3.1.2. Технологічний процес і системи технологій

Який зміст ми вкладаємо в поняття «технологія»? З огляду на предмет дисципліни, поняття «технологія» передовсім слід зв’язувати з економічною діяльністю людського суспільства, спрямованою на пристосування та змінювання предметів зовнішнього природного середовища для задоволення своїх потреб.

В економіці реалізація технологій відбувається в тріаді складових виробництва: праця, носієм якої є людина, предмети праці й засоби праці. Отже, технологічні процеси є складовою частиною загальнішого поняття — виробничого процесу, який складається з матеріального й енергетичного забезпечення, транспорт­них і складських операцій, ремонтних робіт і техніко-еконо­мічного управління виробництвом. Технологічний процес розміщено в центрі виробничого процесу, який формується під впливом об’єктивних факторів: соціального устрою суспільства, його економіки, відповідних сировинних ресурсів, наукового рівня та практичного досвіду керівників (менеджерів) і виконавців виробництва (рис. 54).

Технології здебільшого складні та багатостадійні. Навіть така, як виготовлення целофанової плівки для пакування продуктів хар­чування чи квітів, — це ланцюг послідовних механічних і хімічних процесів. Основні з них — подрібнення деревини, термохіміч­на оброблення її розчином Са (HSO3)2 (cульфітне варіння) для розчинення лігніну — складової деревини, відфільтровування целюлози й формування її в листи. Целюлозу обробляють розчином NaOH i H2S для перетворення її на ксантогенат целюлози, з якої в слабкому розчині NaOH одержують віскозу. У ванні з розчином сірчаної кислоти з віскози регенерують целюлозу у вигляді целофанової плівки.

У наведеній технології виробництва целофану можна виділити чітко окреслені як за місцем, так і в часі послідовні стадії процесу, коли продукт, одержаний у попередній стадії, є вихід­ним для наступної. Таку технологію називають періодичною.
Однак більшість сучасних технологічних процесів хімічної промисловості безперервні. Наприклад, процес виробництва поліетиленової плівки саме такий: стискання газу етилену (С2Н4) у компресорі, каталітична полімеризація етилену в реакторі під високим тиском (300 МРа), формування розплавленого полімеру в плівку методом видування на спеціальних машинах.

До основних галузей промисловості належать паливно-енерге­тична, металургійна, хімічна, машинобудівна. Однак навіть у найбільших із них технологічні процеси виробництва галузевої продукції не завжди забезпечуються тими вихідними чи допоміж­ними матеріалами, які виробляються в межах самої галузі.

На прикладах технологій виробництва целофану й поліетилену видно, що окремі технологічні процеси кожного з цих виробництв об’єднано у відповідні системи технологій, які включають одержання сировини й допоміжних продуктів з різних галузей промисловості.

Складові сировини чи напівпродукту, які не входять до складу основної продукції галузі, стають матеріальною основою промислових відходів.

Кількісні та якісні характеристики матеріальних і енергетичних потоків зумовлюють економічну й екологічну ефективність системи технологій кожного виробництва.

Технологічний регламент
і матеріальний баланс [80, 8—14]

Технологічний регламент — це основний технічний документ, який визначає режими й порядок проведення кожної з операцій технологічного процесу виробництва конкретного продукту. Для кожного нового виробництва він розробляється науково-проектними організаціями галузі або підприємством безпосередньо чи за участю науково-проектних установ на основі патентів і ліцензій. До впровадження у виробництво проект технологічного регламенту розглядається на вченій раді наукового закладу або технічній раді підприємства, після чого затверджується особисто керівниками цих установ і підприємств та представниками екологічної експертизи. На виробництво продукції розробляються державні стандарти. Будь-які корисні зміни чинного технологічного регламенту ще до їх впровадження у виробництво треба затвердити в тих самих інстанціях.

Кожний технологічний регламент починається з титульного аркуша, де зазначено назву технологічного процесу, назву підприємства, поставлено підпис керівника та печатку підприємства, підписи й назви посадових осіб, відповідальних за розроблення технологічного процесу та експертні екологічні висновки.

За титульною сторінкою вміщують перелік розділів технологічного регламенту, зокрема:

1. Загальна характеристика виробництва.

2. Характеристика продукції, вихідної сировини й допоміжних матеріалів.

3. Рецептура та матеріально-енергетичні розрахунки.

4. Схема матеріальних потоків.

5. Опис операцій технологічного процесу.

6. Технологічна схема.

7. Норми робочого часу.

8. Можливі порушення процесу та способи їх усунення.

9. Характеристика відходів виробництва, їхні токсичні властивості.

10. Матеріальний баланс операцій та всього технологічного процесу.

11. Метрологічне забезпечення технологічного процесу, перелік контрольно-вимірювальних приладів і засобів автоматизації.

12. Охорона праці та санітарія.

13. Засоби для додержання екологічних норм виробництва.

14. Специфікація (перелік і характеристика) технологічного устаткування.

15. Специфікація контрольно-вимірювальних приладів і засобів автоматизації технологічного процесу.

16. Перелік обов’язкових інструкцій.

Економісту чи екологу починати вивчати конкретне виробництво треба з вивчення технологічного регламенту, дані якого є основною базою для техніко-економічного й екологічного аналізу.

Як приклад, наведемо фрагменти технологічного регламенту вітчизняного виробництва найпростішого продукту — солі (Слов’янський солеварний завод на Донеччині)

У розділі «Характеристика продукту, його призначення й сировина» подано такі дані.

Продукти виробництва — хлорид натрію (NaCl). Товарна назва продукту — кухонна сіль «Екстра».

Призначення продукту — застосовується як смакова приправа в харчовій промисловості та побуті, а також як сировина в інших виробництвах, наприклад, у виробництві кальцинованої соди, медичних препаратів та ін.

Вимоги до якості продукту визначаються державним стандартом ГОСТ 13830–84 за такими параметрами:

Температура плавлення t = 800°C.

Температура початку розтріскування за нагрівання t = 78°C.

Фракційний склад часток — 0,18…0,2.

Густина кристалів — 2,16 г/см3.

Розчинність у воді за 20°С — 317 г/літр (317 кг/м3).

Вихідна сировина — насичений розчин природної кам’яної солі (ропа).

Вміст складових розсолу:

Густина ропи r — 1195 кг/м3.

У розділі «Стадії технологічного процесу» названо такі операції та характеристики проміжних напівпродуктів (рис. 55).

Стадія 1. Видобування сировини. Насичений розчин NaCl одержують вилужуванням* підземних природних покладів кам’я­ної солі та транспортують його по свердловинах на поверхню до виробничого цеху очищення.

Стадія 2. Очистка сирої ропи методом оброблення содою (Na2CO3) і вапняком (Сa (OH)2), що спричинює зв’язування іонів Са2+ та іонів Mg2+, розчинених у ропі CaSO4, MgSO4 в карбонати й випадання їх в осад за реакціями:

CaSO4 + Na2CO3 ® CaCO3¯ + Na2SO4;

MgCl2 + Ca(OH)2 ® Mg(OH)2¯ + CaCl2;

CaCl2 + Na2CO3 ® CaCO3¯ + 2NaCl.

Очищена ропа містить:

NaCl — 300 g/l; Na2CO3 не більше 6 g/l; Na2SO4 — 5 g/l; NaOH — 0,1 g/l. Усього — 311 грамів солей в одному літрі ропи.

Стадія 3. Концентрування (перенасичення) розчину NaCl методом вакуумного випаровування води.

У процесі випаровування води концентрація розсолу підвищується до граничної межі, і надлишок солі випадає в осад.

Стадія 4. Відділення солі (NaCl), яка випала в осад, від її насиченого розчину (300 kg/m3) методом центрифугування.

Стадія 5. Сушіння кухонної солі.

Стадія 6. Розсівання (за фракціями зерен 0,18…0,2 mm).

Стадія 7. Видалення із солі механічних домішок (металічних часток, окалини).

Стадія 8. Фасування та затарювання солі на автоматах у поліетиленові пакети масою 200 g i 1 kg, паперові мішки — 20 kg.

У розділі «Специфікація та характеристика устаткування» описано будову, параметри устаткування та принципи режиму його функціонування.

Буріння свердловин на глибину 200…300 m (у пласт солі) здійснюють спеціальною буровою установкою. Над свердловиною споруджують систему трубопроводів, якими воду закачують до пласту солі. Вилужування NaCl із пласта солі відбувається протягом двох-трьох років, після чого за допомогою глибоконасосної установки ропу викачують на поверхню й трубопроводами подають до цеху очистки.

На стадії 2 застосовуються відцентрові насоси й реакційні ємності з механічними мішалками для розчинів. Після відстоювання розчини відокремлюються від твердих домішок способом декантації.

На стадії 3 застосовуються вакуумно-випарювальні апарати (ВВА), з’єднані в батарею із двох чи трьох апаратів, принципову схему яких показано на рис. 56.

ВВА — це сталеві, вертикально встановлені циліндричні ємності об’ємом близько 50 m3, з конічним днищем і трубчастим теплообмінником. Апарат заповнюється ропою вище від рівня теплообмінника. У міжтрубний простір першого апарата подається з котельні пара під тиском до 4 атм. конденсат якої повертається до котельні. Вторинна пара, утворена від випарювання ропи в першому апараті, переходить до міжтрубного простору теплообмінника другого апарата батареї, де конденсується, завдяки чому над ропою першого ВВА постійно підтримується розрідження.

У свою чергу, вторинна пара другого апарата використовується як теплоносій для упарювання ропи в третьому апараті батареї. З останнього ВВА пара надходить до барометричного конденсатора, звідки засолений конденсат надходить до каналізації. Отже, у наведеному процесі бачимо приклад раціонального використання енергії первинної пари в замкнутому циклі: вода — пара — конденсат (вода) — пара та тепла вторинної пари 1-го ВВА для випаровування ропи 2-го і 3-го ВВА. Під час випарювання води з ропи концентрація хлориду натрію (NaCl) підвищується до межі розчинності, надлишкова сіль кристалізується й випадає в осад у нижній частині апарата. Періодично її випускають в апарат вилучення солі, звідки надлишкова ропа повертається знову на випарювання.

На стадію 4 сіль надходить як концентрована пульпа спеціаль­ним трубопроводом. На цій стадії на великих горизонтальних центрифугах періодичної дії діаметром 1,2 м за частоти обертання 1200 об/хв сіль відокремлюється від маточної рідини, що збагачується натомість сульфатами й карбонатами магнію та кальцію, які майже не випадають в осад. Цю рідину як непридатну до подальшого випарювання скидають в «озеро» за межами заводу.

Вивантажену з центрифуг вологу сіль (до 4 % Н2О) стрічковий конвеєр подає на стадію 5, де вона висихає (за інтенсивного переміщування) у газовому потоці з температурою 120°C, утвореному від спалювання природного газу з 30-кратним надлишком повітря, до залишкової вологості 0,3—0,4 %. Розсівання солі за фракціями здійснюється на барабанних ситах, а вилучення металевих часток і окалини — на магнітних сепараторах.

Фасування солі забезпечують об’ємно-дозуючі автомати безперервної дії вітчизняного та фінського виробництва безпосередньо на конвеєрі. На схемі рис. 55 показано приклади матеріальних потоків на стадії очищення ропи.

Побіжний аналіз розглянутого технологічного процесу переконує, що навіть у такому простому виробництві, де готовий продукт лише вилучається з природних покладів, не обходиться без негативних екологічних наслідків. По-перше, буріння багатьох свердловин призводить до порушення природної міграції ґрунтових вод, їх насичення солями ропи, що негативно впливає на рослинний світ регіону. По-друге, великі об’єми дефіцитної в цьому регіоні прісної води витрачаються на вилужування хлориду натрію, що водночас призводить до утворення підземних порожнин. Останні стають причиною просідання та обвалів верхніх шарів ґрунту на території міста. У місті є кілька соляних озер природного походження, але є й такі, що утворилися на місцях перших соляних заводів. Великі площі довкола міст, через які протікала колись «солона річка», перенасичена сульфатами та хлоридами заводських відходів, сьогодні є справжньою мертвою пустелею. Але і це ще не все. Як правило, в регіоні соляних заводів, за наявності поблизу покладів вапняку, як, наприклад, у Слов’янську, будують потужні содові заводи, що використовують сіль як сировину за так званою аміачно-хлоридною технологією.

Вапняк добувають у кар’єрі на березі річки Сіверський Донець (руйнуючи прекрасний реліктовий пейзаж).

Опалюванням вапняку за t = 900°C отримують діоксид вуглецю, який

СаСО3 = СаО + СО2­,         (1)

пропускають (барботують) через концентрований водний розчин хлориду натрію, насиченого аміаком. При цьому послідовно в розчині відбуваються дві реакції:

утворення гідрокарбонату амонію

NH3 + CO2 + H2O = NH4HCO3     (2)

і утворення гідрокарбонату натрію та хлориду амонію

NH4HCO3 + NaCl = NaHCO3 + NH4Cl.    (3)

Гідрокарбонат натрію слабко розчиняється в холодній воді й випадає в осад, який відфільтровують і прожарюють, отримуючи кальциновану соду.

2NaHCO3 = Na2CO3 ¯ + CO2 + H2O        (4)

Кальцинована сода Nа2СО3 не містить кристалізаційної води та є готовим товарним продуктом.

За наведеними стереометричними рівняннями (1—4) виконаємо техніко-економічні й екологічні розрахунки: витрат речовини природного ресурсу (СаСО3 і NаС1) і шкідливих для природи відходів (СаСІ2) на 1 тонну товарної продукції — кальцинованої соди (Nа2СО3).

Нагадаємо, що теорія та практика таких розрахунків, адаптованих до вирішення поставленого завдання, викладалися в попередніх розділах посібника на базі програми вітчизняної середньої освіти.

Розрахунок почнемо з останнього рівняння (4), за яким отримуємо товарну продукцію — кальциновану соду (Nа2СО3). Позначення одиниць фізичних величин будемо використовувати за Міжнародною системою SI.

1. З рівняння (4) за співвідношення молярних мас гідрокарбонату натрію та кальцинованої соди визначимо витрати маси (t) першої (вихідної речовини (NаНСО3) на одиницю маси (t) другої (продукту Nа2СО3)

2NаНСО3 / Nа2СО3 = 168 / 106 = 1,58 t NаНСО3.

Отже, на 1 тонну отриманого товарного продукту — кальцинованої соди Nа2СО3, буде витрачено 1,58 тонни гідрокарбонату натрію NаНСО3.

2. З рівняння (3) аналогічно за співвідношення молярних мас

NаСl / NаНСО3 = 58 / 84 = 0,69

визначимо витрати хлориду натрію на 1,58 тонни витраченого (за рівнянням 4) гідрокарбонату натрію NаНСО3.

0,69 · 1,58 = 1,091 t NаС1.

Витрата маси гідрокарбонату амонію на одиницю маси (t) гідрокарбонату натрію за рівнянням (3) відповідно буде

NH4НСО3 / NаНСО3 = 79/58 = 1,36 t NH4НСО3,

а на 1,58 тонни гідрокарбонату натрію витрати гідрокарбонату амонію NH4НСО3 становитимуть відповідно

1,36 · 1,58 = 2,15 t NH4НСО3.

3. З наведеного вище зрозуміло, що відношення молярної маси речовини А (чисельника) до молярної маси речовини В (у знаменнику) дорівнює витраті маси речовини А (у будь-яких вибраних нами одиницях: g, kg, t) на одиницю маси речовини В (у знаменнику). Отже, для визначення витрат маси будь-якої речовини А (чисельника) для отримання будь-якої маси речовини В (у знаменнику) за скороченою формулою достатньо результат відношення даних молярних мас (А, В) помножити на задану масу (g, kg, t) речовини В (знаменника). Наприклад, для визначення витрат діоксиду вуглецю на отримання 2,15 тонни гідрокарбонату амонію, за рівнянням (2), достатньо відношення їхніх молярних мас (СО2/NН4НСО3) помножити на масу гідрокарбонату амонію (2,15 t). Звідки маса витраченого діоксиду вуглецю (тонн) за рівнянням (2) дорівнюватиме:

(48/79) · 2,15 = 1,3 t СO2,

а витрати аміаку, відповідно, на 2,15 тонни гідрокарбонату
амонію,

(17/79) · 2,15 = 0,46 t NН3.

4. Витрати вапняку (СаСО3) визначимо за рівнянням (1), виходячи з витрати діоксиду вуглецю 1,31 (рівняння 2)

(100/48) · 1,3 = 2,7t СаСО3.

Результати виконаних розрахунків витрачених вихідних матеріалів на 1 тонну кальцинованої соди такі:

Хлориду натрію (NaCl)        1,09 t

Аміаку (NН3)            0,46 t

Вапняку(СаСО3)       2,7 t

Разом  4,25 t

Отже, на 1 тонну продукту Nа2СО3 витрачається 4,25 t сировини. Цей показник свідчить про можливі мінімальні витрати (теоретичний вихід), що не враховує технологічні втрати сировини в реальних процесах чи, навпаки, її економії завдяки впровадженню інновацій НТП. Так, у наведеній технології виробництва кальцинованої соди діоксид вуглецю й витрачений аміак (реакція 2) знов повертаються у виробництво. Це досягається нагріванням розчину (реакція 3), що залишився після відфільтровування гідрокарбонату, разом зі стехіометричною кількістю доданого гашеного вапна.

2NН4Сl + Са(ОН)2 = 2NН3 ↑ + СаСl2 ↓ +2 Н2O.

Як бачимо, технологія отримання кальцинованої соди передбачає раціональне використання сировини: СО2 і NН3 циркулюють у замкненому виробничому циклі, але нерозчинений у воді дихлорид кальцію є багатотонним відходом. На 1 тонну соди відходи СаСl2 становлять разом з NaCl понад 3 тонни.

Отже, і тут підтверджується теза: цілком безвідходних технологій практично не існує. У сучасному індустріальному виробниц­тві вони були б економічно збиткові.

Сьогодні біля содових заводів, як і у Слов’янську, утворилися величезні «білі моря» — відходи суспензії (СаCl2, NaCl), обнесені земляними дамбами заввишки до 20 m. Щороку такий завод поглинає додатково 3—4 га нової земельної площі. В інших містах такі відходи скидають у вироблені шахти чи нафтові й газові сверд­ловини, що становить небезпеку для навколишнього середовища, наслідки якої непередбачувані. Спроби знайти для таких відходів якесь промислове застосування не мали успіху.

Розглянутий конкретний виробничий комплекс (сіль—сода) у м. Слов’янську, в якому, крім цього, ще побудовано понад два десятки промислових підприємств, наочно ілюструє згубні на-
слідки індустріалізації економіки. Колись зелене курортне місто північного Донбасу, розміщене поблизу унікального за красою району Слобожанщини в басейні річки Донець із гористими крейдяними берегами й реліктовими соснами, «української Швейцарії», чи не назавжди втратило колишні рекреаційні властивості. Можливо, що в майбутньому, коли економіка ноосфери замінить індустріальну, такі регіони почнуть відроджуватися до життя.

Який зміст ми вкладаємо в поняття «технологія»? З огляду на предмет дисципліни, поняття «технологія» передовсім слід зв’язувати з економічною діяльністю людського суспільства, спрямованою на пристосування та змінювання предметів зовнішнього природного середовища для задоволення своїх потреб.

В економіці реалізація технологій відбувається в тріаді складових виробництва: праця, носієм якої є людина, предмети праці й засоби праці. Отже, технологічні процеси є складовою частиною загальнішого поняття — виробничого процесу, який складається з матеріального й енергетичного забезпечення, транспорт­них і складських операцій, ремонтних робіт і техніко-еконо­мічного управління виробництвом. Технологічний процес розміщено в центрі виробничого процесу, який формується під впливом об’єктивних факторів: соціального устрою суспільства, його економіки, відповідних сировинних ресурсів, наукового рівня та практичного досвіду керівників (менеджерів) і виконавців виробництва (рис. 54).

Технології здебільшого складні та багатостадійні. Навіть така, як виготовлення целофанової плівки для пакування продуктів хар­чування чи квітів, — це ланцюг послідовних механічних і хімічних процесів. Основні з них — подрібнення деревини, термохіміч­на оброблення її розчином Са (HSO3)2 (cульфітне варіння) для розчинення лігніну — складової деревини, відфільтровування целюлози й формування її в листи. Целюлозу обробляють розчином NaOH i H2S для перетворення її на ксантогенат целюлози, з якої в слабкому розчині NaOH одержують віскозу. У ванні з розчином сірчаної кислоти з віскози регенерують целюлозу у вигляді целофанової плівки.

У наведеній технології виробництва целофану можна виділити чітко окреслені як за місцем, так і в часі послідовні стадії процесу, коли продукт, одержаний у попередній стадії, є вихід­ним для наступної. Таку технологію називають періодичною.
Однак більшість сучасних технологічних процесів хімічної промисловості безперервні. Наприклад, процес виробництва поліетиленової плівки саме такий: стискання газу етилену (С2Н4) у компресорі, каталітична полімеризація етилену в реакторі під високим тиском (300 МРа), формування розплавленого полімеру в плівку методом видування на спеціальних машинах.

До основних галузей промисловості належать паливно-енерге­тична, металургійна, хімічна, машинобудівна. Однак навіть у найбільших із них технологічні процеси виробництва галузевої продукції не завжди забезпечуються тими вихідними чи допоміж­ними матеріалами, які виробляються в межах самої галузі.

На прикладах технологій виробництва целофану й поліетилену видно, що окремі технологічні процеси кожного з цих виробництв об’єднано у відповідні системи технологій, які включають одержання сировини й допоміжних продуктів з різних галузей промисловості.

Складові сировини чи напівпродукту, які не входять до складу основної продукції галузі, стають матеріальною основою промислових відходів.

Кількісні та якісні характеристики матеріальних і енергетичних потоків зумовлюють економічну й екологічну ефективність системи технологій кожного виробництва.

Технологічний регламент
і матеріальний баланс [80, 8—14]

Технологічний регламент — це основний технічний документ, який визначає режими й порядок проведення кожної з операцій технологічного процесу виробництва конкретного продукту. Для кожного нового виробництва він розробляється науково-проектними організаціями галузі або підприємством безпосередньо чи за участю науково-проектних установ на основі патентів і ліцензій. До впровадження у виробництво проект технологічного регламенту розглядається на вченій раді наукового закладу або технічній раді підприємства, після чого затверджується особисто керівниками цих установ і підприємств та представниками екологічної експертизи. На виробництво продукції розробляються державні стандарти. Будь-які корисні зміни чинного технологічного регламенту ще до їх впровадження у виробництво треба затвердити в тих самих інстанціях.

Кожний технологічний регламент починається з титульного аркуша, де зазначено назву технологічного процесу, назву підприємства, поставлено підпис керівника та печатку підприємства, підписи й назви посадових осіб, відповідальних за розроблення технологічного процесу та експертні екологічні висновки.

За титульною сторінкою вміщують перелік розділів технологічного регламенту, зокрема:

1. Загальна характеристика виробництва.

2. Характеристика продукції, вихідної сировини й допоміжних матеріалів.

3. Рецептура та матеріально-енергетичні розрахунки.

4. Схема матеріальних потоків.

5. Опис операцій технологічного процесу.

6. Технологічна схема.

7. Норми робочого часу.

8. Можливі порушення процесу та способи їх усунення.

9. Характеристика відходів виробництва, їхні токсичні властивості.

10. Матеріальний баланс операцій та всього технологічного процесу.

11. Метрологічне забезпечення технологічного процесу, перелік контрольно-вимірювальних приладів і засобів автоматизації.

12. Охорона праці та санітарія.

13. Засоби для додержання екологічних норм виробництва.

14. Специфікація (перелік і характеристика) технологічного устаткування.

15. Специфікація контрольно-вимірювальних приладів і засобів автоматизації технологічного процесу.

16. Перелік обов’язкових інструкцій.

Економісту чи екологу починати вивчати конкретне виробництво треба з вивчення технологічного регламенту, дані якого є основною базою для техніко-економічного й екологічного аналізу.

Як приклад, наведемо фрагменти технологічного регламенту вітчизняного виробництва найпростішого продукту — солі (Слов’янський солеварний завод на Донеччині)

У розділі «Характеристика продукту, його призначення й сировина» подано такі дані.

Продукти виробництва — хлорид натрію (NaCl). Товарна назва продукту — кухонна сіль «Екстра».

Призначення продукту — застосовується як смакова приправа в харчовій промисловості та побуті, а також як сировина в інших виробництвах, наприклад, у виробництві кальцинованої соди, медичних препаратів та ін.

Вимоги до якості продукту визначаються державним стандартом ГОСТ 13830–84 за такими параметрами:

Температура плавлення t = 800°C.

Температура початку розтріскування за нагрівання t = 78°C.

Фракційний склад часток — 0,18…0,2.

Густина кристалів — 2,16 г/см3.

Розчинність у воді за 20°С — 317 г/літр (317 кг/м3).

Вихідна сировина — насичений розчин природної кам’яної солі (ропа).

Вміст складових розсолу:

Густина ропи r — 1195 кг/м3.

У розділі «Стадії технологічного процесу» названо такі операції та характеристики проміжних напівпродуктів (рис. 55).

Стадія 1. Видобування сировини. Насичений розчин NaCl одержують вилужуванням* підземних природних покладів кам’я­ної солі та транспортують його по свердловинах на поверхню до виробничого цеху очищення.

Стадія 2. Очистка сирої ропи методом оброблення содою (Na2CO3) і вапняком (Сa (OH)2), що спричинює зв’язування іонів Са2+ та іонів Mg2+, розчинених у ропі CaSO4, MgSO4 в карбонати й випадання їх в осад за реакціями:

CaSO4 + Na2CO3 ® CaCO3¯ + Na2SO4;

MgCl2 + Ca(OH)2 ® Mg(OH)2¯ + CaCl2;

CaCl2 + Na2CO3 ® CaCO3¯ + 2NaCl.

Очищена ропа містить:

NaCl — 300 g/l; Na2CO3 не більше 6 g/l; Na2SO4 — 5 g/l; NaOH — 0,1 g/l. Усього — 311 грамів солей в одному літрі ропи.

Стадія 3. Концентрування (перенасичення) розчину NaCl методом вакуумного випаровування води.

У процесі випаровування води концентрація розсолу підвищується до граничної межі, і надлишок солі випадає в осад.

Стадія 4. Відділення солі (NaCl), яка випала в осад, від її насиченого розчину (300 kg/m3) методом центрифугування.

Стадія 5. Сушіння кухонної солі.

Стадія 6. Розсівання (за фракціями зерен 0,18…0,2 mm).

Стадія 7. Видалення із солі механічних домішок (металічних часток, окалини).

Стадія 8. Фасування та затарювання солі на автоматах у поліетиленові пакети масою 200 g i 1 kg, паперові мішки — 20 kg.

У розділі «Специфікація та характеристика устаткування» описано будову, параметри устаткування та принципи режиму його функціонування.

Буріння свердловин на глибину 200…300 m (у пласт солі) здійснюють спеціальною буровою установкою. Над свердловиною споруджують систему трубопроводів, якими воду закачують до пласту солі. Вилужування NaCl із пласта солі відбувається протягом двох-трьох років, після чого за допомогою глибоконасосної установки ропу викачують на поверхню й трубопроводами подають до цеху очистки.

На стадії 2 застосовуються відцентрові насоси й реакційні ємності з механічними мішалками для розчинів. Після відстоювання розчини відокремлюються від твердих домішок способом декантації.

На стадії 3 застосовуються вакуумно-випарювальні апарати (ВВА), з’єднані в батарею із двох чи трьох апаратів, принципову схему яких показано на рис. 56.

ВВА — це сталеві, вертикально встановлені циліндричні ємності об’ємом близько 50 m3, з конічним днищем і трубчастим теплообмінником. Апарат заповнюється ропою вище від рівня теплообмінника. У міжтрубний простір першого апарата подається з котельні пара під тиском до 4 атм. конденсат якої повертається до котельні. Вторинна пара, утворена від випарювання ропи в першому апараті, переходить до міжтрубного простору теплообмінника другого апарата батареї, де конденсується, завдяки чому над ропою першого ВВА постійно підтримується розрідження.

У свою чергу, вторинна пара другого апарата використовується як теплоносій для упарювання ропи в третьому апараті батареї. З останнього ВВА пара надходить до барометричного конденсатора, звідки засолений конденсат надходить до каналізації. Отже, у наведеному процесі бачимо приклад раціонального використання енергії первинної пари в замкнутому циклі: вода — пара — конденсат (вода) — пара та тепла вторинної пари 1-го ВВА для випаровування ропи 2-го і 3-го ВВА. Під час випарювання води з ропи концентрація хлориду натрію (NaCl) підвищується до межі розчинності, надлишкова сіль кристалізується й випадає в осад у нижній частині апарата. Періодично її випускають в апарат вилучення солі, звідки надлишкова ропа повертається знову на випарювання.

На стадію 4 сіль надходить як концентрована пульпа спеціаль­ним трубопроводом. На цій стадії на великих горизонтальних центрифугах періодичної дії діаметром 1,2 м за частоти обертання 1200 об/хв сіль відокремлюється від маточної рідини, що збагачується натомість сульфатами й карбонатами магнію та кальцію, які майже не випадають в осад. Цю рідину як непридатну до подальшого випарювання скидають в «озеро» за межами заводу.

Вивантажену з центрифуг вологу сіль (до 4 % Н2О) стрічковий конвеєр подає на стадію 5, де вона висихає (за інтенсивного переміщування) у газовому потоці з температурою 120°C, утвореному від спалювання природного газу з 30-кратним надлишком повітря, до залишкової вологості 0,3—0,4 %. Розсівання солі за фракціями здійснюється на барабанних ситах, а вилучення металевих часток і окалини — на магнітних сепараторах.

Фасування солі забезпечують об’ємно-дозуючі автомати безперервної дії вітчизняного та фінського виробництва безпосередньо на конвеєрі. На схемі рис. 55 показано приклади матеріальних потоків на стадії очищення ропи.

Побіжний аналіз розглянутого технологічного процесу переконує, що навіть у такому простому виробництві, де готовий продукт лише вилучається з природних покладів, не обходиться без негативних екологічних наслідків. По-перше, буріння багатьох свердловин призводить до порушення природної міграції ґрунтових вод, їх насичення солями ропи, що негативно впливає на рослинний світ регіону. По-друге, великі об’єми дефіцитної в цьому регіоні прісної води витрачаються на вилужування хлориду натрію, що водночас призводить до утворення підземних порожнин. Останні стають причиною просідання та обвалів верхніх шарів ґрунту на території міста. У місті є кілька соляних озер природного походження, але є й такі, що утворилися на місцях перших соляних заводів. Великі площі довкола міст, через які протікала колись «солона річка», перенасичена сульфатами та хлоридами заводських відходів, сьогодні є справжньою мертвою пустелею. Але і це ще не все. Як правило, в регіоні соляних заводів, за наявності поблизу покладів вапняку, як, наприклад, у Слов’янську, будують потужні содові заводи, що використовують сіль як сировину за так званою аміачно-хлоридною технологією.

Вапняк добувають у кар’єрі на березі річки Сіверський Донець (руйнуючи прекрасний реліктовий пейзаж).

Опалюванням вапняку за t = 900°C отримують діоксид вуглецю, який

СаСО3 = СаО + СО2­,         (1)

пропускають (барботують) через концентрований водний розчин хлориду натрію, насиченого аміаком. При цьому послідовно в розчині відбуваються дві реакції:

утворення гідрокарбонату амонію

NH3 + CO2 + H2O = NH4HCO3     (2)

і утворення гідрокарбонату натрію та хлориду амонію

NH4HCO3 + NaCl = NaHCO3 + NH4Cl.    (3)

Гідрокарбонат натрію слабко розчиняється в холодній воді й випадає в осад, який відфільтровують і прожарюють, отримуючи кальциновану соду.

2NaHCO3 = Na2CO3 ¯ + CO2 + H2O        (4)

Кальцинована сода Nа2СО3 не містить кристалізаційної води та є готовим товарним продуктом.

За наведеними стереометричними рівняннями (1—4) виконаємо техніко-економічні й екологічні розрахунки: витрат речовини природного ресурсу (СаСО3 і NаС1) і шкідливих для природи відходів (СаСІ2) на 1 тонну товарної продукції — кальцинованої соди (Nа2СО3).

Нагадаємо, що теорія та практика таких розрахунків, адаптованих до вирішення поставленого завдання, викладалися в попередніх розділах посібника на базі програми вітчизняної середньої освіти.

Розрахунок почнемо з останнього рівняння (4), за яким отримуємо товарну продукцію — кальциновану соду (Nа2СО3). Позначення одиниць фізичних величин будемо використовувати за Міжнародною системою SI.

1. З рівняння (4) за співвідношення молярних мас гідрокарбонату натрію та кальцинованої соди визначимо витрати маси (t) першої (вихідної речовини (NаНСО3) на одиницю маси (t) другої (продукту Nа2СО3)

2NаНСО3 / Nа2СО3 = 168 / 106 = 1,58 t NаНСО3.

Отже, на 1 тонну отриманого товарного продукту — кальцинованої соди Nа2СО3, буде витрачено 1,58 тонни гідрокарбонату натрію NаНСО3.

2. З рівняння (3) аналогічно за співвідношення молярних мас

NаСl / NаНСО3 = 58 / 84 = 0,69

визначимо витрати хлориду натрію на 1,58 тонни витраченого (за рівнянням 4) гідрокарбонату натрію NаНСО3.

0,69 · 1,58 = 1,091 t NаС1.

Витрата маси гідрокарбонату амонію на одиницю маси (t) гідрокарбонату натрію за рівнянням (3) відповідно буде

NH4НСО3 / NаНСО3 = 79/58 = 1,36 t NH4НСО3,

а на 1,58 тонни гідрокарбонату натрію витрати гідрокарбонату амонію NH4НСО3 становитимуть відповідно

1,36 · 1,58 = 2,15 t NH4НСО3.

3. З наведеного вище зрозуміло, що відношення молярної маси речовини А (чисельника) до молярної маси речовини В (у знаменнику) дорівнює витраті маси речовини А (у будь-яких вибраних нами одиницях: g, kg, t) на одиницю маси речовини В (у знаменнику). Отже, для визначення витрат маси будь-якої речовини А (чисельника) для отримання будь-якої маси речовини В (у знаменнику) за скороченою формулою достатньо результат відношення даних молярних мас (А, В) помножити на задану масу (g, kg, t) речовини В (знаменника). Наприклад, для визначення витрат діоксиду вуглецю на отримання 2,15 тонни гідрокарбонату амонію, за рівнянням (2), достатньо відношення їхніх молярних мас (СО2/NН4НСО3) помножити на масу гідрокарбонату амонію (2,15 t). Звідки маса витраченого діоксиду вуглецю (тонн) за рівнянням (2) дорівнюватиме:

(48/79) · 2,15 = 1,3 t СO2,

а витрати аміаку, відповідно, на 2,15 тонни гідрокарбонату
амонію,

(17/79) · 2,15 = 0,46 t NН3.

4. Витрати вапняку (СаСО3) визначимо за рівнянням (1), виходячи з витрати діоксиду вуглецю 1,31 (рівняння 2)

(100/48) · 1,3 = 2,7t СаСО3.

Результати виконаних розрахунків витрачених вихідних матеріалів на 1 тонну кальцинованої соди такі:

Хлориду натрію (NaCl)        1,09 t

Аміаку (NН3)            0,46 t

Вапняку(СаСО3)       2,7 t

Разом  4,25 t

Отже, на 1 тонну продукту Nа2СО3 витрачається 4,25 t сировини. Цей показник свідчить про можливі мінімальні витрати (теоретичний вихід), що не враховує технологічні втрати сировини в реальних процесах чи, навпаки, її економії завдяки впровадженню інновацій НТП. Так, у наведеній технології виробництва кальцинованої соди діоксид вуглецю й витрачений аміак (реакція 2) знов повертаються у виробництво. Це досягається нагріванням розчину (реакція 3), що залишився після відфільтровування гідрокарбонату, разом зі стехіометричною кількістю доданого гашеного вапна.

2NН4Сl + Са(ОН)2 = 2NН3 ↑ + СаСl2 ↓ +2 Н2O.

Як бачимо, технологія отримання кальцинованої соди передбачає раціональне використання сировини: СО2 і NН3 циркулюють у замкненому виробничому циклі, але нерозчинений у воді дихлорид кальцію є багатотонним відходом. На 1 тонну соди відходи СаСl2 становлять разом з NaCl понад 3 тонни.

Отже, і тут підтверджується теза: цілком безвідходних технологій практично не існує. У сучасному індустріальному виробниц­тві вони були б економічно збиткові.

Сьогодні біля содових заводів, як і у Слов’янську, утворилися величезні «білі моря» — відходи суспензії (СаCl2, NaCl), обнесені земляними дамбами заввишки до 20 m. Щороку такий завод поглинає додатково 3—4 га нової земельної площі. В інших містах такі відходи скидають у вироблені шахти чи нафтові й газові сверд­ловини, що становить небезпеку для навколишнього середовища, наслідки якої непередбачувані. Спроби знайти для таких відходів якесь промислове застосування не мали успіху.

Розглянутий конкретний виробничий комплекс (сіль—сода) у м. Слов’янську, в якому, крім цього, ще побудовано понад два десятки промислових підприємств, наочно ілюструє згубні на-
слідки індустріалізації економіки. Колись зелене курортне місто північного Донбасу, розміщене поблизу унікального за красою району Слобожанщини в басейні річки Донець із гористими крейдяними берегами й реліктовими соснами, «української Швейцарії», чи не назавжди втратило колишні рекреаційні властивості. Можливо, що в майбутньому, коли економіка ноосфери замінить індустріальну, такі регіони почнуть відроджуватися до життя.