ОХТ(шпоры). УКлассификация технологических процессов механические и химические технологии промышленность неорганических веществ промышадность органических веществ (включая производство и переработку пищевых продуктов)
 Скачать 3.28 Mb.
|
|
Обогащение сырья. Применение концентрированного сырья упрощает и удешевляет его переработку, а также позволяет получать продукты более высокого качества. Потребляемое в химической промышленности сырье обычно недостаточно концентрированное, поэтому перед употреблением его в большинстве случаев обогащают, в результате чего концентрация в нем основного вещества увеличивается. Обогащение полезных ископаемых, как правило, сложный и дорогостоящий процесс. Однако, несмотря на дополнительные затраты, связанные с обогащением, оно обеспечивает значительный народнохозяйственный эффект, определяемый: возможностью расширения сырьевой базы и обеспечения современного многотоннажного производства химической продукции за счет комплексного использования сырья и вовлечения в эксплуатацию бедных по содержанию полезных минералов и руд; более полным использованием оборудования на химических предприятиях за счет переработки высококонцентрированного обогащенного сырья; существенным улучшением качества готовой химической продукции и значительной экономией транспортных средств вследствие уменьшения перевозок, приходящихся на долю пустой породы. Если обогащению подвергают твердые материалы (например, горные породы), то полученный обогащенный продукт называют концентратом, а отходы с меньшим содержанием полезного продукта и повышенным содержанием породы называют хвостами. В тех случаях, когда в сырье содержится несколько полезных составляющих, его делят на отдельные части (фракции), обогащенные тем или иным компонентом, т. е. из сложного сырья получают несколько концентратов, что позволяет более полно (комплексно) использовать сырье. Методы обогащения твердых материалов весьма разнообразны, они основаны на различии физических и химических свойств веществ, входящих в состав сырья, например, прочности, плотности, твердости, растворимости, температур плавления и возгонки, магнитной проницаемости и др. Рассеивание (грохочение) основано на том, что минералы, входящие в состав сырья, имеют различную прочность, поэтому при дроблении менее прочные (хрупкие) минералы Дробятся на более мелкие зерна, чем прочные (вязкие) материалы. Если после измельчения такое сырье просеять через сита с отверстия различного размера, то можно получить фракции, обогащенные тем или иным минералом. Гравитационное разделение основано на различии скоростей осаждения (падения) частиц в жидкости или газе в зависимости от плотности или крупности этих частиц. Если осаждение производят в жидкости (чаще всего в воде), его называют мокрым гравитационным обогащением; если осаждение ведут в газе (чаще всего в воздухе), его называют сухим гравитационным обогащением. Магнитная сепарация применяется для отделения магнитно восприимчивых материалов от немагнитных, а также для удаления стальных предметов, случайно попавших в руду; магнитный железняк от пустой породы. Флотационный метод обогащения основан на различной смачиваемости зерен от дельных минералов водой. Частицы несмачиваемого (гидрофобного) минерала не пре одолевают силы поверхностного натяжения воды и остаются на ее поверхности. Частички смачиваемого (гидрофильного) материала обволакиваются пленкой жидкости и опускаются на дно аппарата. Несмачиваемый минерал снимают с поверхности жидкости, отделяя от руды. Для проведения флотации применяют технологические приемы, в частности создают условия неодинаковой смачиваемости водой зерен минералов. Природные минералы в большинстве случаев хорошо смачиваются водой, поэтому для их разделения флотацией в суспензию вводятся специальные реагенты собиратели, снижающие смачиваемость отдельных природных минералов. В тех случаях, когда необходимо, наоборот, затруднить всплывание частиц отдельных минералов, в суспензию вводят подавители (щелочи, соли щелочных металлов и др.). Эти вещества увеличивают гидрофильность частиц минералов, что затрудняет их всплывание и способствует осаждению частиц на дно. Флотационный метод обогащения получил широкое промышленное применение благодаря тому, что применение различных флотореагентов, добавляемых в малых количествах (100 г на 1 т породы), позволило обогащать и разделять на фракции самое разнообразное (практически любое) сырье. Жидкие растворы различных веществ концентрируют упариванием растворителя, вымораживанием, выделением примесей в осадок или в газовую фазу. Так, например, упариванием воды из растворов получают минеральные соли, щелочи, кислоты и др., а путем вымораживания обычно концентрируют природные рассолы в зимнее время. Газовые смеси разделяют на компоненты последовательной конденсацией, т. е. переводят их в жидкое состояние при постепенном понижении температуры и сжатии. Этот метод основан на различии температур конденсации компонентов газовой смеси. В других случаях вначале газовую смесь превращают в жидкость, а затем последовательным испарением ее разделяют на индивидуальные компоненты. Разделение газовых смесей осуществляют также поглощением отдельных газов жидкостями (абсорбция) или твердыми веществами (адсорбция) с последующим выделением их из сорбентов в концентрированном виде. Методы концентрирования жидких растворов и разделение газовых смесей широко применяются в настоящее время в химической промышленности.
Вода широко используется в химической промышленности, редким исключением являются процессы, в которых не участвует вода. В одних случаях вода служит сырьем и реагентом, непосредственно участвующим в основных химических реакциях, а в других вода употребляется как растворитель, теплоноситель или охладитель, а также для других самых разнообразных физических операций. В перспективе природная вода может использоваться как источник промышленного сырья. В воде морей и океанов содержатся почти все элементарные вещества периодической системы элементов, но в небольших количествах. Так, например, в воде содержится в виде различных солей. Если учесть, что общая масса воды на земном шаре велика и составляет 1,4*1018 т, то содержание различных веществ в воде выражается внушительными цифрами. Основным источником промышленного водоснабжения в нашей стране являются речные воды. Однако территориальное распределение их крайне неравномерно. В районах с дефицитным водоснабжением уже сейчас для нормальной эксплуатации и расширения многих химических предприятий и комплексов требуется проводить весьма сложные и дорогостоящие мероприятия по регулированию и переброске стока на большие расстояния и использовать подземные воды. Все это сопряжено со значительными дополнительными материальными и денежными затратами и в связи с этим с ухудшением технико-экономических показателей производства химической продукции. Развитие химической промышленности вызывает огромный рост потребности в воде (современные химические предприятия расходуют большое количество воды, измеряемое миллионами кубических метров в сутки). Так, например, современный завод капронового волокна расходует столько же воды, сколько потребляет ее город с населением 120 тыс. человек. Специализированный завод пластмасс, включающий производство мономеров, по потреблению воды эквивалентен городу с населением 400 тыс. человек. Мощный современный электрохимический комбинат по производству продуктов хлор органического синтеза потребляет столько же воды, сколько город с населением 800 тыс. человек. Наряду с этим химические пред приятия сбрасывают большие количества сильно загрязненных вод. Таким образом, рациональное комплексное использование водных ресурсов в условиях быстро развивающейся химической промышленности и других отраслей народного хозяйства становится крупной технологической, технической и экономической задачей. Технологический аспект в решении водной проблемы заключается в новом подходе к разработке технологической схемы. Рациональное водопотребление должно быть обязательным в каждом технологическом процессе. Необходимы создание процессов, требующих минимальных расходов свежей воды, разработка научно обоснованных норм ее расхода в химических производствах и совершенствование технологических процессов в направлении возможно полного использования отходов производства, что снизит потребность в очистных сооружениях. Насколько это важно, можно судить по тому, что в настоящее время затраты на строительство очистных сооружений составляют примерно 20% стоимости химических предприятий. В зависимости от назначения потребляемая вода условно подразделяется на промышленную и питьевую; в каждой из них содержание примесей регламентируется соответствующим ГОСТ. Питьевая вода в первую очередь освобождается от бактерий; к ней предъявляются особые требования в отношении вкуса, цвета, запаха. Промышленные воды не должны содержать примесей больше допустимой нормы, которая устанавливается в зависимости от производства, на котором используется вода. Вода для прямоточных паровых котлов не должна содержать двуокись углерода и кислород, вызывающих коррозионное разрушение труб, и может содержать не более 0,2-0,3 мг/л сухого остатка. Соли в паровых котлах, отлагаясь на внутренней поверхности труб в виде накипи, снижают теплопроводность металла; происходит перегрев труб и преждевременный их износ. Повышенные требования в отношении чистоты предъявляются к воде в производстве полупроводников, люминофоров и некоторых других материалов. Качество воды характеризуется следующими показателями: жесткостью, общим солесодержанием, прозрачностью, окисляемостью и реакцией воды. Жесткость воды - различают временную, постоянную и общую жесткость. Временная (устранимая) жесткость обусловлена наличием в воде бикарбонатов кальция и магния. Эти соли сравнительно легко удаляются из воды при кипячении, так как при этом они переходят в нерастворимые углекислые соли и выпадают в виде плотного осадка: (Са, Mg) (НСО3) —> (Са, Mg)C03 + Н20 + С02 Постоянная жесткость воды обусловлена присутствием в воде хлоридов, сульфатов, нитратов кальция и магния. Эти соли при кипячении не удаляются из воды. Сумма временной и постоянной жесткости дает общую жесткость, измеряемую в миллиграмм*эквивалентах ионов кальция или магния, содержащихся в виде солей в 1 л воды. Жесткость воды равна единице, если в 1 л ее содержится 1 мг*экв ионов кальция, что соответствует 20,04 мг кальция или 12,16 кг магния. По жесткости (в мг*экв/л) природные воды подразделяют на очень мягкую (0-1,5), мягкую (1,5-3), среднюю (3-6), жесткую (6-10) и очень жесткую (более 10). Общее солесодержание, или сухой остаток - масса вещества, остающаяся после испарения воды и высушивания полученного остатка при 105-110 °С. Сухой остаток измеряется в миллиграммах на 1 л воды (мг/л). Прозрачность воды измеряется толщиной слоя воды, через который можно различать визуально или с помощью фотоэлемента изображение креста или определенного шрифта. Окисляемость воды определяется числом миллиграммов перманганата калия, израсходованного при кипячении 1 л воды с избытком КМnO4 в течение 10 мин. Реакция воды, т. е. ее кислотность или щелочность, характеризуется концентрацией водородных ионов или величиной рН. При рН = 6,5-7,5 вода считается нейтральной, при рН < 6,5 воду называют кислой, при рН > 7,5 - щелочной.
В поступающей воде содержатся самые разнообразные примеси: грубодисперсные и коллоидные частицы различные силикаты, гидратированная кремниевая кислота, в ней также растворены газы и соли: бикарбонаты, сульфаты, хлориды, нитраты кальция, магния, калия, натрия и др. Очистка воды включает следующие операции: осветление, обеззараживание, умягчение, дегазацию и дистилляцию. Осветление воды производится с целью удаления механических примесей, оно дости гается отстаиванием воды в бетонированных резервуарах большой емкости (отстойниках) с последующим фильтрованием на песчаных фильтрах. Для осаждения коллоидных примесей в отстойники вводят коагулянты - сульфаты железа или алюминия. Коагулянты гидролизуются в воде с образованием аморфных осадков гидроокисей железа или алюминия, которые адсорбируют коллоидные примеси и увлекают их на дно резервуара. В конечном счете реакция протекает по уравнению: Al2(S04)3 + 6Н20 = 3H2S04 + 2A1(0H)3 Гидроокись алюминия образуется также при взаимодействии сульфата алюминия с присутствующими в воде бикарбонатами кальция и магния: AI2(SO,)3 + ЗСа(НС03)2 = 3CaSO4 + 6С02 + 2А1(ОН)3 Таким образом, одновременно с удалением коллоидных примесей снижается и содержание солей временной жесткости. Обеззараживание воды - удаление из нее микроорганизмов и бактерий путем хлорирования, озонирования или кипячения. В настоящее время для хлорирования воды используют хлор, гипохлорит кальция и др. При обработке воды гипохлоритом кальция протекает реакция6 Са(СlO)2 + С02 + Н20 = СаС03 + 2НС1O НС1O = HCl + O Атомарный кислород обладает сильными окислительными свойствами, поэтому убивает микроорганизмы и окисляет органические примеси. В последние годы обеззараживание питьевой воды производят преимущественно с помощью озона, который получают путем воздействия тихого электрического разряда на воздух или на воздух, обогащенный кислородом. При обработке воды озон разлагается с выделением атомарного кислорода. При обработке воды хлором вода приобретает запах хлора, при озонировании запах отсутствует, что является существенным достоинством метода. Вода обеззараживается также обработкой ионами серебра и при воздействии ультрафиолетовых лучей и ультразвуковых колебаний. Умягчение воды состоит в полном или частичном удалении из нее солей кальция и магния. Если из воды удаляются также катионы и анионы, т. е. удаляются все содержащиеся в ней соли, этот процесс называют обессоливанием воды. Умягчение и обессоливание воды являются основными процессами подготовки воды. Способы умягчения подразделяются на физические, химические и физико-химические. Физические способы предусматривают термическую обработку воды, или кипячение, дистилляцию и вымораживание. Химические способы умягчения воды заключаются в обработке ее растворами химических соединений. Наибольшее промышленное приме нение получили известково-содовый и фосфатный способы умягчения. Известково-содовый способ заключается в обработке воды сна чала известковым молоком, а затем содой, при этом кальциевые соли превращаются в нерастворимый карбонат кальция, магниевые соли в гидроокись и карбонат магния: Са(НС03)2 + Са(ОН)2 = 2Н2О + 2СаС03 Mg(HC03) + 2Са(ОН)3 = Mg(OH)2 + 2Н2О + СаС03 СаС12 + Na2C03 = 2NaCl + СаС03 MgS04 + 2Na2C03 = Na2S04 + MgC03 Известково-содовый способ является наиболее распространенным и дешевым, но при этом достигается лишь сравнительно грубое умягчение воды (примерно до 0,3 мг*экв/л). Фосфатный способ состоит в обработке воды фосфатом натрия: 3Са(НС03)2 + 2Na3P04 = 6NaHC03 + Ca3(P04)2 3СаС12 + 2Na3P04 = 6NaCl + Са3(Р04)2 Растворимость фосфатов кальция и магния в воде ничтожно мала, это определяет высокую эффективность фосфатного способа (содержание солей снижается примерно до 0,03 мг*экв/л). Фосфатный способ достаточно дорогой способ умягчения, поэтому применяется главным образом в комбинированных схемах, в которых основная масса солеи удаляется из воды известковым молоком или содой, а доумягчение осуществляется с помощью фос фатов. Из физико-химических способов наиболее широкое практическое применение находят ионообменные способы, основанные на свойстве некоторых труднорастворимых твердых веществ, так называемых ионитов, обменивать свои ионы на ионы солей, рас творенных в воде. Иониты подразделяются на катиониты и аниониты. Катиониты содержат подвижные катионы натрия или водорода и соответственно называются Na-катионитами и Н-катионитами. Аниониты содержат подвижную гидро- ксильную группу (ОН-анионита- ми). В качестве Na-катионитов применяются алюмосиликаты: глауконит, цеолит, пермутит и др.; в качестве Н-катионитов применяются сульфированный уголь и другие вещества; к ОН-анионитам относятся искусственные смолы сложного состава, например карбамидные. Процессы очистки воды способом ионного обмена можно представить следующим образом. Катионный обмен с использованием алюмосиликата состава Na20 • А1203 • 2Si02 • Н20 протекает по уравнению: Na20[Kaт] + СаС12 = СаО[Кат] + 2МаС1 где [Кат] — неучаствующая в обмене часть молекулы (Na20 • А1203 • 2Si02 • Н20). В случае применения Н-катионита процесс протекает следующим образом: Н2[Кат] + CaS04 = Са[Кат] + H2S04 Н2[Кат] +Са(НС03)2 = Са[Кат] + 2Н20 + 2С02= С течением времени катиониты истощаются, их регенерируют промывкой раствором NaCl или кислотой. Анионный обмен можно представить в виде 2[Ah]ОH + H2S04 = [Ah]2S04 + 2Н20 Для регенерации анионита его промывают щелочью: [Ah]2S04 + 2NaOH = Na2S04 + 2[Ан]ОН К преимуществам ионитового способа по сравнению с известково-содовым относятся компактность и простота аппаратурного оформления, более глубокое умягчение воды (до 0,035 + +0,07 мг-экв-л-1), простота обслуживания и контроля и самое основное дешевизна. Дегазация - удаление из воды растворенных газов производится химическим и физическим способами. При химическом способе газы взаимодействуют с химическими соединениями и удаляются из воды. Например, двуокись углерода удаляют из воды при пропускании через фильтр, заполненный гашеной известью, либо добавляют к воде известковое молоко. В обоих случаях образующийся СаС03 выпадает в осадок. Для удаления кислорода воду пропускают через фильтр, заполненный железными опилками или стружками; кислород взаимодействует с железом, образующаяся нерастворимая в воде окись железа выпадает в осадок. Физические способы удаления газов заключаются в аэрации или нагревании воды в вакууме. Полная очистка воды (обессоливание), а также дегазация и обезвреживание воды достигаются ее перегонкой, т. е. дистилляцией. |