|
|
Zagadki i zadania sprawdzające i utrwalające wiedzę;
rozwiąż dopiero po przeczytaniu tej części rozdziału!
Gdy rządy lub prywatni inwestorzy decydują, jak produkować chemikalia, trzy możliwości, które mają do wyboru to:
W wielu przypadkach dobrym wyjściem byłby wybór wariantu pierwszego, kupno gotowej licencji połączone z zastosowaniem dobrze znanej technologii.
Co mają jednak zrobić państwa, w których wydobywana jest siarka, gdy z dnia na dzień chemicy w świecie z tej technologii rezygnują, by stosować zupełnie nowe, tańsze procesy technologiczne, przy tym połączone z unieszkodliwieniem trujących gazów, dotychczas w postaci bezużytecznych odpadów wydalanych do atmosfery? Siarka otrzymywana jest w nowym procesie przez utlenienie siarkowodoru, H2S, który zanieczyszcza gaz ziemny [1]. Siarkowodór zanieczyszcza też gaz rafineryjny z zakładów, do których kierowana jest zasiarczona ropa naftowa. Siarka uzyskana przy zastosowaniu nowej technologii jest tańsza. Nie tylko nie ma zadowalających wpływów z przestarzałej metody, ale na dodatek trzeba przeznaczyć znaczne środki finansowe na likwidację części stanowisk pracy i odprawy dla pracowników. "Aby uniknąć niekontrolowanego załamania się sytuacji ekonomicznej przedsiębiorstw wydobywających i przetwarzających siarkę oraz by procesy likwidacji kopalń i rekultywacji terenów pogórniczych uczynić sprawniejszymi i mniej kosztownymi dla Budżetu Państwa" powstał Program Restrukturyzacji Górnictwa i Przetwórstwa Siarki, próba przeciwdziałania katastrofie ekologicznej i ekonomicznej.
Zdarzyło się to w Polsce w Tarnobrzegu. Kopalnie i Zakłady Przetwórcze Siarki "SIARKOPOL" musiały poważnie zmniejszyć swoje wydobycie siarki, ponosząc znaczne koszty dostosowania się do tych zmian [2].
Sytuację taką należało przewidzieć, co było możliwe, gdyby decydenci wysnuwali wnioski z lektury bieżących publikacji technologicznych.
Zauważają to bardziej myślący uczniowie szkolni; Cytuję z opracowania Anny Zielińskiej:
"Większe korzyści przynosi produkcja siarki z odzysku, głównie z odsiarczania ropy naftowej i gazu ziemnego. Szkoda tylko, że "SIARKOPOL" w swoim czasie nie rozbudował przemysłu chemicznego i nie przewidział tendencji proekologicznych i końca kariery." [3]
Nawyk czekania z założonymi rękami aż przyjdzie najgorsze powoduje w końcu, że najgorsze przychodzi.
Czy nie można było urządzić tam, w Tarnobrzegu muzeum technologicznego, zabytkowej kopalni na pokaz dla turystów, jak to jest w Wieliczce? Miejsce to przynosiłoby przynajmniej dochód, a przykład Muzeum w Wieliczce można było skopiować.
Załamanie się przemysłu siarki w Polsce nie jest końcem, ale początkiem reakcji łańcuchowej, groźnej dla niektórych przestarzałych i mało chłonnych na innowacje zakładów przemysłu chemicznego.
Schyłek "Siarkopolu" jest przestrogą, przypomina, że w gospodarce globalnej, pośród światowej konkurencji nie wystarczy wyprodukować chemikalia, ale trzeba znalezć nabywców i im je umieć sprzedać, aby pokryć koszty i inwestycje. Liczy się marketing, sztuka efektywnej sprzedaży.
Ale nade wszystko liczy się postawienie od samego początku na nowoczesną i konkurencyjną metodę technologiczną.
Dlatego zmodyfikowanie istniejącej technologii lub wykorzystanie postępu wiedzy dla opracowania i wdrożenia zupełnie nowej metody technologicznej będą coraz częstszymi wyzwaniami dla chemików przemysłowych.
Rozwinięcie koncepcji metody technologicznej polega przede wszystkim na jej podzieleniu na czynności jednostkowe. Te ostatnie z kolei można podzielić na operacje jednostkowe i procesy jednostkowe. Przedtem należy wskazać jakie surowce podstawowe (główne) i pomocnicze są niezbędne w procesie.
Surowce podstawowe (główne) to takie surowce, których składniki stają się składnikami produktu końcowego.
Surowce pomocnicze są też niezbędne. Uczestniczą one w reakcjach chemicznych składających się na ten proces technologiczny jako substraty, ale nie wchodzą w skład produktu końcowego.
Równocześnie należy wypisać równania reakcji chemicznych, składających się na rozpatrywany proces. Projektowanie procesu technologicznego może rozpocząć się od wypisania równań, które dopiero wskazują jakich surowców należy użyć.
Reakcje chemiczne procesu Clausa [4]:Na podstawie równań reakcji chemicznych, wiedząc jakie są współczynniki stechiometryczne reakcji i ich efekty termodynamiczne należy w dalszym kroku przeprowadzić stechiometryczne obliczenia teoretycznych wydajności reakcji (przy założeniu, że zachodzą w 100%), co pozwala nieraz dokonać wyboru odpowiedniego wariantu przez wstępne wyeliminowanie niektórych przemian chemicznych.
Aby powstała koncepcja procesu technologicznego niezbędne jest wyszczególnienie, jakie czynności jednostkowe, to znaczy operacje jednostkowe i procesy jednostkowe i w jakich sekwencjach będą zastosowane w proponowanym procesie, jakie będą parametry ich prowadzenia.
Zwieńczeniem tej pracy jest schemat metody otrzymania produktów końcowych. Schemat taki powinien uwzględniać nie tylko procesy jednostkowe i operacje jednostkowe, ale też sprecyzować surowce podstawowe i pomocnicze oraz produkty końcowe, i co najważniejsze - przewidzieć jak wykorzystać produkty uboczne tak, aby w wyniku tego nie było odpadów (technologia bezodpadowa) albo ich ilość była minimalna(technologia małoodpadowa).
Po określeniu wszystkich surowców i produktów należy zrobić bilans materiałowy, który zawiera te wszystkie reagenty. Bilans wykonuje się zwykle dla jednej tony (1 MT = 1 Metric Ton) produktu. W krajach anglosaskich można spotkać się z innymi zwyczajowymi jednostkami. Mniej znane w Polsce, a często używane w korespondencji handlowej i w dokumentacji zachodniej jednostki, to:
Bardzo dogodnie jest przygotować bilans materiałowy procesu stosując wykres Sankeya (Sankey diagram). Wykres taki bardzo poglądowo, obrazowo przedstawia strumienie materiałowe i ułatwia zrozumienie całej metody. Bilanse energetyczne Sankeya nadają się też do graficznego przedstawienia strumieni energii przepływających w procesie technologicznym. Przydają się one zwłaszcza do rozpatrywania procesów, w których występują obiegi kołowe lub do analizy przyczyn strat energii i surowców.
Rysowanie wykresów strumieniowych Sankey'a jest bardzo łatwe, w dodatku w Internecie znajduje się wiele stron edukacyjnych, które przystępnie tłumaczą, jak przy tym postępować.
Zasady obowiązujące przy wykreślaniu i interpretacji diagramów Sankeya, zarówno dla bilansu cieplnego jak też dla bilansu materiałowego są bardzo podobne. Należy obrać sobie pewną skalę i tak wykreślić strumienie przepływających materiałów (surowców i produktów) albo strumienie energii, aby szerokość każdego z nich była proporcjonalna do wartości masy albo energii.
Jak w każdym bilansie suma wszystkich mas wejściowych musi być równa sumie mas wyjściowych. Podobna zasada obowiązuje dla bilansu energetycznego. Wynika z tego, że na wykresie Sankeya suma szerokości wszystkich strumieni wejściowych ma być równa sumie szerokości wszystkich strumieni wyjściowych.
W sieci można też spotkać strony firm oferujących oprogramowanie do rysowania wykresów Sankey'a. Oprogramowanie to bardzo ułatwia projektowanie instalacji lub ciągu technologicznego, zwłaszcza w tych procesach, w których występuje recyrkulacja, czyli obieg kołowy. Bilanse Sankey'a umożliwiają zrozumienie procesu technologicznego nawet małemu dziecku.
Otrzymane wykresy można zachować jako pliki graficzne formatów jpg, bmp, png lub wmf. Niektóre programy komputerowe pozwalają zachować wykres Sankeya w formacie gif, który jest bardzo popularny w Internecie.
Powyższe reguły można zilustrować przykładem bilansu dla otrzymywania związku nieorganicznego ważnego w przemyśle bikarbonatu i sody [6]. Związkiem tym jest wodorowęglan amonu (kwaśny węglan amonu, NH4HCO3).
| Przychód | Rozchód | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Lp. | Pozycja | kg | % | Lp. | Pozycja | kg | % |
| 1 | H2O | 227,9 | 22,79 | 1 | NH4HCO3 | 1000,0 | 100,00 |
| 2 | NH3 | 215,2 | 21,52 | 2 | - | - | - |
| 3 | CO2 | 556,9 | 55,69 | 3 | - | - | - |
| Razem | 1000,0 | 100,00 | Razem | 1000,0 | 100,00 | ||
Mimo, że bilans teoretyczny dostarcza zaledwie wstępnych wskazówek, rozpatrywanie tylko chemicznej strony całej sprawy przestaje wystarczać nawet na tym wstępnym etapie. Jeżeli bowiem koszt surowców wraz z kosztem transportu i ubezpieczenia przekroczyłby zysk ze sprzedaży produktów, to sensu taka metoda w praktyce nie ma, choćby nawet i można by było ten proces jakoś przeprowadzać w warunkach przemysłowych. Należy tę metodę już teraz odrzucić, bo przecież prawdziwe koszty będą jeszcze większe o koszty pracy ludzi choćby. Pewnych kosztów natomiast nie da się przewidzieć z góry.
Sprawa ta jest jednak tylko pozornie tak prosta i jednoznaczna. Gdyby bowiem stosować ją konsekwentnie i beż żadnych wyjątków, nigdy by nie powstały ani ogniwa galwaniczne o wysokiej sprawności, ani ogniwa paliwowe, ani samochód wykorzystujący elektryczność, ani też nadprzewodniki wysokotemperaturowe i ich przemysłowe zastosowania. Na początku wdrażanie tych technologii jest bowiem kosztowne, ale koszty przekraczają zyski tylko początkowo. Po pewnym czasie zysk, który się pojawia choćby ze zmniejszonego zatrucia atmosfery i wody pitnej może się okazać juz porównywalny z inwestycjami, a gdy ludzie przekonają się do technologii i znajdzie ona powszechne zastosowanie, pojawia się już zysk netto. A zatem rozpatrując nowy projekt warto zadać sobie pytanie, czy nie jest to właśnie ten wyjątek i traktować wstępne nakłady na niego raczej jako inwestycje, niż jako koszty. Takie podejście wymaga pomocy ze strony państwa lub prywatnego inwestora na wstępnych etapach pracy nad projektem.
Kiedy przychodzi kolej na wstępną analizę opłacalności projektu, przydają się pewne pojęcia, których używa się w międzynarodowych transakcjach przy ustalaniu ceny surowców lub produktów również w języku polskim, mimo ich obcego brzmienia i genezy.
Pojęcia te, to:
Mimo, że i cena i opłacalność mogą nie interesować wcale chemika teoretyka, w technologii chemicznej te pojęcia są fundamentem.
Inną ważną cechą charakterystyczną technologii chemicznej jest skala i jej rola. Przemiana chemiczna, która jest obiecująca w skali laboratoryjnej, może nastręczać w większej skali trudności.
W drugiej części tego rozdziału pokażę, jak bardzo istotną rolę odgrywa koncepcja chemiczna metody technologicznej na przykładzie różnych metod wytwarzania wodorowęglanu sodu, NaHCO3 i sody Na2CO3, zarówno zarzuconych, jak też stosowanych współcześnie.
Czy chcesz sobie zrobić sprawdzian opanowania tego rozdziału?
Za każdą dobrą odp. policz sobie 1 punkt.
Uwaga! Jeżeli stosujesz program do zamykania okienek NetZap, lub podobny, wyłącz go (Stop Zapping), bo program testujący nie będzie działać prawidłowo.
[1] Jacek Molenda: "Technologia chemiczna", WSiP, Warszawa, 1997, s. 207
[2] Jagienka Wilczak: Siarka piekielna, "Polityka" nr 15 (2084), 1997, s. 109
[3] Anna Zielińska, fragment opracowania: Siarka, 1998
[4] Zdzisław Kozak: Otrzymywanie siarki w procesie Clausa i przez reakcję Wackenrodera. "Chemia w Szkole" nr 3, 1988, s. 135
[5] S. Bretsznajder, W. Kawecki, S. Marcinkowski: "Podstawy ogólne technologii chemicznej", Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1973
[6] Inż. Bogdan Borkowski, dr Jerzy Król-Bogomilski: Modyfikacja produkcji bikarbonatu i sody amoniakalnej z utylizacją produktów odpadowych. "Chemik" nr 5, 1992, s. 121
[7] Edgar Bortel, Henryk Koneczny: "Zarys technologii chemicznej", Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1992
[8] Sankey Helper 1.0, Gabor Doka, Zurich, Switzerland, 10 August 2000
Data ostatniej modyfikacji: