сернистый ангидрид получается также в виде побочного продукта - например, при выплавке меди из серного колчедана. Отходящие сернистые газы улавливают, чтобы они не отравляли окрестности, и направляют их на дальнейшую переработку.
Тепло горячего сернистого газа используется для испарения воды и получения пара, обогревающего другие аппараты этого производства. Количество пара, получаемого от одной печи даже среднего размера,- 10 т/ч.
На следующей стадии производства сернистый ангидрид подвергают повторному окислению для получения серного ангидрида. Эта реакция идет при температуре 440° С только в присутствии катализаторов, изготовленных на основе платины или ванадия, по уравнению:
Смесь сернистого газа и воздуха подается в реактор, где на нескольких решетчатых полках расположен катализатор.
На последней стадии проводится поглощение серного ангидрида водой по реакции:
Взаимодействие проводится в аппарате, напоминающем внешне башню. Чтобы улучшить контакт между газом и стекающей сверху водой, башню заполняют насадками в виде небольших колец различной формы. Серная кислота собирается в нижней части аппарата и откачивается насосом в емкости склада готовой продукции.
Потребителям - заводам, которые производят удобрения, очищают нефть, выделывают кожу, и многим, многим другим - серную кислоту привозят по железной дороге в цистернах из нержавеющей стали.
Изделия из газа
На заводах пластмасс и резиновых изделий изготовляют продукцию, которая не нуждается в дальнейшей переработке и может сразу поступать в магазины. На этих заводах из дешевого химического сырья - природного газа, отходов переработки нефти - изготовляют непосредственно изделия. Это детали станков и моторов, радиоприемников и телевизоров, корпуса лодок и катеров, изоляция для электрических проводов и покрытие для мебели, посуда и различные пленки - всего и не перечислишь... Широко применяются и резиновые изделия. Из резины делают автомобильные шины и обувь, спортивное оборудование, шланги и тысячи других вещей.
Внешне завод пластмассовых изделий напоминает завод капролактама. Газы (этилен, пропилен) или жидкие продукты (стирол, формальдегид) поступают на завод по трубам или в железнодорожных цистернах. Затем сырье полимеризуют, т. е. из многих небольших молекул получают огромные молекулы. Например, для получения твердого полиэтилена берут газообразный этилен и подают его под давлением в стальной аппарат - реактор полимеризации. Там с помощью катализатора получают полиэтилен в виде порошка. Затем порошок полиэтилена нагревают, придают нужную форму и получают изделие. Это делают на литьевой машине. Разогретую массу полиэтилена вдавливают в пресс-форму; внутри ее имеется свободное пространство, соответствующее форме нужного изделия. Теперь осталось только охладить - и готовое изделие вынимают из машины.
Современные литьевые машины за каждый час могут изготовить более 100 таких изделий, как ведро, руль автомобиля и т. д. А таких мелких деталей, как, например, стекло заднего фонаря автомобиля,- до 1000 штук в час. Процесс сборки и разборки пресс-формы автоматизирован. Кроме того, за соблюдением технологии процесса следят автоматические регуляторы давления и температуры.
На литьевой машине можно за короткое время получить детали очень сложной формы. Если бы такие изделия делали из металла, потребовалось бы значительно больше труда и затрат времени.
Особое оборудование применяют для получения различных труб. Порошок полиэтилена засыпают в аппарат, работающий вроде огромной мясорубки.
Только у этой "мясорубки" корпус обогревается паром или электрическими спиралями и вместо решетки, через которую у настоящей мясорубки проходит мясо, установлена пластина с кольцевым отверстием. Из этого отверстия непрерывно выползает полиэтиленовая труба. Поставив пластину с меньшим или большим отверстием, мы получим трубы другого диаметра.
Значит, для того чтобы на заводе пластмасс изменить вид изделий, не надо менять оборудование, что приходится делать на заводах, выпускающих металлические детали, достаточно изменить штамп, пресс-форму, пластину.
Как очищают сточные воды
Что происходит с водой, которую используют для своих нужд заводы и фабрики, химические комбинаты? С водой после стирки, мытья рук, посуды?
Если отводить эту воду назад в реки, не очищая, то реки погибнут. А вместе с ними погибнет целый мир: рыбы, птицы, прибрежные леса. Не случайно в нашей стране принят особый закон о воде, который сурово карает всех, кто виновен в загрязнении рек и водоемов.
Чтобы защитить природу, во всех городах строят канализационные станции. Там часто очищают вместе бытовые и промышленные сточные воды. Одна из лучших таких станций построена в г. Северодонецке, где находится гигантский химический комбинат. Вот как она работает.
На станцию приходит сточная вода из химкомбината и города. Трудно перечислить все загрязнения, которые она несет в себе: здесь и тряпье, и растворы, и белки, и фекалии, и песок, и шлак, и многое другое.
На станции прежде всего удаляют крупные загрязнения. Для этого сточную воду пропускают через специальные решетки. Они не только задерживают всяческий мусор, но даже дробят его. Задержанный на решетках 'мусор вывозят на свалку.
Потом из воды удаляют самые тяжелые примеси - песок и шлак. Для этого сточные воды направляют на первые очистные сооружения - песколовки. Это длинные железобетонные резервуары. Вода бежит по ним очень быстро, и самые тяжелые вещества - песок и шлак - успевают осесть на дно.
Освободившись от песка и шлака, вода устремляется к наиболее многочисленным сооружениям станции - отстойникам, по форме похожим на громадные кастрюли.
Между отстойниками располагается самое главное сооружение станции, похожее на плавательный бассейн,- аэротенк. Вода перебегает в нем с одной дорожки на другую и постоянно перемешивается с воздухом. В аэротенке удаляются растворенные в воде органические вещества. Для этого там содержатся полчища бактерий - инженеры называют их активным илом. Их так много, что внешне они действительно похожи на плавающий в воде ил. Бактерии жадно пожирают органические загрязнения - для них это лучший корм. Чтобы они не задохнулись и постоянно перемешивались с водой, в аэротенк подают воздух. В результате растворенные органические вещества переходят в бактерии, активного ила становится все больше, а загрязнений все меньше. Избавиться же от активного ила очень просто - он тяжелее воды и легко осаждается в отстойнике. Часть ила из отстойника вновь подают в аэротенк, а часть высушивают и используют как удобрение.
На большинстве канализационных станций на этом очистка кончается. Очищенную воду хлорируют, чтобы убить болезнетворные бактерии, и сбрасывают в реку.
Но в г. Северодонецке решили по-другому. На станции вырыли 2 громадных пруда и направили туда воду из отстойников. В прудах поселили карпов, уток и даже черных лебедей. А поблизости живут кабаны, черно-бурые лисы, песцы, соболи. Все едят рыбу, выращенную в прудах. И все живы-здоровы. Такой "зоопарк" на станции не обычный, а экспериментальный. Он поможет ученым ответить на вопрос: можно ли в городах сточную воду превращать в водопроводную или нет?
Воду из прудов г. Северодонецка забирают насосами, фильтруют и снова пускают в производство. Так вода и ходит по кругу: комбинат - станция - снова комбинат. И только очень небольшая часть воды сбрасывается из прудов в Северный Донец.
Химический завод-автоматизированное предприятие
Производства капролактама и серной кислоты позволили нам познакомиться с двумя современными химическими ааводами. Есть заводы поменьше, есть побольше, но на каждом из них все равно используются те же самые, что и на этих двух, основные технологические операции: транспортировка исходных веществ, создание давления или вакуума, нагрев аппаратов или охлаждение, перемешивание или циркуляция, введение катализаторов - твердых или растворенных, очистка веществ, разделение их ректификацией, испарение и конденсация, измельчение твердых веществ и т. п. Во многом схожи и химические аппараты, применяемые на разных производствах. Они могут отличаться размерами, материалом, изоляцией, но конструкций их не так уж много: трубчатые, тарельчатые, в виде колонн или в виде баков, с подачей веществ снизу или сверху и т. д.
Схоже и управление химическими процессами -все максимально автоматизировано: чуткие датчики следят за малейшими изменениями давления, температуры, состава. В случае каких-то отклонений автоматы мгновенно выравнивают процесс, увеличивают или уменьшают подачу пара или охлаждающей воды, усиливают или ослабляют работу компрессоров или вакуум-насосов, ускоряют или замедляют подачу реагентов.
Когда-то, на заре индустриализации, многие химические процессы велись на глазок. Сейчас буквально каждый шаг происходящих реакций контролируется с помощью точных анализов. В каждом цехе, наряду с автоматическими анализаторами, есть еще и аналитические лаборатории, куда регулярно доставляются пробы веществ.
На современном химическом заводе есть и своя железнодорожная станция, и своя пожарная команда, и склады, и ТЭЦ, и-цехи холода, и цехи водо-подготовки... Кроме химиков - - рабочих, техников, инженеров - там трудятся строители, монтажники, изолировщики, механики, слесари, токари, теплотехники, холодильщики, специалисты по водоснабжению, по очистке воздуха и воды и люди еще многих других профессий.
Другая особенность химических производств - их кооперация. Как правило, отдельные заводы стремятся объединиться в комбинаты. Дело не только в том, что можно сэкономить на общих службах -транспорте, получении воды, пара; дело еще и в том, что многие вещества, получаемые в ходе какого-нибудь синтеза как побочные, являются основным сырьем для других химических производств. И тогда выгодно размещать рядом заводы, использующие продукцию или отходы производства своих соседей.
Драгоценный... алюминий
Знаете ли вы, что в середине прошлого века алюминий, из которого сегодня делают кастрюли, ложки, кружки и другие предметы обихода, считался чуть ли не самым дорогим и редким металлом - он ценился дороже золота.
Императором Франции в то время был Наполеон III - "маленький племянник великого дяди", как называли его. Большой любитель пустить пыль в глаза, он устроил однажды банкет, на котором члены монаршей семьи и наиболее почетные гости были удостоены высокой чести -есть алюминиевыми ложками и вилками.
Гости же попроще вынуждены были пользоваться обычными (для императорских банкетов, разумеется) золотыми и серебряными приборами. Конечно, им было обидно, но что поделаешь, если даже император не мог тогда обеспечить каждого гостя алюминиевыми приборами.
Проделки матушки-зимы
В самом начале XX в. в Петербурге на складе военного оборудования произошла скандальная история: во время ревизии к ужасу интенданта выяснилось, что оловянные пуговицы для солдатских мундиров исчезли, а ящики, в которых они хранились, доверху заполнены серым порошком. И хотя в помещении склада был лютый холод, горе-интенданту стало жарко. Еще бы: его, конечно, заподозрят в краже, а это сулит тюрьму. Спасло беднягу заключение химической лаборатории, куда ревизоры направили содержимое ящиков: "Присланное вами для аиализа вещество, несомненно, олово. Очевидно, в данном случае имело место явление, известное в химии под названием "оловянная чума". На морозе блестящий белый металл олово сначала становится тускло-серым, а затем рассыпается в порошок.
2i.SU ©® 2015