Курс лекций хт классификация природных ресурсов icon

Курс лекций хт классификация природных ресурсов


НазваниеКурс лекций хт классификация природных ресурсов
страница1/27
Размер1.02 Mb.
ТипКурс лекций
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   27

Курс лекций ХТ

Классификация природных ресурсов.

В процессе производственной деятельности невозобнавляемые ресурсы полностью

уничтожаются (ископаемое топливо) или рассеиваются (металлы). Влияние промышленного

производства на истощение природных ресурсов планеты и его последствия можно проследить на

следующих примерах:

1. Добыча полезных ископаемых на Земле приводит к быстрому истощению невозобновляемых

ресурсов, загрязнению и изменению состава атмосферы и литосферы.

2. Сжигание химического топлива вызывает попадание в атмосферу более 100 тыс. различных

химических соединений.

3. Потребление пресной воды. Промышленное производство потребляет до 13% всего стока рек.

Это приводит к исчерпанию доступных запасов пресной воды на планете. Одновременно с потреблением

увеличивается сброс промышленных стоков в водоемы, что приводит к интенсивному загрязнению

гидросферы.

Важнейшим следствием промышленного производства стало его влияние на природный

энергетический баланс и на состояние окружающей среды. «Тепловой вклад» человеческой деятельности

составляет в н.в. 0.006% солнечной радиации. Следствием этого станет повышение температуры планеты

на 10С.

1.4 Реакция окружающей среды на антропогенную деятельность

Система « человек - окружающая среда» находится в состоянии динамического равновесия, при

котором поддерживается экологически сбалансированное состояние природной среды, при которой

живые организмы взаимодействуют с окружающей средой и друг с другом и окружающей средой без

нарушения этого равновесия. Производственная деятельность человека приводит к нарушению этого

состояния и вызывает со стороны окружающей среды ответную реакцию. По глубине реакции

окружающей среды различают:

– возмущение, временное и обратное изменение среды;

– загрязнение;

– аномалии.

При длительном воздействии могут наступить:

- кризис среды – состояние, при котором параметры приближаются к допустимым,

- разрушение среды, при котором она становится непригодной для обитания.

1.5 Биосфера и ее эволюция

Окружающая среда – это сложная многокомпонентная система, компоненты которой соединены

между собой многочисленными связями.

Окружающая среда состоит из ряда подсистем, каждая из которых включает определенное число

элементов, функционально связанных друг с другом.

В этой системе подсистема второго порядка – экосфера представляет собой природную

окружающую среду. Цикл экосферы – это системообразующий поток, представляющий перемещение в

производстве веществ элементов.

Биосферой называется наружная оболочка Земли, толщина ее 50 км. Важный компонент

биосферы – живое вещество, биогенное вещество (органические и органоминеральные продукты, косное

вещество - горные породы). Отражением взаимосвязей в биосфере является биоценоз – это однородный


6


участок земной поверхности с определенным составом живых и косных компонентов и динамическим

взаимодействием меду ними.

Происходит исчерпание невозобнавляемых ресурсов, снижение и загрязнение прозрачности

атмосферы, повышение температуры приземного слоя атмосферы, загрязнение гидросферы.


^ ЧЕЛОВЕК – ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА


антропосфера

Антропосфера


Экосфера социосфера

(физ. окруж. среда) экономика


биосфера техносфера социальная сфера


агросистемы техносистемы здравоохранение

( п/я, шахты, трансп.)

культура

биогеоценоз

идеология


наука.


2. Химическое производство в системе антропогенной деятельности

2.1 Материальное производство и его организация

В н.в. взаимодействие человека с окружающей средой реализовано в форме крупномасштабного

материального производства. Материальным производством является процесс создания материальных

благ. Оно является основой всех других видов деятельности человека и включает три основных

компонента:

1. Предметы труда – все то, что подвергается обработке, на что направлен труд человека. Они

даны природой и являются продуктами труда.

2. Средства труда – машины, аппараты, приспособления, с помощью которых человек

воздействует на предметы труда.

3. Живой труд - сознательная целенаправленная деятельность человека.

Процесс материального производства организационно реализуется в форме промышленности.

2.2 Химическая промышленность

По назначению производимой продукции промышленность подразделяется на отрасли, одной из

которых является химическая промышленность. Удельный вес химической и нефтехимической отраслей

в общем производстве РФ составляет 9%, что уступает только топливной промышленности и

машиностроению (20%). Химическая промышленность подразделяется на отрасли широкой

специализации (горная химия, основная химия, производства органического синтеза и т.д.) и отрасли

узкой специализации (производство минеральных удобрений, пластмасс, красителей и т.д.). Продукция

химической промышленности по принятой в стране классификации сгруппирована в 7 классов, каждый

из которых насчитывает от сотен до тысяч различных наименований:

1 класс. Продукты неорганического синтеза.

2 класс. Полимерные материалы, синтетические каучуки, пластмассы, химические волокна.

3 класс. Лакокрасочные материалы.

4 класс. Синтетические красители и полупродукты.

5 класс. Продукты органического синтеза (нефте. - коксо и лесохимия).

6 класс. Химические реактивы и чистые вещества.


7


7 класс. Химико-фармацевтические препараты.

Эта классификация условна т. к. к собственно химическим производствам не относятся

металлургия, производство силикатных материалов, хотя в них используются химические методы

переработки. В системе материального производства химическая промышленность занимает особое

место в силу присущих ей специфических особенностей:

– особые методы воздействия на предметы труда, приводящие к химическим превращениям, что

позволяет производить новые вещества;

– высокая материало и энергоемкость;

– высокая степень автоматизации производства;

– разнообразие и узкая специализация применяемых машин и оборудования.


3 Химическая наука и производство

3.1 Химическая технология – научная основа химического производства

Современное химическое производство представляет многотоннажное, автоматизированное

производство, основой которого является химическая технология (от techno – искусство, мастерство +

logos – учение), т.е. химическая технология – наука о наиболее экономичных и экологически

обоснованных методах химической переработки сырых природных материалов в предметы потребления

и средства производства. Объекты химической технологии – вещества и системы веществ, участвующих

в химическом производстве; процессы химической технологии – совокупность разнообразных операций,

осуществляемых в ходе производства с целью превращения этих веществ в другие. Современная общая

химическая технология возникла в результате закономерного, свойственного на определенном этапе

развития всем отраслям науки, процесса интеграции ранее самостоятельных технологий производства

отдельных продуктов в результате обобщения эмпирических правил их получения.

Современная химическая технология, используя достижения естественных и технических наук,

изучает и разрабатывает совокупность физических и химических процессов, машин и аппаратов,

оптимальные пути осуществления этих процессов и управления ими при промышленном производстве

различных веществ. Химическая технология базируется на химических науках, таких как физическая

химия, химическая термодинамика и химическая кинетика. Выдающийся физхимик акад. Коновалов

считал одной из главных задач химической технологии, отличающих ее предмет от чистой химии,

установление наивыгоднейшего хода операции и проектирование ему соответствующих заводских

приборов и вспомогательных устройств. Поэтому химическая технология немыслима без тесной

взаимосвязи с экономикой, физикой, математикой и другими техническими науками. Химическая

технология на заре своего существования была описательной наукой. Многие первые учебники по

технологии служили энциклопедиями технологических процессов. Развитие науки и промышленности

привело к значительному росту числа химических производств. Рост химического производства с одной

стороны и развитие химических и технических наук с другой стороны позволили разработать

теоретические основы химико-технологических процессов. Современное химическое производство

перерабатывает гигантские объемы сырья, использует большое количество энергии различных видов,

осуществляющихся при больших объемах капитальных и эксплуатационных затрат. Отсюда вытекает

одно из основополагающих требований к современному производству – его экономичность. Эту

особенность технологии отметил еще Менделеев, определив ее как: «Учение о выгодных приемах

переработки природных продуктов в продукты потребления». Технология должна изучать выгоднейшие

способы, выбрать из возможных наиболее приемлемую по выгодности данным условиям времени и

места, чтобы придать продукту наибольшую дешевизну при желаемых свойствах и формах.

Следовательно, технология это наука о наиболее экономичных методах и средствах переработки сырых

природных веществ в продукты потребления. Технологии делятся на механические и химические. В

механических технологиях рассматриваются процессы, в которых изменяется форма или внешний вид и

физические свойства материалов, а в химической технологии- процессы коренного изменения состава,

свойств и внутреннего строения вещества.


8


3.2 Особенности химической технологии как науки

Химическая технология отличается от теоретической химии не только необходимостью

учитывать экономические требования к изучаемому ею производству. Между задачами, целями и

содержанием теоретической химии и химической технологий существуют принципиальные различия,

вызванные спецификой производственных процессов, что накладывает ряд дополнительных условий на

метод изучения. Рассмотрим пример промышленного синтеза хлористого водорода из Cl2 и Н2 и влияние

различных факторов на синтез.

Конструкция и материал аппаратуры отвод тепла


Природа компонентов

Сдвиг равновесия за

счет избытка Н2 Cl2 + H2 = 2HCl - Δ H

Электролиз Н2О

Экология электролиз конверсия СН4 стоимость энергии

раствора NACl из коксового газа


Для осуществления этого синтеза в промышленных условиях химик – неорганик учитывает

саму возможность подобного синтеза, применяя методы физической химии управлять синтезом за счет

изменения температуры, давления концентрации компонентов, т.е. влиять на кинетику и термодинамику

процесса в масштабе лабораторного эксперимента. Химик – технолог должен учитывать другие факторы:

доступность и стоимость сырья и энергии, конструкцию реактора и коррозионно-стойкие материалы для

изготовления, меры по защите окружающей среды и т.д. Таким образом, как химическое производство

не может рассматриваться в виде некой укрупненной лабораторной колбы, так и химическая технология

не может быть сведена к теоретической химии.

Сложность такой системы как химическое производство сделало целесообразным применение для

ее исследования системного подхода и введения понятия уровень протекания процесса. При подобном

подходе в химическом производстве выделяются несколько последовательно возрастающей сложности

подсистем – уровней, каждому из которых свойственен свой метод изучения явления. Такими уровнями

в химическом производстве являются:

– молекулярный уровень, на котором механизм и кинетика химических превращений описывается

как молекулярное взаимодействие (микрокинетика);

– уровень малого объема, на котором явления описываются как взаимодействие макрочастиц

(гранул, капель, зерен катализатора). Для анализа явлений на этом уровне и описания химического

процесса введено понятие - макрокинетика, задачей которой является изучение влияния на скорость

химических превращений процессов переноса масс исходных веществ и продуктов реакции, процессов

теплопередачи и влияние состава катализатора.


Макрокинетика


Массопередача теплопередача состав катализатора

M Q Kт


– уровень потока, на котором описание явлений дается как взаимодействие совокупности

частиц. С учетом характера движения их в потоке и изменения температуры, концентраций реагентов по

потоку;

– уровень реактора, на котором описание явления дается с учетом конструкций аппарата, в

котором реализован процесс;

– уровень системы, на котором при рассмотрении явлений учитываются взаимосвязи между

технологическими узлами промышленной установки и производства в целом.


9


Таким образом, проблема различия между теоретической химией и химической технологией есть

проблема различия между фундаментальными научными исследованиями и реальным промышленным

производством, на нем основанном.

3.3 Связь химической технологии с другими науками

Химическая технология использует материал целого ряда наук:

Математика математическое моделирование

технические расчеты экология


Физика физическое моделирование


Физическая кинетические и термодинамические химическая

химия расчеты технология

Минералогия химическое сырье

Неорганическая

химия экономика

Органическая

химия строение и свойства веществ


Биохимия


Коллоидная

Химия

Инженерные конструкция аппаратуры

Науки


Химическая технология как наука о крупномасштабном производстве имеет дело со

значительными массами и объемами перерабатываемой и производимой продукции. Для оценки работы

таких крупных агрегатов необходимы крупные единицы. Поэтому в химической технике наряду с

общепринятыми единицами СИ (м, Кг, сек, а, моль) используются и другие.


Величина обозначение наименование обозначение

Масса m килограмм, тонна кг, т

Энергия, работа А килоджоуль, киловатт час кДж, кВт ч

Давление Р. Паскаль, мегапаскаль Па, МПС

Мощность N киловатт кВт

Температура Т,t Кельвин, градус Цельсия К, 0С

Время секунда, сутки, час сек, сут., ч

Количество теплоты Q килоджоуль кДж

Тепловой эффект Н килоджоуль кДж

Производительность П. тонны в сутки, год т/сут, т/год

Интенсивность И килограмм на м2 час кг/м2

Килограмм на м3 час кг/м3

Количество вещества v килограмм моль, тонна моль кгмоль,

Константа скорости К зависит от порядка реакции

Молярная концентрация С моль на м3 моль/м3

Плотность кубическая килограмм на м3,тонна на м3 кг/м3

Выход продукта

Степень превращения Х доля единицы, процент %


10

Расходный коэффициент РК количество сырья, энергии

на единицу продукции т/т

площадь S м2 м2

Поверхность контакта F м2 м2

Объемная доля W доля единицы


4. Основные компоненты химического производства

Химическая технология изучает закономерности проведения химических процессов получения

различных по своей природе и назначению продуктов. Независимо от конкретного вида

производственной продукции и типа процесса ее получения любое производство включает несколько

обязательных элементов: сырье, т.е. объект превращения; энергию, т.е. средство воздействия на объект и

аппаратуру, в которой это превращение осуществляется. Особое место в химической промышленности

занимает вода. Она не только служит средой, в которой протекают многие химические превращения, но

широко используется в процессе, как растворитель, теплоноситель, хладагент, транспортное средство.

Поэтому воду правомочно считать четвертым обязательным элементом химического производства.

4.1 Химическое сырье

Сырье – один из основных элементов технологического процесса, который определяет в

значительной степени экономичность процесса, выбор технологии.

Сырьем называются природные материалы, используемые в производстве промышленных

продуктов.

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 обработке на одной или нескольких стадиях

производства, но не потребленное в качестве готового целевого продукта. 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, фосфогипс в

производстве суперфосфата.

Полупродукты, побочные продукты и отходы после предварительной обработки или без нее

могут быть использованы в качестве сырья в других процессах.

Все химическое сырье классифицируется по различным признакам: по происхождению,

химическому составу, запасам и агрегатному состоянию.

Химическое сырье принято делить на:

– первичное (извлекаемое из природного источника;

– вторичное (промежуточные и побочные продукты);

– природное;

– искусственное (полученное в результате переработки природного 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:

– мало стадийность производственного процесса;


11


– 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.


Классификация химического сырья


По агрегатному Твердое

состоянию Жидкое нефть, рассолы

Газообразное воздух, природный

газ

Химическое По химическому неорганическое

сырье состоянию органическое


По видам возобновляемое

запаса невозобновляем


Растительное и

животное древесина, хлопок, кожа


По происхождению минеральное

Вода

Воздух


4.2 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%..

По степени изученности и пригодности запасы сырья делятся на три категории:

А - запасы, детально разведанные, подготовленные к разработке,

В – запасы, установленные в результате геолога - разведочных работ,

С - запасы, определенные по результатам геофизической разведки.

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. Высокая доля сырья в с/с химической продукции, быстрое истощение запасов сырья,


12


удорожание процессов добычи его (мировая добыча минерального сырья в 20 веке выросла в 3.4 раза,

с/с добычи нефти выросла в 2 раза, природного газа в 2.5 раза) выдвинули две задачи:

– разработку объективной оценки скорости исчерпания запасов химического сырья,

– рациональное использование химического сырья.

1.Количественной характеристикой скорости исчерпания сырья предложено считать индекс

исчерпания резервов (ИИР), который представляет % расходования данного вида сырья в год. Чем выше

ИИР, тем больше скорость расходования сырья.

t исчерп. = 100/ИИР

t исчерп.- время исчерпания сырья в год

2.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

Na2O(K2O)SiO2 Al2O3


Са5F(РО4)3 содопродукт

Na2CO3

H3PO4 цемент


Фтористые соли редкие элементы


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 металлома.

4.3 Подготовка химического сырья к переработке

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

Минералами называются физически обособленные вещества или смеси веществ в природе. В

природе насчитывается более 2500 минералов, включающие органические и неорганические вещества.

Одни и те же вещества могут быть в составе разлиичных 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


13


I =Д н/Дк

где Дн и Дк – 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 осуществляется методом грохочения на

металлических ситах, называемых грохотами.

Можно пропустить материал через несколько грохотов со все уменьшающимися отверстиями и

получить несколько фракций. 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).

Обезвоживание материала 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 mк к массе обогащаемого

сырья mс

ηк =mk/mc

2. Степень извлечения полезного компонента - представляющая отношение массы полезного

компонента в концентрате mкк к его массе в обогащаемом сырье.

Х и = mkk/mkc

3. Степень обогащения сырья – отношение массовой доли полезного компонента в концентрате

к массовой доле его в обогащаемом сырье.

Х0= μ /μ кс

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, отсадочные 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


14


отделяемые от других при плавлении, испарении, осаждении раствора. Пример, обжиг минералов для

разложения карбонатов, удаление кристаллизационной влаги, выжигание органических примесей.

К физико-химическим методам обогащения 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.

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. 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, громадные залежи которой имеются на

Кольском полуострове. Породу измельчают и разделяют методом флотации на апатит Са5F(PO4)3 и

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.


15


Апатитонефелиновая порода


АПАТИТ Флотация

нефелин

Н2SО4 энергия известняк

Хим. переработка хим. переработка


Хим. переработка гипс фтористые поташ цемент

соли

фосфорная сода титан

цемент кислота

соли фосфор-

ной кислоты ванадий таллий

редкие земли

фосфорные удобрения алюминий


Схема комплексного использования апатитонефелиновой породы

4.4 Замена пищевого сырья не пищевым и растительного минеральным.

Успехи органической химии позволяют производить ряд ценных органических веществ из

разнообразного сырья. Так, например, этиловый спирт, используемый в больших количествах в

производстве синтетического каучука, искусственных волокон, пластмасс, взрывчатых веществ и т.п,

можно получить из пищевых продуктов (зерна, картофеля, сахарной свеклы), а можно и гидролизом

древесины, гидратацией этилена, который получают из нефти, природного газа. Из 1тонны древесины

получают при гидролизе 160 кг этилового спирта, что заменяет 1.6т картофеля, 0.6т зерна, что намного

дешевле. Из древесины получают глицерин, уксусную, лимонную кислоты, кормовые дрожжи. Таким

образом, растительное сырье заменяется минеральным. С/С синтетического спирта из нефти в 3 раза

ниже, чем из пищевого сырья.

Растительное и животное сырье уже вытеснено в основном в производстве красителей, лаков,

пластмасс. Вытесняется растительное сырье веществами, полученными из природного газа, нефти и угля

в производстве каучука, химического волокна и т.п.


5 Вода в химической промышленности

5.1 Использование воды, свойства воды

Химическая промышленность - один из крупных потребителей воды. Вода используется почти во

всех химических производствах для разнообразных целей. На отдельных химических предприятиях

потребление воды достигает 1млн м3 в сутки. Превращение воды в один из важнейших элементов

химического производства объясняется:

• наличием комплекса ценных свойств (высокая теплоемкость, малая вязкость, низкая

температура кипения);

• доступностью и дешевизной (затраты исключительно на извлечение и очистку);

• не токсичностью;

• удобством использования в производстве и транспортировке.

В химической промышленности вода используется в следующих направлениях:

1. Для технологических целей в качестве:

– растворителя твердых, жидких и газообразных веществ;

– среды для осуществления физических и механических процессов (флотация, транспортировка

твердых материалов в виде пульпы);

– промывной жидкости для газов;

– экстрагента и абсорбента различных веществ.

2. Как теплоноситель (в виде горячей воды и пара) и хладагента для обогрева и охлаждения

аппаратуры.


16


3. В качестве сырья и реагента для производства различной химической продукции (водорода,

ацетилена, серной и азотной кислот.).

Воды морей и океанов - источники сырья для добычи многих химических веществ: из них

извлекаются NaCl, MgCl2, Br, I и др. продукты. Так например, содержание элементов в водах океана

составляет: К-3.8 *10-2%, V- 5*10-8%, Au –4*10-10%, Ag –5*10-9%. Приняв массу воды на планете-1.4

*1018, получим соответственно содержание в ней Au-5.6 * 106т.

Масштабы потребления воды химической промышленностью зависят от типа производства. Так,

расходный коэффициент по воде (м3/т продукции) составляет: для азотной кислоты-200, аммиака- 1500,

синтетического каучука-1600. Например, завод капронового волокна расходует такое же количество

воды, как город с населением 400тыс. человек. Общее количество воды на Земле составляет1.386 *

1018м3.

Природную воду принято делить на 3 вида, сильно различающихся по наличию примесей:

Атмосферная вода – вода дождевых и снеговых осадков, содержит минимальное количество

примесей, главным образом, растворенные газы СО2, О2 Н2S, а в промышленных районах NOх, SОх.

Почти не содержит растворенные соли.

Поверхностная вода – речные, озерные, морские, содержат различные минеральные и

органические вещества, природа и концентрация которых зависят от климата, геоморфологических и

гидротехнических мероприятий.

Подземная вода – вода артезианских скважин, колодцев, ключей, гейзеров. Для них характерно

высокое содержание минеральных солей, выщелачиваемых из почвы и осадочных пород и малое

содержание органических веществ.

Морская вода представляет многокомпонентный раствор электролитов и содержит все элементы,

входящие в состав литосферы.

Вода, используемая в химической промышленности должна удовлетворять по качеству

определенным требованиям. Качество воды определяется совокупностью физических и химических

характеристик, к которым относятся: цвет, прозрачность, запах, общее солесодержание, жесткость, рН,

окисляемость. Для промышленных вод важнейшими из этих характеристик являются солесодержание,

жесткость, рН, содержание взвешенных веществ.

Жесткостью называется свойство воды, обусловленное присутствием в ней солей Са и Мg. В

зависимости от природы анионов различают временную жесткость (устранимую, карбонатную),

удаляемую при кипячении – Жв и постоянную (некарбонатную) – Жп. Сумма Жв и Жп называется

общей жесткостью воды

Жо = Жв + Жп

Принята следующая классификация по жесткости: мягкая (Са и Мg до 3 мгэкв/л), умеренно-

жесткая(3-6 мгэкв/л) и жесткая (более 6 мгэкв/л).

В зависимости от солесодержания природные воды делятся на пресные (с/с менее 1г/кг),

солоноватые (с/с от 1 до 10 г/кг) и соленые (с/с более 10г/кг.

Окисляемость воды обусловлена наличием в воде органических примесей и определяется

количеством мг перманганата калия, израсходованного при кипячении 1л воды.

РН воды характеризует ее кислотность щелочность.

Водооборотные циклы химико-технологических производств являются важным фактором

рационального использования водных ресурсов. В этих циклах осуществляется многократное

использование воды без выброса загрязненных стоков в водоемы, а потребление свежей воды для ее

восполнения ограничено только технологическими превращениями и естественными потерями. В

химических производствах используется 3 схемы водооборота в зависимости от технологических

изменений, которые вода претерпевает в процессе производства.

1) Вода только нагревается и д.б. перед возвратом охлаждена в бассейне или градирне.

2) Вода только загрязнена и д.б. перед возвращением очищена в специальных очистных

сооружениях.

3) Вода нагревается и загрязнена. Это комбинация 1 –го и 2 –го типа ВОЦ.


17


1

1

вода

Q 3 5 5 2


цикл с охлаждением оборотной водой

1


вода

4

4 5

5 22

шлам

1- технологическая установка, 2 – насосная станция, 3-градирня, 4 -очистное сооружение, 5 –

камера для восполнения потерь воды

цикл с очисткой оборотной воды


11


4 2


шлам вода

5

3


цикл с очисткой и охлаждением оборотной воды

5.2 Промышленная водоподготовка

Вредное влияние примесей, содержащихся в промышленной воде, зависит от их химической

природы, концентрации, дисперсного состояния, а также технологии конкретного производства

использования воды. Все вещества, присутствующие в воде, могут находиться в виде истинного раствора

( соли, газы, некоторые органические соединения в коллоидном состоянии) и во взвешенном состоянии

(глинистые, песчаные, известковые частицы).

Растворенные в воде вещества образуют при нагревании накипь на стенках аппаратуры и

вызывают коррозионное разрушение ее. Коллоидные примеси вызывают загрязнение диафрагмы

электролизеров, вспенивание воды. Грубодисперсные взвеси засоряют трубопроводы, снижают их

производительность, могут вызвать их закупорку. Все это вызывает необходимость предварительной

подготовки воды, поступающей на производство- водоподготовку.

Промышленная водоподготовка представляет собой комплекс операций, обеспечивающих

очистку воды – удаление из нее вредных примесей, находящихся в молекулярно-растворенном,

коллоидном и взвешенном состоянии. Основные операции водоподготовки: очистка от взвешенных

веществ отстаиванием и фильтрованием, умягчение, в отдельных случаях - обесцвечивание,

нейтрализация, дегазация и обеззараживание.

Процесс отстаивания позволяет осветлять воду вследствие удаления из нее грубодисперсных

веществ, оседающих под действием силы тяжести на дно отстойника. Отстаивание воды проводится в

непрерывно- действующих отстойных бетонированных резервуарах. Для достижения полноты

осветления и обесцвечивания декантируемую из отстойника воду подвергают коагуляции с

последующим фильтрованием.

Коагуляция – высокоэффективный процесс разделения гетерогенных систем, в частности,

выделение из воды мельчайших глинистых частиц и белковых веществ. Осуществляют коагуляцию

введением в очищаемую воду небольших количеств электролитов Al2(SO4)3, FeSO4 и др. соединений,


18


называемых коагулянтами. Физико- химическая сущность этого процесса в упрощенном виде состоит в

том, что коагулянт в воде превращается в агрегат несущих заряд частиц, которые взаимодействуя с

противоположно заряженными частицами примесей, обуславливают выпадение нерастворимого

коллоидного осадка. Так, Al2(SO4)3 в результате гидролиза и взаимодействия с солями кальция и магния,

растворенными в воде, образует хлопьевидные положительно заряженные частицы Al(OH)3

Al2 (SO4) 3 +6 H2O = 2 Al (OH) 3 +3 H2O

H2SO4 + Ca (HCO3) 2 = CaSO4 +2H2O +2 CO2

Взаимодействие положительно заряженных частиц гидроокиси алюминия и несущих

отрицательный заряд примесей приводит к быстрой коагуляции. Одновременно идет процесс адсорбции

на поверхности осадка органических красящих веществ, в результате чего вода обесцвечивается.

Обеззараживание воды обеспечивается ее хлорированием или озонированием.

Дегазация – удаление из воды растворенных газов достигается химическим способом, при

котором газы поглощаются химическими реагентами, например, в случае диоксида углерода:


СО2 + Са ( ОН)2 = СаСО3 +Н2О,

или физическими способами – термической деаэрацией на воздухе или в вакууме.

Одной из основных и обязательных операций водоподготовки технологической воды является ее

умягчение.

Схема промышленной водоподготовки

Осветление дистилляция

Обеззараживание физические способы вымораживание


термическая обработка


Очистка воды умягчение химические способы известково- содовый


фосфатный

обессоливание физико-химические ионно- обменный


дегазация химическая

физическая


Умягчением называется обработка воды для понижения ее жесткости, т.е. уменьшения

концентрации ионов кальция и магния различными физическими, химическими и физико-химическими

методами.

При физическом методе воду нагревают до кипения, в результате чего растворимые

гидрокарбонаты кальция и магния превращаются в их карбонаты, выпадающие в осадок:

Са(НСО3)2 = СаСО3 + Н2О +СО2.

Этим методом удаляется только временная жесткость.

К химическим методам умягчения относятся фосфатный и известково-содовый, заключающийся в

обработке тринатрийфосфатом или смесью гидроксида кальция и карбоната натрия. В первом случае

протекает реакция образования нерастворимого трикальцийфосфата, выпадающего в осадок:

3СаSO4 + 2 Na3PO4 = 3Na2SO4 + Ca3 (PO4) 2

Во втором случае протекают две реакции. Бикарбонаты кальция и магния реагируют с

гидроксидом кальция, чем устраняется временная жесткость:

Са(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2 CaCO3 +2 H2O ,

а сульфаты, нитраты и хлориды – с карбонатом натрия, чем устраняется постоянная жесткость:

СаSO4 + Na2CO3 = Ca CO3 +Na2SO4.

Обессоливание применяется в тех производствах, где к воде предъявляются особо жесткие

требования по чистоте, например, при получении полупроводниковых материалов, химически чистых


19


реактивов, фармацевтических препаратов. Обессоливание воды достигается методом ионного обмена,

дистилляцией, электродиализом.

Метод ионного обмена основан на свойстве некоторых твердых тел (ионитов) поглощать из

раствора ионы в обмен на эквивалентное количество других ионов того же знака. Иониты

подразделяются на катиониты и аниониты. Катиониты содержат подвижные катионы натрия или

водорода, а аниониты подвижные ионы гидроксила. В качестве катионитов применяют сульфоугли,

алюмосиликаты, искусственные смолы, в качестве анионитов исскуственные смолы.

Соответственно процессы ионного обмена подразделяются на Н(Na)- катионирование, например:

Na2(Кат) + Са(НСО3)2= Са(Кат) 2 +Na2CO3

и анионирование, например:

Ан(ОН)+ НСl +Н2О ↨↔(Ан)Сl +Н2О

где: (Кат) и (Ан) – не участвующая в обмене матрица ионита.

Поскольку процесс ионного обмена обратим, установление равновесия в системе означает

прекращение процесса обессоливания. Поглощающая способность ионита характеризуется его обменной

емкостью, равной количеству ионов кальция и магния, которое может поглотить единица объема или

массы ионита, выраженное грамм-эквивалентах: гэкв/м3 и гэкв/кг. От величины обменной емкости при

данном объеме ионита зависит время рабочего цикла ионитовых фильтров. При насыщении ионита он

может быть регенерирован промывкой растворами для Н катионитов кислоты, Na катионитов хлорида

натрия и для анионитов раствором щелочи. В приведенных выше примерах работы анионитов при этом

протекают реакции:

Са(Кат) + 2 NaCl = Na2(Кат) + CaCl2 и

(Ан)Cl + KOH = (Ан)ОН + КСl .

Полное обессоливание воды обеспечивается ее дистилляцией (термическое обессоливание)

обычно после того, как вода предварительно очистится с помощью ионитовых фильтров.

Схема обессоливания воды методом ионного обмена

NаОН

вода СО2 , О2

3

кислота

33


1 2


4 вода обессо

ленная


1- катионитовый фильтр, 2 – анионитовый фильтр, 3- дегазатор, 4 – сборник очищенной воды.

Вода последовательно проходит через катионитный и анионитный фильтры и поступает,

распыляясь в дегазатор, где из нее удаляются растворенные диоксид углерода, кислород и другие газы.

Для регенерации катионита в фильтр периодически подается кислота или раствор хлорида натрия, для

регенерации анионита – раствор щелочи.

Электродиализом называется процесс диализа под воздействием электрического поля. При этом

выделение солей из диализумого раствора происходит в результате перемещения ионов через пористые

мембраны, содержащие катионит у катода и анионит у анода, с последующим их разрядом на

электродах.

Водоподготовка в химическом производстве представляет весьма трудоемкий процесс и требует

больших капитальных и эксплуатационных затрат. На современных химических предприятиях доля

капитальных затрат на водоподготовку составляет 10-15% общего объема расходов на производство

химической продукции.

Современные схемы промышленной водоподготовки включают все основные операции:

осветление в грубых и коагуляционных отстойниках, фильтрование через зернистый материал,

умягчение методом ионного обмена, дегазацию.


Схема электродиализатора

Очищаемая вода


1 2 3 1


- 5 4 5 +


Загрязненная вода обессоленная вода загрязненная вода

1-злектроды, 2- катионитовая мембрана, 3- анионитовая мембрана, 4- внутренняя камера,5 –

внешние камеры.

7 Энергетика химической промышленности

6.1 Использование энергии в химической промышленности

В химической промышленности протекают разнообразные процессы, связанные или с

выделением, или с затратой, или с взаимными превращениями энергии. Энергия затрачивается не только

на проведение химических реакций, но и на осуществление вспомогательных операций –

транспортировку материалов, измельчение, фильтрацию, сжатие газов и т. п. Поэтому все химические

предприятия- потребители энергии. Показателем энергоемкости химического производства является

расход энергии на единицу получаемой продукции. Определяется он количеством кВт/ч, ккал, кДж или

же количеством топлива (т, кг, м3), затраченных на производство весовых или объемных единиц

продукта, например, кВт*ч/т, т/т, кг/м3 и т.п. Расход энергии на получение различных химических

продуктов не одинаков, имеются производства с высокой и низкой энергоемкостью. На химических

предприятиях применяются различные виды энергии.

Электрическая применяется для проведения электрохимических (электролиз растворов и

расплавов), электротермических (плавление, нагревание, синтез при высокой температуре),

электромагнитных процессов. Широко используется превращение электрической энергии в

механическую, необходимую для физических операций: измельчение, смешение, центрифугирование,

работы вентиляторов, компрессоров. Средний расход электрической энергии на производство некоторых

видов продукции: серной кислоты-60-100кВт ч/т, аммиачной селитры –7-15, суперфосфата- 2-10,

аммиака-2300-3500, фосфора-13000-20000кВтч/т. Источником электрической энергии является энергия

воды на ГЭС и превращение тепловой энергии в механическую, и затем механическую в электрическую,

тепловые и атомные электростанции, электростатические превращения механической энергии в

электрическую.

Тепловая энергия применяется для осуществления разнообразных физических процессов, не

сопровождающихся химическими реакциями (нагревание, плавление, сушка, выпарка, дистилляция) и

для нагрева реагентов при проведении химических реакций. Источником тепловой энергии служат

топлива, при сжигании которых получаются топочные газы. Они используются или непосредственно как

теплоносители или для получения пара и других теплоносителей. Например, средний расход пара при

получении аммиачной селитры составляет 0.1 Мкал/т, едкого натра- 4.0Мкал/т, сульфата аммония –1.75

Мкал/т.

Внутриядерная энергия - выделяемая при различных превращениях атомных ядер или при синтезе

ядер водорода в ядра гелия.

Химическая энергия используется в гальванических элементах и аккумуляторах, где она

превращается в электрическую.


21


Световая энергия применяется для реализации фотохимических реакций, синтез хлористого

водорода из элементов.

Вторичные энергоресурсы ВЭР, представляющие собой энергетические отходы или побочные

продукты производства – отходящие газы, жидкости, пар.

Источники энергии, используемые на химических предприятиях, могут быть различными. Они

оцениваются по характеристике энергетических ресурсов, энергетической ценности, запасам.

Энергетическая ценность химического топлива характеризуется:

- калорийным эквивалентом, представляющим отношение теплоты сгорания данного топлива к

теплоте сгорания условного топлива (УТ), принимаемой за 29260кДж

ηк = Qn/29260

- количеством энергии в кВт*ч, получаемом при полном сгорании 1кг или 1м3 топлива. Эта

величина составляет для каменного угля-8, ПГ-10.6, кокса-7.2

Из всей потребляемой химической промышленностью энергии 40% составляет электрическая,

50%-тепловая, 10%- топливная.

^ Источники энергии

Основным источником энергии, потребляемой химической промышленностью, являются горючие

ископаемые и продукты их переработки, энергия воды, биомасса и ядерное топливо. Энергетическая

ценность отдельных источников энергии определяется количеством энергии, которое можно получить

при их использовании. Для топлива она характеризуется количеством кВт ч, получаемых при полном

использовании теплоты сгорания 1кг или 1м3 топлива. Например, каменного угля-8 кВтч/кг,

природного газа –10 кВтч/кг. Все энергетические ресурсы подразделяются на первичные и вторичные,

возобновляемые и не возобновляемые, топливные и не топливные.




  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   27

Похожие:

Курс лекций хт классификация природных ресурсов iconКурс лекций хт классификация природных ресурсов
Добыча полезных ископаемых на Земле приводит к быстрому истощению невозобновляемых
Курс лекций хт классификация природных ресурсов iconКурс лекций Повышай свои навыки задаром!
Объединенное студенческое научное общество приглашает всех желающих на курс лекций
Курс лекций хт классификация природных ресурсов icon1. Взаимосвязь ограниченности ресурсов и проблемы выбора
Однако достигать данную цель приходится в условиях ограниченности экономических ресурсов, представляющих собой совокупность материальных,...
Курс лекций хт классификация природных ресурсов iconМинистерство Природных Ресурсов и Экологии РФ федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт геологии и минеральных ресурсов Мирового океана имени академика и. С. Грамберга»
Всероссийский научно-исследовательский институт геологии и минеральных ресурсов Мирового океана
Курс лекций хт классификация природных ресурсов iconЛекция 12. Эволюция Российского государства и общества в первой половине XIX века проф. Миненко Н. А., асс. Шалымов А. Ю. История России с древнейших времен до второй половины XIX века Курс лекций. Ч. 1
Курс лекций. Ч. Под ред академика Личмана Б. В. Уральский гос тех ун т, Екатеринбург, 1995
Курс лекций хт классификация природных ресурсов iconКурс лекций «Гидравлика и пневматические системы автомобилей и гаражного оборудования» для специальности 190601. 65
Насосы и гидродвигатели. Классификация насосов. Принцип действия динамических и объемных насосов. Основ­ные параметры насосов: подача...
Курс лекций хт классификация природных ресурсов iconИ. Н. Савина 2013 г
Председатель Комитета охраны окружающей среды и природных ресурсов администрации города Новокузнецка
Курс лекций хт классификация природных ресурсов iconЭкологический механизм Цель введения платы за природопользование
Стимулирование природопользователей к рациональному использованию природных ресурсов
Курс лекций хт классификация природных ресурсов iconДиета милосердия буддизм и вегетарианство
Спутники мяса: голод, истощение природных ресурсов и загрязнение окружающей среды
Курс лекций хт классификация природных ресурсов iconУниверситет Дмитрия Пожарского рад пригласить Вас на курс лекций
Дмитрия Пожарского рад пригласить Вас на курс лекций, посвящённых латинской палеографии и истории письма в Западной Европе эпохи...
Курс лекций хт классификация природных ресурсов iconУПРАВЛЕНИЕ ФЕДЕРАЛЬНОЙ СЛУЖБЫ ПО НАДЗОРУ В СФЕРЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ (РОСПРИРОДНАДЗОРА) ПО ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ
I. надзор за состоянием, воспроизводством, использо-ванием и охраной природных ресурсов
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Документы


При копировании материала укажите ссылку ©ignorik.ru 2015

контакты
Документы