Химическое сырье

Сырье – один из основных элементов технологического процесса, который определяет в значительной степени экономичность процесса, выбор технологии.

Сырьемназываются природные материалы, используемые в производстве промышленных продуктов. В качестве сырья могут быть применены природные материалы, полупродукты и отходы производства.

В химическом производстве на различных стадиях переработки можно выделить следующие материальные объекты: исходное вещество или собственно сырье, промежуточные продукты (полупродукты), побочные продукты и отходы.

→( побочный продукт)

( сырье) →(полупродукт –1)→(полупродукт-2)→↕

↓↓→(готовый продукт)

(отходы-1) (отходы-2)

Полупродуктом называется сырье, подвергшееся промышленной переработке. Он может быть использован на последующих стадиях производства. Например,

каменный уголь→ коксовый газ→ водород→ аммиак.

Побочным продуктом называется вещество, образовавшееся в процессе переработки сырья наряду с целевым продуктом, но не являющееся целью данного процесса. Например, аммиачная селитра, мел в производстве нитроаммофоски.

Отходами производства называются остатки сырья, материалов, полупродуктов, образующихся в производстве и полностью или частично утратившие свои качества. Например,

полупродуктом в производстве метанола являются водород и СО.

Полупродукты, побочные продукты и отходы после предварительной обработки или без нее могут быть использованы в качестве сырья в других процессах. Как исходное сырье, так и готовые продукты должны отвечать определенным требованиям, соответствующим стандартам.

Все химическое сырье классифицируется по различным признакам: происхождению

– минеральное, добываемое из недр земной коры;

– растительное и животное: дерево, хлопок, кожа, шерсть;

– горючие ископаемые, используемые как химическое сырье и энергетическое топливо: уголь, торф, нефть, горючие газы;

химическому составу (неорганическое и органическое);

запасам и агрегатному состоянии (твердое, жидкое и газообразное).

Химическое сырье принято делить на:

– первичное (извлекаемое из природного источника;

– вторичное (промежуточные и побочные продукты);

– природное;

– искусственное (полученное в результате переработки природного сырья).

Минеральное сырье делят на рудное (металлическое), нерудное (неметаллическое) и горючее (органическое). Рудное минеральное сырье, используемое для получения металлов в технически чистом виде, состоит из природных минералов. Минералы руд содержат в основном оксиды и сульфиды металлов и оксиды соединений, составляющих пустую породу. По составу минералов руды бывают окисленными, состоящими из оксидов, сульфидными и самородными. Руды, в состав которых входят соединения разных металлов, называют полиметаллическими.

Нерудное минеральное сырье разнообразно по химическому составу и либо применяется в естественном состоянии – песок, глина, асбест, слюда, либо поступает на химическую переработку – сульфаты, фосфаты, карбонаты, хлориды, алюмосиликаты и др.

Горючие минеральные ископаемые – торф, бурые и каменные угли, сланцы, а также нефть и природный газ – относят к органическим соединениям и используют в качестве сырья и источника энергии.

В химической промышленности широко применяют и такие доступные и дешевые виды сырья, как вода и воздух.

Растительное и животное сырье – древесина, хлопок, масла и жиры, молоко, кожа, шерсть – перерабатывают или в продукты питания (пищевое сырье), или в продукты бытового и промышленного назначения (техническое сырье),

Твердое

По агрегатному Жидкое нефть, рассолы

состоянию Газообразное воздух, природный газ

Неорганическое

Химическое По химическому Органическое

сырье состоянию

Возобновляемое

По видам Невозобновляемое

запаса

Растительное и

По животное древесина, хлопок,

Происхождению Минеральное кожа

Вода

воздух

Рис.1.2.1 Классификация химического сырья

Ценность сырья зависит от уровня развития техники. Например, хлористый калий в 19 веке был используемым отходом при извлечении хлористого натрия из сильвинита. В н.в. хлористый калий – исходное сырье в минеральных удобрениях. К веществам, используемым в качестве химического сырья, предъявляется ряд общих требований. Сырье для химического производства должно обеспечить:

– малостадийность производственного процесса;

– агрегатное состояние системы, требующее минимальных затрат энергии для создания оптимальных условий протекания процесса;

– минимальное рассеяние подводимой энергии;

– возможно более низкие параметры процесса;

– максимальное содержание целевого продукта в реакционной смеси.

Ресурсы и рациональное использование сырья

В себестоимости химической продукции доля сырья достигает 70%. Поэтому весьма актуальна проблема ресурсов и рационального использования сырья при его переработке и добыче. В химической промышленности в качестве сырья используются соединения более 80 элементов. Эти элементы, входящие в состав земной коры, которая является основным источником химического сырья, распределены в ней неравномерно по природе, концентрациям и географическому расположению. 9 элементов составляют более 98% массы земной коры: О₂– 49.13%, SiO₂–26%, Al –7.45%, Fe – 4.2%, Са –3.25%, Na –2.4%, Мg–2.35%, К –2.35%, Н₂ –1% , остальные – 1.87%. Такой важный для жизни элемент, как углерод составляет 0.35%. 76 элементов, включая широко применяемые свинец, ртуть, мышьяк –0.06%.

Возможность использования сырья определяется его ценностью, доступностью и концентрацией полезного компонента. Доступность сырья для его добычи определяется географическим расположением запасов, глубиной залегания, разработанностью промышленных методов извлечения.

Существенное влияние на возможность использования сырья оказывает концентрация полезного элемента. Например, титан рассеян в земной коре, отнесен к редким элементам, хотя его содержание в коре 0.61%, в два раза больше углерода. В отличие от титана углерод сконцентрирован в доступных растительных, животных материалах, особенно в мощных залежах топлива и карбонатов. Не меньшее значение имеет химическая прочность соединений, в которые входят необходимые элементы. Например, алюминий связан в виде прочных химических соединений – алюмосиликатов, из которых алюминий трудно извлечь. Поэтому его производство началось лишь в конце 19 века.

В н.в. на долю РФ приходится 45% мировых запасов газа и 23% ископаемых углей.

В РФ и странах СНГ сосредоточено 60% торфа, 60% калийных солей, 33% фосфора от мировых запасов.

Основными направлениями рационального использования химического сырья являются:

– применение более дешевого сырья;

– использование вторичных материальных ресурсов;

– использование менее концентрированного сырья;

– комплексная переработка сырья.

Пример, переработка апатитовых руд.

Апатитовая руда

Фторапатит нефелин

Са₅F(РО₄)₃ Na₂O(K₂O)SiO₂Al₂O₃

содопродукт

Na₂CO₃

H₃PO₄ цемент

Фтористые соли редкие элементы

Рис.1.2.2 Переработка апатитовых руд

Комплексное использование сырья приводит к сокращению капитальных вложений в производство, снижению с/с продукции.

– замена пищевого сырья на непищевое;

– применение альтернативных материалов, изготавливаемых из сырья с более низким ИИР;

– рециркуляция сырья, т.е. вторичная переработка выработавших срок эксплуатации, вышедших из строя и морально устаревших изделий. Пример, извлечение ценных металлов из металлолома.

Подготовка химического сырья к переработке.

Природное сырье, как правило, кроме основного компонента, содержит примеси. Сырье, предназначенное для переработки в готовую продукцию, должно удовлетворять определенным требованиям. Это достигается комплексом операций, составляющих процесс подготовки сырья к переработке.

Целью подготовки сырья является процесс придания ему состава и свойств, обеспечивающих оптимальное протекание химико-технологического процесса его переработки. В комплекс операций по подготовке сырья входят: классификация, измельчение (или укрупнение), обезвоживание, обогащение.

В местах добычи сырья строят крупные обогатительные фабрики, комплексно применяющие различные методы подготовки сырья. Методы обогащения различны для твердых материалов, жидкостей и газов

Минераламиназываются физически обособленные вещества или смеси веществ в природе. В природе насчитывается более 2500 минералов, включающих органические и неорганические вещества. Одни и те же вещества могут быть в составе различных минералов.

Перед обогащением горная порода измельчается.

Измельчением называется механический процесс деления твердого тела на части за счет приложения внешних сил. Измельчение производят методами удара (1), раздавливания (2) и истирания (3). Измельчение до частиц 10^-3 называется дроблением и осуществляется в дробилках.

1 2 3

Мерой измельчения является степень измельчения, определяемая как

I =Д_н/Д_к (2.1.2)

где Д_н и Д_к – средние размеры частиц до и после измельчения соответственно.

В отдельных случаях проводят укрупнение материала методами брикетирования или агломерации.

Далее проводят классификацию или рассеивание материала.

Классификацией называется процесс разделения однородных сыпучих материалов на фракции (классы) по размерам составляющих их частиц. Рассеивание применяют для разделения твердой породы, содержащей минералы различной прочности и образующей при измельчении зерна разной величины. Рассеивание осуществляется методом грохочения на металлических ситах, называемых грохотами. Можно пропустить материал через несколько грохотов со все уменьшающимися отверстиями и получить несколько фракций. При последовательном пропускании измельченного сырья через металлические сита с отверстиями разных размеров происходит разделение на фракции, обогащенные определенным минералом. Рассеиванием обогащают, например, одну из фосфатных пород, разделяя ее на фосфатный концентрат и пустую породу. Рассеивание применяется и для сортировки по крупности зерен более или менее однородного состава, так делят уголь. Применяют плоские и цилиндрические грохоты. Классификацию можно осуществить помимо грохочения разделением смеси частиц по скорости их осаждения в жидкой фазе (гидравлическая классификация), разделением смеси частиц по скорости их осаждения в воздухе с помощью сепараторов (воздушная классификация).

Обезвоживаниематериала достигается методами стекания, отстаивания (жидкая система) и сушки.

Обогащением называется процесс отделения полезной части сырья от пустой породы с целью повышения концентрации полезного компонента. В результате обогащения сырье разделяется на концентрат полезного компонента и хвосты с преобладанием в них пустой породы.

Количественными показателями процесса обогащения являются:

1. Выход концентрата – отношение массы полученного концентрата m_к к массе обогащаемого сырья m_с

η_к =m_k/m_c (1.2.1.)

2. Степень извлечения полезного компонента, представляющая отношение массы полезного компонента в концентрате m_кк к его массе в обогащаемом сырье.

Х _и= m_kk/m_kc (1.2.2)

3. Степень обогащения сырья – отношение массовой доли полезного компонента в концентрате к массовой доле его в обогащаемом сырье.

Х₀= μ /μ _кс (1.2.3)

Выбор метода обогащения зависит от агрегатного состояния и различия свойств компонентов сырья.

При обогащении твердого сырья используются механические, химические и физико-химические методы.

К механическим методам обогащения относятся:

– гравитационные, основанные на различной скорости оседания частиц различной плотности и размеров в потоке газа или жидкости, или в поле центробежной силы;

– электромагнитные, основанные на различной магнитной проницаемости компонентов сырья;

– электростатические, основанные на различной электрической проводимости компонентов сырья.

Гравитационные способы широко применяются для обогащения сырья в производстве силикатных материалов, минеральных солей и в металлургии. Существует много типов машин мокрого гравитационного обогащения, основанного на оседании частиц в потоке: гидравлические классификаторы, гравиемойки, концентрационные столы, осадочные машины и т.п. Очень эффективно применение центробежных гидравлических классификаторов. Примером такого классификатора может служить гидроциклон.

Электромагнитное обогащение происходит в магнитных сепараторах. Применяется для отделения магнитного железняка, хромистого железняка от пустой породы.

Электростатические сепараторы применяются для отделения электропроводных руд от диэлектрических пород: известняка, гипса и др.

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 раствора. Пример, обжиг минералов для разложения карбонатов, удаление кристаллизационной влаги, выжигание органических примесей.

К физико-химическим методамобогащения относится наиболее распространенный метод флотации. Флотацией называется метод обогащения твердого сырья, основанный на различии в смачиваемости его компонентов. На обогатительных фабриках флотационным методом разделяют на несколько фракций полиметаллические сульфидные руды, отделяют апатит от нефелина, обогащают каменные угли.

Основным показателем смачиваемости минералов служит величина краевого угла смачивания, образующегося на твердой поверхности вдоль периметра смачивания, т.е. вдоль линейной границы раздела твердое тело – жидкость – воздух. Жидкость образует с несмачиваемой частицей тупой угол, а со смачиваемой частицей – острый. Силы поверхностного натяжения стремятся выровнять уровень жидкости, в результате этого несмачиваемая частица выталкивается, а смачиваемая погружается.

Результат флотации зависит от различия в гидрофобности компонентов обогащаемого сырья. При флотации в систему вводят флотоагенты: ПАВ, активаторы, регуляторы рН среды и т.п. Применение флотоагентов изменяет поверхностное натяжение и краевой угол смачивания, т.е. смещает равновесие на границах раздела фаз и увеличивает скорость флотационного процесса.

Термическое обогащение. Основано на различной плавкости материалов, входящих в смесь. При нагревании легкоплавкие материалы вытекают из породы в жидком виде, так выплавляют серу из известняка, гипса.

Жидкости, точнее жидкие растворы, концентрируются выпариванием растворителя, донасыщением раствора полезным компонентом, выделением каких-либо компонентов в осадок (кристаллизация) или в газовую фазу (десорбция). Для разделения жидких смесей применяется экстракция.

Выпаривание воды применяется в производстве минеральных солей и щелочей, в цветной металлургии, для концентрирования труднолетучих кислот. Для концентрирования природных рассолов используют как испарение воды, так и вымораживание ее в зимнее время.

Газовые смеси разделяются на отдельные компоненты следующими способами:

1) последовательной конденсацией газов при сжатии и понижении температуры;

2) последовательным испарением газов из предварительно сжиженной их смеси;

3) абсорбционно-десорбционным;

4) адсорбционно-десорбционным методом.

Комплексное использование сырья является очень важной задачей.

Многие горные породы, сложные минералы, включающие многокомпонентные смеси органических веществ, подвергаются комплексной переработке. Сущность комплексного использования заключается в последовательной переработке сырья сложного состава в различные ценные продукты для наиболее полного использования всех компонентов сырья.При этом из одной породы можно получить различные металлы, неметаллические элементы, кислоты, соли, строительные материалы.Таким образом, комплексная переработка приводит к комбинации различных производств. Примером может служить схема переработки апатитонефелиновой породы (рис.4.3), громадные залежи которой имеются на Кольском полуострове. Породу измельчают и разделяют методом флотации на апатит Са₅F(PO₄)₃и нефелин (КNa)₂O*Al₂O₃*2SiO₂. Нефелиновая фракция содержит нефелин, немного апатита и титаномагнетита и небольшое количество минералов, включающих редкие металлы. Химическая переработка нефелина разработана и успешно осуществлена на металлургических заводах РФ, которые по существу являются металлургическо-химическо-цементными предприятиями. Разработаны и осуществлены на различных предприятиях отдельные операции переработки апатита.

Апатитонефелиновая порода