Лекции химическая технология. Курс лекций 3 Введение
 Скачать 1.06 Mb.
|
|
характерными особенностями химического производства являются: 1. Многовариантность сырьевой базы, включающей природные полезные ископаемые, сельскохозяйственную продукцию, воздух и воду. 2. Широкие возможности комплексного использования одних и тех же видов сырья для получения различных химических продуктов. 3. Многообразие методов химической переработки, позволяющих получать из одного и того же сырья широкую гамму химических продуктов. Например, из бензола могут быть получены каучук, полистирол, капролактам, ядохимикаты и другие продукты. С другой стороны это многообразие методов позволяет получать один и тот же продукт из различного сырья. Так, для производства ацетилена могут быть использованы природный газ, газы нефтепереработки, попутные газы нефтедобычи, карбид кальция. Химическая промышленность использует в качестве сырья продукты горнорудной, нефтяной, газовой, лесной и целлюлозно-бумажной промышленности, чѐрной и цветной металлургии. Развитие сырьевой базы химической промышленности происходит в направлении более полного, по возможности, комплексного использования сырья, вовлечения в переработку сырья с низким процентным содержанием основного вещества, утилизации отходов внутри самой химической промышленности и других отраслей, а также вовлечения в химическую переработку всѐ большей массы разнообразного природного сырья, каким являются нефть, газы, уголь, сланцы, древесно-растительное сырьѐ, а также сырьевые ресурсы Мирового океана. В ближайшем будущем основным сырьем дня синтеза большой группы продуктов станут оксид углерода и метанол. Метанол уже в настоящее время широко используется для промышленного производства уксусной и муравьиной кислот, формальдегида и термореактивных пластмасс на его основе, простых и сложных эфиров, хлорметанов и метиламинов. Он находит также практическое применение для получения традиционных продуктов нефтехимии. Варьирование сырьевых ресурсов позволяет выбирать надѐжную сырьевую базу для развития химической промышленности в зависимости от наличия месторождения полезных ископаемых и технико-экономических показателей их использования. 7.2. Характеристика и классификация сырья В производстве химических продуктов различают исходные вещества (сырьѐ), промежуточные продукты (полупродукты) и готовые продукты. Сырьѐм называют природные материалы, используемые в производстве промышленных продуктов. Полупродукты, являющиеся результатом химической переработки исходного сырья, в свою очередь служат сырьѐм для получения других веществ. 41 Природный газ служит сырьѐм для получения продуктов тяжелого органического синтеза, удобрений, пластических масс, синтетических каучуков, химических волокон, фармацевтических препаратов. Нефть является ценнейшим сырьем для получения различных горюче-смазочных материалов, синтетических волокон, каучуков, пластических масс, моющих средств и многих других продуктов. Вследствие роста промышленного производства и увеличения ассортимента химической продукции возникает необходимость в новых видах сырья. Сырьѐ химической промышленности классифицируют по различным признакам: - по происхождению: минеральное, растительное и животное; -по запасам: невозобновляемое (руды, минералы, горючие ископаемые) и возобновляемое (вода, воздух, растительное и животное сырьѐ); - по химическому составу: неорганическое (руды, минералы) и органическое (нефть, уголь, природный газ); -по агрегатному состоянию: твѐрдое (руды, минералы, уголь, сланцы, торф), жидкое (вода, рассолы, нефть) и газообразное (воздух, природный газ). Кроме того, сырьѐ можно подразделить на первичное (минеральное, растительное и животное, горючие ископаемые, вода, воздух) и вторичное (промышленные и потребительские отходы), а также на природное и искусственное (кокс, химические волокна, синтетический каучук, синтетические красители, смолы). В свою очередь, минеральное сырьѐ включает рудное (металлическое), нерудное и горючее (органическое). Рудное сырьѐ – это железные, медные, хромовые, титановые и другие руды, содержащие в основном оксиды и сульфиды металлов. Руды, в состав которых входят соединения разных металлов, называются полиметаллическими. Нерудное сырьѐ – поваренная соль, фосфориты, апатиты, гипс, известняк, глина, песок, асбест, слюда, сера. Горючие ископаемые – торф, бурые и каменные угли, сланцы, природный газ. Они состоят из органических соединений и используются в качестве сырья и энергоресурсов. Растительное (подсолнечник, картофель, сахарная свекла, подсолнечная, рисовая, хлопковая лузга, древесина, хлопок, лѐн, конопля, стержни початков кукурузы) и животное сырьѐ(шерсть, натуральный шѐлк, пушнина, кожа, масла, жиры, молоко) перерабатывают в продукты питания (пищевое сырьѐ) или в продукты бытового и промышленного назначения (техническое сырьѐ). Наиболее общими и распространенными видами сырья являются воздух и вода. Кислород воздуха широко используется для процессов окисления (например, топлива), азот воздуха – для синтеза аммиака, в качестве инертной среды в промышленности и в исследовательской работе. Воздух используют как хладагент при охлаждении воды (в градирнях) и других жидкостей, а также газов в теплообменниках. Нагретый воздух применяют как теплоноситель для нагрева газов или жидкостей. Растительное и животное сырьѐ (древесина, хлопок, масла и жиры, молоко, кожа, шерсть) перерабатывают или в продукты питания (пищевое сырьѐ), или в продукты бытового и промышленного назначения (техническое сырьѐ). Россия имеет огромную территорию с богатейшими месторождениями сырья. Благодаря трудам советских учѐных В.И. Вернадского, Н.С. Курнакова, А.Н. Ферсмана, И.М. Губкина и других разработаны научные основы разведки, добычи и переработки различных видов минерального сырья для химической промышленности. Поскольку сырьѐ в химической промышленности составляет в среднем 60 – 70% себестоимости продукта, то его правильный выбор и рациональное экономичное использование является одной из главных задач химической технологии. Важнейшие тенденции в развитии сырьевой проблемы: 42 1) изыскание и применение более дешѐвых видов сырья, использование местного сырья; 2) применение концентрированного сырья (обогащение сырья); 3) комплексное использование сырья; 4) замена пищевого сырья непищевым и растительного - минеральным. Все эти направления рационального выбора и использования сырья взаимосвязаны. 7.3. Вторичные материальные ресурсы Существенным источником химического сырья являются вторичные материальные ресурсы (ВМР). К ним относятся отходы производства, отходы потребления и побочные продукты. Отходами производства называют остатки сырья, материалов и полупродуктов, образующиеся в процессе производства продукции, которые частично или полностью утратили свои качества и не соответствуют стандартам (техническим условиям). Эти остатки после предварительной обработки, а иногда и без неѐ, могут быть использованы в сфере производства или потребления. Отходами потребления называют различные бывшие в употреблении изделия и вещества, восстановление которых экономически не целесообразно. Например, полностью изношенные, выбывшие из строя машины, изделия производственного назначения из стекла, резины и пластмассы, отработанные реактивы, катализаторы (отходы промышленного потребления) или пришедшие в негодность изделия домашнего обихода и личного потребления. Побочные продукты образуются в процессе переработки сырья наряду с основными продуктами производства, но не являются целью производственного процесса. Однако побочные продукты, как правило, могут быть использованы в качестве готовой продукции. Они в большинстве случаев бывают товарными, на них имеются ГОСТы, ТУ и утверждѐнные цены, их производство планируется. Те побочные продукты, которые получаются при добыче или обогащении основного сырья, принято называть попутными продуктами (например, попутный газ). Побочные и попутные продукты данного процесса, как правило, являются целевыми продуктами для другого производства. Химическая промышленность, таим образом, выступает не только как потребитель природных ресурсов, но и как отрасль, сберегающая природное сырьѐ 7.4. Подготовка сырья в химико-технологическом процессе Обогащение сырья – совокупность физических и физико-химических методов обработки минерального сырья (руды, угля) для удаления пустой породы и повышения содержания основного компонента в концентрате. В химических производствах стремятся, как правило, применять более концентрированное сырьѐ, что позволяет интенсифицировать процессы и получать продукцию лучшего качества с меньшими затратами. Содержание полезных компонентов в природном сырье часто бывает недостаточным для его эффективного применения, поэтому производится предварительное обогащение сырья, т.е. повышение содержания в нем ценного компонента или разделение его на несколько компонентов, являющихся сырьем для различных производств. При обогащении сырья на месте его добычи сокращаются транспортные расходы на перевозку его к месту переработки пропорционально увеличению концентрации полезного, компонента в сырье. 43 Обогащение необходимо также потому, что запасы концентрированного сырья в природе постепенно истощаются и промышленность вынуждена отделять полезные компоненты бедного сырья от большого количества еще не используемой пустой породы. Методы обогащения принципиально различны для твѐрдых материалов, жидкостей и газов. Твѐрдое минеральное сырьѐ находится в земной коре в составе горных пород, представляющих собой агрегаты минералов более или менее постоянного состава. Минералами называют физически обособленные вещества или смеси веществ в природе. Насчитывается более 2500 минералов, включающих органические и неорганические вещества. Методы химического обогащения твѐрдого сырья, основанные на различных химических свойствах его составляющих (окисляемость, реакционная способность по отношению к различным реагентам), специфичны и рассматриваются, главным образом, при описании конкретных производств. Методы термического обогащения, основанные на различных температурах плавления компонентов сырья, применяются сравнительно редко. Для обогащения горная порода измельчается так, чтобы нарушить связь между кристаллами или зѐрнами различных минералов, которые затем и разделяются различными способами. При этом получаются две или несколько фракций. Фракция (или несколько фракций), обогащѐнная одним из полезных компонентов горной породы, называется концентратом. Фракции, состоящие из минералов, еще не используемых в данном производстве, т. е. из пустой породы, называются хвостами. Применяются главным образом механические способы обогащения твѐрдых материалов: рассеивание (грохочение), гравитационное разделение, электромагнитная и электростатическая сепарация и флотация. Рассеивание материалов по крупности их зѐрен как метод обогащения применяется в тех случаях, когда порода состоит из прочных (вязких) и непрочных (хрупких) минералов; последние измельчаются легче, чем прочные, и при рассеивании проходят через отверстия сита. Так, например, отделяется фосфорит от пустой породы. Рассеивание минерального сырья называется грохочением, а применяемые металлические сита – грохотами. Гравитационное обогащение (мокрое и сухое) основано на разной скорости падения частиц различной плотности и крупности в потоке жидкости или газа либо на действии центробежной силы. Данным способом можно разделить минералы, значительно отличающиеся по прочности (как и при рассеивании) или по плотности. Электромагнитное обогащение применяется для отделения магнитовосприимчивых материалов от немагнитных, например магнитного железняка, хромистого железняка, рутила и других магнитных минералов от пустой породы. Флотация – один из наиболее распространенных способов обогащения, применяемый в крупнейших масштабах. На обогатительных фабриках флотационным методом разделяют на несколько фракций полиметаллические сульфидные руды, отделяют апатит от нефелина, получают серный концентрат из серной руды, обогащают каменные угли и многочисленные минералы для производства различных солей. Флотация основана на различной смачиваемости минералов водой. Основная особенность флотации растворимых минералов (как правило, солей) заключается в том, что средой для флотации служит насыщенный раствор солей, входящих в состав обогащаемого сырья. Термическое обогащение основано на различной плавкости материалов, входящих в смесь. При нагревании легкоплавкие материалы вытекают из породы в жидком виде. Так, выплавляют серу из породы, состоящей в основном из сравнительно тугоплавких известняка, гипса. Так же отделяют битумы от неорганических примесей. 44 Химические способы обогащения основаны на применении реагентов, которые избирательно растворяют одно из веществ, составляющих смесь, или образуют с одним из веществ соединения, легко отделяемые от других при плавлении, испарении, осаждении из раствора. К операциям химического обогащения относят также обжиг минералов для разложения карбонатов, удаления кристаллизационной влаги, выжигания органических примесей и другие процессы, увеличивающие концентрацию полезного компонента в продукте обогащения. Все эти операции проводят не на обогатительных фабриках, а на заводах, производящих химическую переработку сырья. 7.5 Вода как сырьѐ и вспомогательный материал химического сырья Химическая промышленность является одним из крупнейших потребителей воды и воздуха. Вода применяется для получения водорода и кислорода, в качестве растворителя твѐрдых, жидких и газообразных веществ; в качестве реакционной среды, экстрагента или абсорбера, транспортирующего агента; для нагревания и охлаждения веществ и аппаратуры; для образования пульп и суспензий; для промывки разных продуктов; очистки оборудования. Кроме того, вода широко используется в качестве рабочего тела в гидравлических, тепловых и атомных электростанциях. Классификация природных вод и характеристика их примесей Природная вода подразделяется на атмосферную, поверхностную и подземную. Атмосферная вода (дождь, снег) содержит наименьшее количество примесей, в основном – растворѐнные газы (О 2 , СО 2 , N 2 и др.), соли, бактерии. Используется как источник водоснабжения в безводных и засушливых районах. Поверхностные воды – воды открытых водоѐмов, рек, озер, морей, каналов и водохранилищ. В состав этих вод входят разнообразные минеральные и органические вещества. Морская вода - многокомпонентный раствор электролитов и содержит все элементы, имеющиеся в земной коре. В морской воде растворены многие соли (хлорид натрия до 2,6 %, хлорид и сульфат магния и др.), а также газы, входящие в состав воздуха (азот, кислород и углекислый газ). Воды различных морей и океанов отличаются друг от друга по общему содержанию солей и их составу. Подземные воды – воды артезианских скважин, колодцев, ключей, гейзеров – характеризуется значительным содержанием минеральных солей, выщелачиваемых из почвы и осадочных пород, и небольшим количеством органических веществ. В зависимости от солесодержания природные воды подразделяются на пресную воду – солесодержание до 1 г/кг, солоноватую – 1 - 10 г/кг и солѐную – более 10 г/кг. Морская вода имеет солесодержание до 35 г/кг. Важнейшими показателями качества воды являются такие еѐ физические и химические характеристики, такие как запах, вкус, прозрачность, цвет, температура, содержание взвешенных веществ, сухой остаток, общая щѐлочность и еѐ составляющие, окисляемость и реакция воды. Общей щелочностью воды (Щ о ) называется суммарная концентрация содержащихся в воде анионов ОН - , НСО 3 - , СО 3 2- , РО 4 3- , НSiO 3 - , SiO 3 2- и некоторых солей слабых органических кислот (гуматов). Выражается в ммоль/л. Так как все перечисленные вещества реагируют с кислотой, то общая щѐлочность воды определяется количеством кислоты, затраченной на титрование с индикатором метиловым оранжевым. 45 7.6 Жѐсткость воды Жѐсткость воды – один из важнейших показателей еѐ качества. Жѐсткость природных вод обуславливается наличием в них солей кальция и магния. Она выражается в миллимоль-литр или в миллимоль-кг ионов Са и Мg. Различают три вида жѐсткости: временную, постоянную и общую. Временная (карбонатная или устранимая) жѐсткость (Ж к ) обуславливается, в основном, присутствием в воде бикарбонатов Са(НСОз) 2 и Мg(НСОз) 2 , которые при кипячении переходят в нерастворимые соли и выпадают в виде плотного осадка (накипи): Са(НСО 3 ) 2 → СаСО 3 + Н 2 О + СО 2 ↑ 2Мg (НСО 3 ) 2 → МgСО 3 + СО 2 ↑ + Н 2 О Постоянная (некарбонатная жесткость) (Ж н ) обуславливается содержанием в воде хлоридов, сульфатов, нитратов Са и Мg, остающихся при кипячении в растворѐнном состоянии. Сумма временной и постоянной жесткости называется общей жесткостью. По общей жѐсткости (в ммоль/л) природные воды подразделяют на |