Сырьё в химическом производстве Сырьем называют природные

Сырьё в химическом производстве

Сырьем называют природные материалы, используемые в производстве промышленной продукции. Сырье – это главный элемент производства, от которого зависят его экономичность, выбор технологии, аппаратуры и также качество продукции. Полупродуктом называют сырье, прошедшее обработку на одной или нескольких стадиях производства, но не являющееся товарным целевым продуктом. Полупродукт может быть сырьем следующей стадии производства. Побочным продуктом называют вещество, образующееся в процессе переработки сырья параллельно с целевым продуктом, но не являющееся целью данного производства. Отходами производства называют остатки сырья, материалов и полупродуктов, образующихся в производстве, которые не могут быть исполь -зованы в качестве товарных продуктов, частично или целиком утратившие свои качества.

Классификация сырья Химическое сырье классифицируют по происхождению, химическому состоянию, ресурсам и агрегатному состоянию. По агрегатному По химическому По видам запасов состоянию Твердое Жидкое Газообразное По происхождению Минеральное, в том числе: Неорганическое Возобновляемое – рудное, – нерудное, – горючее Растительное Органическое Невозобновляемое и животное Вода Воздух

Классификация сырья Химическое сырье подразделяется на первичное и вторичное: первичное сырьё извлекают из природных источников; вторичное сырьё – это промежуточные и побочные продукты промышленного производства и потребления. При этом следует отметить, что капитальные вложения в переработку вторичного сырья в среднем в четыре раза меньше, чем для переработки первичного сырья. В промышленно развитых странах повторное использование металлов и сплавов составляет: стали – 70; меди – 55; алюминия и олова – по 45; цинка – 21 % масс. Еще один принцип классификации сырья предполагает его деление на природное и искусственное (полученное при промышленной обработке природного сырья).

Общие требования к сырью Сырьё должно обеспечивать: Ø малостадийность производственного процесса; Ø агрегатное состояние системы, обеспечивающее минимальные затраты энергии для создания оптимальных условий протекания технологического процесса; Ø минимальные потери подводимой энергии в окружающую среду; Ø минимальные потери энергии с продуктами процесса; Ø возможно более мягкие условия процесса (время контакта, температура, давление) и минимальный расход энергии на изменение агрегатного состояния реагентов и осуществление технологического процесса; Ø максимальный выход целевого продукта.

Рациональное использование сырья Доля сырья в себестоимости товарной продукции является основной и достигает 70 %. Химическая промышленность использует в качестве сырьевых источников соединения более 80 элементов. Эти элементы, главным образом, входят в состав земной коры и распределены в ней крайне неравномерно и по природе, и по концентрации, и по географическому положению. Доля, приходящаяся на тот или иной элемент, содержащийся в земной коре, называется кларком. Элемен О Si Al Fe Ca Na Mg K H т Кларк, 49, 13 26, 0 7, 45 4, 20 3, 25 2, 40 2, 35 1, 00 % На девять элементов приходится 98 % массы земной коры. Доля всех остальных элементов составляет всего 1, 87 %. Из них кларк углерода, составляющего основу жизни, равен 0, 35 %.

Рациональное использование сырья Все ресурсы химического сырья делятся на запасы, т. е. выявленные и изученные, и на потенциальные ресурсы. В свою очередь по степени изученности и пригодности к эксплуатации запасы сырья делятся на три категории: Ø категория А – это запасы, детально разведанные и подготовленные к разработке; Ø категория В – это запасы, установленные в результате геологоразведочных работ; Ø категория С – это запасы, определенные по результатам геофизической разведки и изучения по естественным выходам на поверхность.

Рациональное использование сырья Возможность использования сырья для промышленного производства определяется его ценностью, доступностью и концентрацией полезного компонента. Ценность сырья зависит от уровня развития технологии и задач, стоящих перед производством, и может меняться со временем. К примеру, уран, ранее являвшийся отходом при получении радия, теперь является важнейшим стратегическим сырьем. Доступность сырья для добычи определяется географией месторождения, глубиной залегания, разработанностью промышленных методов извлечения, наличием людских ресурсов для его эксплуатации. Существенным фактором, определяющим возможность использования запасов сырья, является концентрация целевого элемента.

Рациональное использование сырья На долю России приходится мировых запасов (в масс. %): газа – 40, ископаемых углей – 23, нефти – 6 -8, древесины – 30, торфа и калийных солей – более 50, различного минерального сырья – около 20, в том числе железа и олова более – 27, никеля – 36, меди – 11, кобальта – 20, свинца – 12, цинка – 16, металлов платиновой группы – 40. По запасам золота Россия занимает третье место в мире. К этому следует добавить, что на территории России сосредоточено 20 % мировых запасов пресной воды.

Подготовка минерального сырья В химической промышленности эффективность технологического процесса в значительной степени зависит от вида сырья, качества и от его стоимости. Перед использованием минеральное сырьё подвергается специальной подготовке, которая включает два этапа: Ø очистка от примесей, которые отрицательно влияют на дальнейший ход химического превращения, этот этап является основной операцией в подготовке сырья; Ø увеличение концентрации ценного компонента, так концентрированное сырьё экономически и технологически эффективнее.

Подготовка минерального сырья Процесс очистки и разделения твёрдого сырья называют обогащением. Для жидкого и газообразного сырья используют термин концентрирование. Обогащение минерального сырья основано на использовании различия физических, физико-химических и химических свойств компонентов. Методы обогащения разнообразны и принципиально отличаются для твёрдого, жидкого и газообразного сырья. В результате обогащения получают следующие составные части: Ø концентрат – это фракция, обогащённая полезным компонентом; Ø хвосты – это пустая порода. Способы обогащения разделяются на механические, физические и физикохимические.

Подготовка минерального сырья •

Подготовка минерального сырья Механические способы обогащения – рассеивание и гравитационное разделение. Рассеивание (или грохочение) – это разделение твёрдой породы, основанное на различной прочности компонентов. Измельчённое сырьё пропускается последовательно через грохоты, которые представляют собой металлические сита с отверстиями различных размеров. При грохочении образуются зёрна различной величины, в результате происходит разделение на фракции, обогащённые определённым минералом.

Подготовка минерального сырья Механические способы обогащения – рассеивание и гравитационное разделение. Гравитационное обогащение основано на различной скорости падения частиц измельчённого материала, имеющего различную плотность, форму и размеры. Такое разделение проводят либо в потоке жидкости (мокрое гравитационное обогащение), либо в потоке газа или под действием центробежных сил.

Подготовка минерального сырья Механические способы обогащения – рассеивание и гравитационное разделение. Принципиальная схема мокрого гравитационного обогащения

Подготовка минерального сырья Механические способы обогащения – рассеивание и гравитационное разделение. К аппаратам мокрого гравитационного обогащения относится гидроциклон, принцип работы которого основан на действии центробежной силы.

Подготовка минерального сырья Физические способы обогащения – электростатическая и электромагнитная сепарация, термический метод. Электромагнитная сепарация и электростатическая сепарация основаны на различиях в магнитной проницаемости или электрической проводимости компонентов сырья. Электромагнитное обогащение применяют для разделения магнитовосприимчивых частиц от немагнитных, а электростатическое обогащение для разделения электропроводящих веществ от диэлектриков. Разделение осуществляется в электромагнитных или электростатических сепараторах, имеющих сходный принцип работы.

Подготовка минерального сырья Физические способы обогащения – электростатическая и электромагнитная сепарация, термический метод. Схема электромагнитного сепаратора:

Подготовка минерального сырья Физические способы обогащения – электростатическая и электромагнитная сепарация, термический метод. Термическое обогащение твёрдого сырья основано на различии температур плавления компонентов сырья. Например, нагреванием серосодержащей породы отделяют легкоплавкую серу от пустой породы, состоящей из более тугоплавких известняков, гипса и других минералов.

Подготовка минерального сырья Физико-химические способы обогащения – флотация и экстракция. Флотация является одним из самых крупномасштабных технологических процессов обогащения и разделения твёрдого минерального сырья. Различают пенную, плёночную и масляную флотацию. В основе всех видов флотации лежит различие в смачиваемости жидкой фазой частиц пустой породы и ценного извлекаемого материала.

Подготовка минерального сырья Физико-химические способы обогащения – флотация и экстракция. Основы флотации рассмотрим на примере пенной флотации. Предварительно измельчённый материал интенсивно перемешивается в воде, образуется пульпа, через которую барботируется воздух. Обычно частицы ценного материала плохо смачиваются водой, захватываются пузырьками воздуха и в виде пены выносятся на поверхность воды. Затем эта пена механически удаляется и поступает на дальнейшую переработку, а хорошо смачиваемая пустая порода переходит в воду.

Подготовка минерального сырья Физико-химические способы обогащения – флотация и экстракция. Минерализованную пену (пенный продукт) называют флотационным концентратом. Как правило, он представляет собой ценный компонент обогащаемого сырья. Частицы, которые хорошо смачиваются и остаются в пульпе, образуют камерный продукт (или хвосты). Как правило, это пустая порода. Смачиваемость минералов характеризуется краевым углом смачивания, который образуется вдоль линейной границы раздела Т – Ж – Г:

Подготовка минерального сырья Физико-химические способы обогащения – флотация и экстракция. Большинство минералов природных руд мало отличаются по смачиваемости друг от друга. Для их разделения создают условия неодинаковой смачиваемости водой отдельных компонентов. Для повышения эффективности процесса флотации (для повышения селективности, ускорения и создания устойчивой пены) во флотатор добавляют так называемые флотореагенты. Расход флотореагентов невелик и может составлять сотню граммов на тонну сырья. Это позволяет использовать даже сравнительно сложные и дорогостоящие поверхностно-активные вещества для тонкого регулирования поверхностных свойств разделяемых материалов.

Подготовка минерального сырья Физико-химические способы обогащения – флотация и экстракция. К флотореагентам относятся: Ø Собиратели (или коллекторы) – способствуют образованию гидрофобных плёнок на поверхности гидрофильных частиц. Гидрофобизированные частицы прилипают к пузырькам воздуха и поднимаются на поверхность пульпы в пену и удаляются вместе с ней в виде флотационного концентрата. Собирателями служат поверхностно-активные вещества (ПАВ), содержащие полярную и неполярную группу. Например, жирные кислоты и их мыла (олеиновая кислота, нафтеновая кислота), а также ксантогенаты, чаще ксантогенат калия.

Подготовка минерального сырья Физико-химические способы обогащения – флотация и экстракция. К флотореагентам относятся: Ø Пенообразователи – обеспечивают устойчивость пузырька, достаточную для доставки частиц на поверхность флотатора. Минерализованная пена должна быть умеренно устойчивой, плотной и подвижной. Слой пены должен содержать как можно меньше воды с тем, чтобы облегчить дальнейшую переработку. В качестве пенообразователей используют ПАВ, образующие адсорбционные плёнки на поверхности пузырьков воздуха. К наиболее эффективным пенообразователям относятся сосновое масло, фракции каменноугольной смолы, алифатические спирты.

Подготовка минерального сырья Физико-химические способы обогащения – флотация и экстракция. К флотореагентам относятся: Ø Подавители (или депрессоры) – применяют для повышения смачиваемости минеральных примесей, они способствуют переходу этих примесей в хвосты (или камерный продукт). В качестве подавителей выступают электролиты (известь, цианиды, сульфиты, цинковый купорос, силикат натрия). Ø Активаторы – способствуют усилению адсорбции коллекторов. Часто их используют для разделения хвостов и устранения действия подавителей. В качестве активаторов выступают медный купорос, серная кислота, сульфид натрия. Регуляторами среды являются известь, сода, серная кислота и другие вещества.

Подготовка минерального сырья Физико-химические способы обогащения – флотация и экстракция. Различают коллективную и селективную флотацию. Коллективная флотация – процесс, при котором получают концентрат, содержащий все полезные компоненты, и пустую породу. Коллективный концентрат затем разделяют на отдельные составляющие компоненты. Это разделение осуществляется с помощью избирательной (или селективной) флотации. В этом случае кроме собирателей и пенообразователей в процесс вводят депрессоры. Они способны усиливать гидрофильность определённых минералов, препятствуя их всплыванию. В последующем вносят активаторы, которые снимают действие депрессоров и способствуют всплыванию минералов.

Подготовка минерального сырья Физико-химические способы обогащения – флотация и экстракция. Экстракция – это процесс избирательного извлечения одного или нескольких компонентов из водной среды в жидкую органическую. При этом предполагается, что органическая фаза практически не растворяется в водной. После разделения фаз извлекаемый компонент вновь переводят в водную фазу. Этот процесс называют реэкстракцией. При этом экстрагент регенерируется. Хорошими экстрагентами являются карбоновые или нафтеновые кислоты, амины, четвертичные аммониевые основания, хорошо растворимые в керосине или гексане. Требования к экстрагентам: Ø лёгкость регенерации; Ø нетоксичность; Ø низкая стоимость.

Подготовка газообразного сырья Газообразное сырьё бывает природного и промышленного происхождения. Природное сырьё представлено углеводородными газами (природный газ) и воздухом. В качестве газообразного сырья промышленного происхождения используются газы коксохимического производства (коксовый газ), газы нефтепереработки (попутный газ), газы металлургических производств, газы переработки твёрдого топлива (генераторный газ). Методы обогащения газообразных многокомпонентных систем (или очистка и разделение газовых смесей) основаны на различии свойств компонентов смеси (например, на различии температур кипения, растворимости в каком-либо растворителе, сорбционной способности).

Подготовка газообразного сырья Разделение газов: Ø разделяют воздух на азот и кислород; азот используется в производстве аммиака, а кислород – как окислитель в химической промышленности и в металлургии. Кроме того, из воздуха выделяют аргон; Ø из коксового газа выделяют аммиак в виде сульфата аммония; водород, используемый далее для получения азотоводородной смеси; и сероводород, который используется для получения серной кислоты. Очистка газов: Ø природный газ, применяемый в производстве аммиака, очищают от серо -содержащих соединений; Ø конвертированный газ производства аммиака очищают от диоксида углерода; Ø перед колонной синтеза аммиака азотоводородную смесь очищают от следов кислородсодержащих соединений.

Подготовка газообразного сырья Основные методы разделения газовых смесей: Ø метод конденсации заключается в том, что при охлаждении газовой смеси более высококипящие компоненты конденсируются первыми и отделяются в сепараторах. В производстве синтетического аммиака методом конденсации отделяют аммиак от непрореагировавшей азотоводородной смеси. Из коксового газа фракционным охлаждением выделяется водород.

Подготовка газообразного сырья Основные методы разделения газовых смесей: Ø сорбционные методы основаны на различной сорбционной способности компонентов каким-либо поглотителем. В сорбционных процессах выделяют: адсорбцию и абсорбцию. Адсорбция – это процесс поглощения одного или нескольких компонентов газовой смеси твёрдой поверхностью адсорбента. Процесс поглощения осуществляют в аппаратах, называемых адсорберами. Адсорберы бывают: с неподвижным слоем адсорбента, с движущимся слоем, а также с кипящим слоем. Адсорбер работает в режиме «адсорбция ↔ десорбция» . В качестве адсорбентов используют: активированный уголь, цеолиты, пористые стёкла.

Подготовка газообразного сырья Основные методы разделения газовых смесей: Ø сорбционные методы основаны на различной сорбционной способности компонентов каким-либо поглотителем. В сорбционных процессах выделяют: адсорбцию и абсорбцию. Абсорбция – это избирательное поглощение одного или нескольких компонентов газовой смеси жидким поглотителем (абсорбентом). В качестве абсорбентов обычно используются органические и неорганические растворители. Очистка и разделение газовой смеси проходит в двух аппаратах. В одном (абсорбере) протекает абсорбция какого-либо компонента охлаждённым абсорбентом, в другом (регенераторе) – десорбция, при этом выделяется поглощённое вещество из раствора и регенерируется абсорбент.

Подготовка газообразного сырья Основные методы разделения газовых смесей: Ø мембранный метод очистки газовых смесей основан на разделении с помощью микропористых перегородок (или мембран), проницаемых для молекул одного вида и непроницаемых для молекул другого вида. Мембранный метод разделения наиболее совершенный, так как исключены высокие давления и низкие температуры. В мембранных аппаратах разделяют воздух на азот и кислород, метан и водород, метан и гелий. Газы очищают также от пыли и влаги.