Сырье в химической промышленности

1.

СЫРЬЕ В ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Содержание лекции
1. Классификация сырьевых ресурсов и требования к ним.
2. Основные направления рационального использования сырья.
3. Методы обогащения сырья.
3.1. Обогащение твердого сырья.
3.2. Обогащение жидкого и газообразного сырья

2.

В нашей стране имеется мощная минерально-сырьевая
база, позволяющая практически полностью удовлетворять
потребности народного хозяйства в минеральном сырье.
Россия занимает одно из первых мест в мире по
разведанным запасам большинства полезных ископаемых,
например, фосфатов, калийных солей, сульфата натрия, поваренной соли,
асбеста, природного газа, угля, железных и марганцевых руд, ряда цветных
металлов.
Варьирование сырьевых ресурсов позволяет выбирать
надежную сырьевую базу для развития химической
промышленности
в
зависимости
от
наличия
месторождения полезных ископаемых и техникоэкономических показателей их использования.

3.

Сырье в химической промышленности
В производстве химических продуктов различают:
• исходные вещества (сырье),
• промежуточные продукты (полупродукты),
• готовые продукты,
• отходы других производств.
Сырьё – один из основных элементов технологического
процесса, который определяет в значительной степени
экономичность процесса, технику производства и качество
продукта.
Сырье– исходный материал для производства химического
продукта, обладающий стоимостью.

4.

• Полупродукт – это сырье, подвергшееся обработке на одной или
нескольких стадиях производства, но не потребленное в качестве
готового целевого продукта.
Полупродукт, полученный на предыдущей стадии производства,
может быть сырьем для последующей стадии
Например, азотная кислота может быть продуктом потребления, в текстильной
промышленности, и полупродуктом — сырьем в производстве селитры.
• Побочный продукт – это вещество, образующееся в процессе
переработки сырья наряду с целевым продуктом, но не
являющееся целью данного производства.
Побочные продукты, образующиеся при добыче или обогащении
сырья, называются попутными продуктами.
• Отходы производства – остатки сырья, материалов и
полупродуктов, образующихся в производстве и полностью или
частично утративших свои качества.
• Отходы производства – это побочные продукты других
производств.

5.

КЛАССИФИКАЦИЯ СЫРЬЕВЫХ РЕСУРСОВ
И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ
Сырье химической промышленности классифицируют по
различным признакам:
• по происхождению: природное (минеральные, растительные и
животные) и искусственное (химические волокна, синтетический
каучук, синтетические красители, смолы);
• по запасам: не возобновляемое (руды, минералы, горючие
ископаемые) и возобновляемое (вода, воздух, растительное и
животное сырье) ;
• по химическому составу: неорганическое (руды, минералы)
и органическое (нефть, уголь, природный газ) ;
• по агрегатному состоянию: твердое (руды, минералы, уголь,
сланцы, торф) , жидкое (вода, рассолы, нефть) и газообразное
(воздух, природный газ).

6.

Классификация химического сырья
6

7.

I. По происхождению.
1.1.Минеральное сырье принято делить на три вида: рудные,
нерудные и горючие ископаемые.
• Рудное минеральное сырье представляет собой горные
породы и минералы, содержащие извлекаемые металлы. В
ходе переработки многих видов рудного сырья наряду с
металлами производят также химические продукты.
Классический пример — получение серной кислоты при производстве
меди, цинка, никеля из серосодержащих руд.
• Нерудное минеральное сырье - не содержащие металлы
горные породы, или содержащие в количествах, не
пригодных для получения этих металлов заводским путем.
Из этого вида сырья производят используемые в
производстве химические, строительные и другие
материалы. Гадит (поваренная соль NaCl) - нерудное сырье в
производстве каустической соды, NaOH и хлора; серный колчедан
(пирит FeS2) и сера - в производстве серной кислоты;

8.

• Горючее минеральное сырье содержит в своем составе
углерод,
поэтому
его
также
называют
углеродсодержащим. К этому виду сырья относят угли,
нефть, горючие сланцы, природный газ. Они способны
сгорать в кислородсодержащей среде и потому служат
источниками тепловой энергии. Поэтому их называют
топливным сырьем.
Горючее минеральное сырье - основа для очень многих
продуктов химических производств.
Нефть - смесь предельных и непредельных углеводородов - является сырьевой базой
для группы химических производств, вырабатывающих бензин, мазут, моторное и
дизельное топливо (общее название нефтепереработка) . Природный газ используется
как сырье в производстве удобрений, пластических масс и других продуктов
химической промышленности. Уголь, природный газ, сланцы перерабатывают в
разнообразные продукты для процессов органического синтеза и химических
производств. Значительный интерес в последнее время вызван к углю как сырью,
альтернативному нефти, разработаны методы его превращения в жидкие углеводороды
(их смесь иногда называют «искусственная нефть»), моторное топливо.

9.

1.2. Растительное и животное сырье
• Растительное сырье включает древесину, картофель, подсолнечник,
сахарную свеклу, хлопок, лен, коноплю, отходы первичной обработки
сельскохозяйственной продукции (подсолнечная, хлопковая лузга).
Животное сырье представляет собой шерсть, кожу, жиры.
Растительное сырье претерпевает следующие превращения:
1)переработка его высокомолекулярных компонентов в неизменном
или модифицированном виде (производство пластмасс, волокон);
2)пиролиз с получением газообразных и жидких продуктов (оксид
углерода, водород, масляные фракции);
3)каталитическое, ферментативное, расщепление полимерных
компонентов с образованием органических продуктов (этанол,
фурфурол, фенолы, кормовой белок и др.).
Растительное и животное сырье перерабатывают в продукты питания
(пищевое сырье), в бытовые и технические продукты.

10.

1.3. Воздух и вода
Однако не только литосфера является сырьевой базой
химической промышленности. Условно принимают, что
земная кора включает атмосферу до высоты 15 км,
гидросферу и литосферу, поэтому воздух атмосферы и
вода гидросферы также являются сырьем химической
промышленности.
Компоненты воздуха - азот (его содержание около 79%) и кислород
(около 21%) - используют для производства аммиака, а также во
многих окислительных процессах.
• Вода не только непосредственно является реагентом во многих
химических процессах, но и служит источником получения водорода
и кислорода. Из высококонцентрированных соляных растворов (рапы)
морских заливов (лагун) получают йод и бром. Также воду
применяют как вспомогательный материал для приготовления
растворов твердых, жидких и газообразных веществ, в качестве
абсорбента при очистке газов.

11.

II.По видам запасов
2.1.Невозобновимое сырье не восстанавливается совсем
или восстанавливается значительно медленнее, чем
расходуется. К нему относится минеральное сырье,
использование которого неизбежно приводит к его
исчерпыванию.
Уже сейчас очевидно истощение ресурсов природной нефти в ближайшие десятилетия при
ее добыче современными темпами. Практически исчерпаны природные запасы селитры
как источника связанного азота, с начала столетия его получают из свободною азота
воздуха в виде аммиака.
2.2. Возобновимое сырье включает в себя и растительное и
животное, некоторые виды минерального сырья (например, соли,
осаждающиеся в озерах и морских лагунах). Растениями земного шара
методом фотосинтеза ежегодно связывается 2-1011т углерода, идущего
на воспроизводство растительного и животного сырья. Восстановление
возобновимого сырья идет с разной скоростью, однако его темпы
должны соответствовать темпам его расхода. Иначе оно станет
невозобновимым.

12.

Сырье
для
химического
производства
должно
обеспечивать:
малостадийность производственного процесса;
агрегатное
состояние
системы,
требующее
минимальных затрат энергии для создания оптимальных
условий протекания процесса;
минимальное рассеяние подводимой энергии;
минимальные потери энергии с продуктами;
возможно
более
низкие
параметры
процесса
(температура, давление) и расход энергии на изменение
агрегатного состояния реагентов и осуществление
химико-технологического процесса;
максимальное содержание целевого продукта в
реакционной смеси.
12

13.

Ресурсы и рациональное использование сырья
• Сырьевые ресурсы - источники сырья для переработки в
промышленном производстве.
• Источниками сырья для химической промышленности являются
природные материалы, полупродукты и вторичное сырье.
• Источником природных материалов является окружающая нас среда земные недра, гидросфера и атмосфера; растительный и животный мир.
• Наиболее распространенное это минеральное сырье, добываемое из
земных недр, это полезные ископаемые для дальнейшей переработки в
промышленности в требуемые продукты. Они залегают в литосфере на
глубине до 10 км и представляют собой различные минеральные
ассоциации в виде осадочных, изверженных и метаморфических горных
пород. Многие элементы входят в химический состав литосферы, но
лишь восемь из них слагают основную массу – это O2, Si, Al, Fe, Ca, Na,
Mg, K.
13

14.

• 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, концентрации и
географическому размещению.
• Кларкколичественная характеристика распространенности
элементов в природе, величина, выражающая в массовых или
атомных процентах, или в граммах на тонну содержание
данного элемента в земной коре.

15.

Кларки некоторых элементов
Элемент
Кларки
O2
Si
Al
Fe
Ca
Na
49,1
26,0
7,45
4,20
3,25
2,40
г/т ×10-3 473
291
81
46,5
33
25,3
% масс.
Mg
K
H2
2,35
2,35
1,00
17
25
1,3
9 элементов составляют более 98% массы земной коры; на все остальные
элементы приходится всего 1,87%.
Содержание углерода, представляющего основу жизни и составляющего
основную часть горючих ископаемых, составляет только 0,35% массы земной
коры.
15

16.

Основные направления рационального
использования химического сырья
Поскольку сырье в химической промышленности составляет в
среднем 60 – 70% себестоимости продукта, то его правильный
выбор и рациональное экономичное использование является
одной из главных задач химической технологии.
Важнейшие тенденции для рационального использования сырья:
• применение
более
дешевого
сырья
(местного,
с
минимальными затратами на добычу);
• использование вторичных материальных ресурсов (отходов
производства и потребления, побочных продуктов других
производств);
16

17.

• использование менее концентрированного сырья (бедных руд);
• комплексная переработка сырья - метод, при котором в
максимальной степени извлекаются и используются все ценные
компоненты, содержащиеся в сырье.
• замена пищевого сырья непищевым и растительного минеральным.
• рециркуляция сырья - вторичная переработка выработавших
срок эксплуатации, вышедших из строя и морально устаревших
изделий.
Все эти направления рационального выбора и использования
сырья взаимосвязаны.
Комплексное использование сырья приводит к сокращению
капитальных вложений в производство, снижению себестоимости
продукции и улучшению всех технико-экономических показателей
производства.

18.

Подготовка химического сырья к переработке
• Целью подготовки сырья является придание ему состава и
свойств, обеспечивающих оптимальное протекание химикотехнологического процесса его переработки.
В процессе подготовки сырье приобретает заданную концентрацию
полезного компонента, влажность, определяемое условиями
переработки содержание примесей, нужную дисперсность.
Операции подготовки сырья многообразны и зависят от его
агрегатного состояния. В комплекс операций по подготовке
наиболее распространенного в химической промышленности
твёрдого сырья входят: классификация, измельчение (или в
определенных
случаях
укрупнение),
обезвоживание
и
обогащение.
18

19.

Операции подготовки сырья
1.Классификация - процесс разделения однородных сыпучих
материалов на фракции (классы) по размерам составляющих их
частиц.
Классификация осуществляется рассевом материалов на ситах
(грохочение), 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).
2. Измельчение - механический процесс деления твердого тела на
части за счет приложения внешних сил. Измельчение может
производиться методами удара (I), раздавливания (II) и истирания
(III).
19

20.

3. Сушка - процесс удаления влаги или другой жидкости из
твердых материалов путем ее испарения и отвода
образующегося пара.
Условием сушки является обеспечение неравенства
Рм>Рс,
где Рм - давление пара во влажном высушиваемом материале; Рс - парциальное
давление пара в окружающей среде.
Процесс сушки осуществляют в сушилках различной конструкции,
при атмосферном давлении или в вакууме.
4. Обогащение - процесс отделения полезной части сырья
(полезного компонента) от пустой породы (балласта) с целью
повышения концентрации полезного компонента.
В результате обогащения сырье разделяется на концентрат
полезного компонента и хвосты с преобладанием в них пустой
породы.
20

21.

3.МЕТОДЫ ОБОГАЩЕНИЯ СЫРЬЯ.
3.1.ОБОГАЩЕНИЕ ТВЕРДОГО СЫРЬЯ
• Обогащение твердого сырья. Добываемое из недр земли сырье, кроме
целевых компонентов, содержит бесполезные (пустая порода) и
вредные примеси. В большинстве случаев содержание примесей
относительно велико, поэтому приходится проводить обогащение
сырья - отделение от него пустой породы. Оно необходимо для
уменьшения затрат на переработку сырья, улучшает качество
продукта и уменьшает транспортные расходы.
Полученные полезные ископаемые, как правило, сначала измельчают.
Затем образующиеся зерна подвергают дальнейшему разделению,
используя индивидуальные свойства компонентов породы.

22.

Обогащение полезных ископаемых обеспечивает значительный эффект,
определяемый:
1)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;
2) более полным использованием оборудования на химических
предприятиях за счет переработки высококонцентрированного
обогащенного сырья;
3) существенным
продукции;
улучшением
качества
готовой
химической
4) значительной экономией транспортных средств вследствие
уменьшения перевозок, приходящихся на долю пустой породы.

23.

Количественные показатели процесса обогащения
1. Выход концентрата – отношение массы полученного
концентрата m к к массе обогащаемого сырья mс :
Ƞ к= m к / mс
2. Степень извлечения полезного компонента – отношение
массы полезного компонента в концентрате mкк к его
массе в обогащаемом сырье mкс :
X и = mкк / mкс
3. Степень обогащения сырья – отношение массовой доли
полезного компонента в концентрате μ кк к массовой доле
его в обогащаемом сырье μ кс:
Хо= μ кк / μ кс

24.

Выбор метода обогащения зависит от агрегатного
состояния и различия свойств компонентов сырья.
При обогащении твердого сырья используются:
механические, химические , физико-химические методы и
метод термического обогащения.
24

25.

Механические методы обогащения твердого сырья:
а) грохочение (рассеивание) 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 сырья, состоящего из минералов различной прочности,
просеять их через сита с различной величиной отверстий, то с отдельных сит
можно получить фракции, обогащенные тем или иным материалом.
Применяемые для этой цели сита называют -грохотами. Этот метод
применяют также тогда, когда материал, например кокс или уголь,
необходимо разделить по крупности на различные куски или зерна.
Грохоты могут быть плоские с небольшим наклоном сита для
скольжения крупной фракции или цилиндрические –наклонные
вращающиеся барабаны с отверстиями.
Для облегчения прохождения мелких зерен через отверстия плоских
грохотов их снабжаются механизмами для сотрясения, вибрации или
качания.

26.

• б) гравитационное разделение основано на различии
скоростей осаждения (падения) частиц в жидкости или
газе в зависимости, от плотности или крупности этих
частиц. Осаждение в жидкости (чаще всего в воде)
называют мокрым обогащением, в газе (чаще всего в
воздухе) – сухим гравитационным обогащением. Мокрое
обогащение осуществляют в классификаторах, сухое – в
воздушных сепараторах различного устройства
• в) электромагнитная сепарация применяется для
отделения магнитно-восприимчивых материалов от
немагнитных.
• г) электростатическая сепарация применяется для
разделения материалов с различной электропроводностью.

27.

Термические методы обогащения твердого сырья
• Основано на различие в плавкости компонентов сырья.
При нагревании легкоплавкие материалы вытекают из
породы в жидком виде.
• Например, нагреванием серосодержащей породы отделяют
легкоплавкую жидкую серу от пустой породы, состоящей из более
тугоплавких извястников. Так же отделяют битумы от
неорганических примесей.

28.

Химическое обогащение
• Основано на различии во взаимодействии компонентов
сырья с химическими реагентами с последующим
выделением образовавшегося соединения осаждением,
испарением , плавлением.
Химическим обогащением удаляют балластные органические примеси
при обжиге твердой породы.
К операциям химического обогащения относят также обжиг минералов
для разложения карбонатов, удаления кристаллизационной влаги,
выжигания
органических
примесей
и
другие
процессы,
увеличивающие концентрацию полезного компонента в продукте
обогащения.
Примером химического обогащения может служить обжиг медного колчедана - СuFeS2 , в
результате чего увеличивается концентрация меди.

29.

Одним из основных методов извлечения редких металлов
из минерального сырья является - экстракция .
Экстракция – процесс избирательного извлечения одного
или нескольких компонентов из водной фазы в жидкую
органическую.
При
этом
предполагается,
что
органическая фаза практически не растворяется в водной
фазе. После разделения фаз с последующей экстракцией
извлекаемый компонент вновь переводят в водную фазу в
более концентрированном виде
и одновременно
регенерируют экстраген.
Хорошими
экстрагенами являются карбоновые или нафтеновые
кислоты, амины, четвертичные аммониевые основания, которые
хорошо растворимы в гексане, керосине.

30.

Физико-химический метод обогащения (флотация)
Флотационная машина с воздушным перемешиванием:
1 — циркуляционная камера; 2 — коллектор воздуха; 3 —
воздушные трубки; 4 — пенный слой; 5 —- желоб для
концентрата; 6 — перегородка

31.

Флотация (англ. «float» — плавать на поверхности)
• наиболее широко применяемый способ обогащения. Он
основан на различной смачиваемости водой частиц
минерального сырья. Во флотационную машину
поступает смесь воды и мелких частиц обогащаемой руды
(пульпа) и подается воздух. Гидрофобные (не
смачиваемые водой) частицы прилипают к пузырькам
воздуха и выносятся вместе с ними на поверхность
образуя
пену,
которая
удаляется
специальным
устройством. В пульпу добавляют специальные добавки,
позволяющие регулировать смачиваемость частиц.
Применяют для разделения сульфидных руд, отделения пустой
породы от нефелина и обогащения многих других минералов.

32.

3.2. Обогащение жидких и газовых смесей
.
• Жидкие и газовые смесиобогащают, используя различия
температур кипения, растворимости, сорбционных,
химических и других свойств компонентов смеси.
• Наиболее широко разделение таких смесей используется на нефтяных
месторождениях.
Нефть,
представляющую
собой
смесь
углеводородов с примесями кислородных, сернистых и азотистых
соединений, разделяют перегонкой на составные части, или фракции бензин, лигроин, керосин, мазут и т.д. Сернистые соединения
бензиновой фракции удаляют с использованием химического метода
каталитической гидроочистки: сернистые соединения в паровой фазе
гидрируют на катализаторе до сероводорода, который далее
отделяется при конденсации.

33.

Жидкое сырье обогащают:
упариванием растворителя;
вымораживанием;
выделением примесей в осадок;
выделением примесей в газовую фазу.
Газовые смеси обогащают:
• последовательной конденсацией, то есть, переводя их в жидкое
состояние при постепенном понижении температуры и сжатии;
• последовательным испарением, когда газовую смесь сначала
полностью конденсируют, а затем,
постепенно повышая
температуру, переводят отдельные компоненты смеси в газовое
состояние;
• поглощением
отдельных
компонентов
смеси
жидкостью
(абсорбцией) или твердыми веществами (адсорбцией) с
последующим выделением их из сорбентов в концентрированном
виде.
33

34.

Характерными особенностями химического производства с точки зрения
использования сырья являются :
• 1.Многовариантность сырьевой базы, включающей природные
полезные ископаемые, сельскохозяйственную продукцию, воздух и
воду.
• 2.Широкие возможности комплексного использования одних и тех же
видов сырья для получения различных химических продуктов.
• 3.Многообразие методов химической переработки, позволяющих
получать из одного итого же сырья широкую гамму химических
продуктов .
Варьирование сырьевых ресурсов позволяет выбирать надежную
сырьевую базу для развития химической промышленности в
зависимости от наличия месторождения полезных ископаемых и
технико-экономических показателей их использования.