Сырье в химическом производстве. Методы обогащения сырья

Показатель глубины переработки нефти в нашей стране составил в 1995 году 65%. По сравнению с промышленно развитыми зарубежными странами этот показатель оставляет желать лучшего. Для нормального функционирования нашей экономики необходимо увеличить его к 2000 году не менее чем до 80% [4]. Для этого необходимо повысить мощности деструктивных гидрогенизационных процессов и постепенно осуществлять переход к переработке нефти по углубленным технологическим схемам.

 

ПРОИЗВОДСТВО АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ТОПЛИВ

 

Проблема сокращения расхода нефтепродуктов на топливные цели может быть решена путем замены мазута в большой энергетике природным газом и углеводно-мазутными смесями, применением сжатого и сжиженного природного газа на транспортных средствах, введением в состав бензинов метанола и его производных и получением через метанол моторных топлив. Часть этих задач должна решаться путем создания соответствующих конструкций двигателей, но основная роль принадлежит химии. Предстоит создать крупные типовые заводы по производству метанола, разработать катализаторы и технологические процессы получения метанола, обогащенного высшими спиртами, присутствие которых стабилизирует метанолобензиновые смеси. Метанол повышает октановое число бензина, улучшает процесс сгорания топлива, является дешевой и доступной добавкой к топливу. Для производства метанола используют синтез-газ, который может быть получен газификацией нефтяных остатков, природного газа, угля, а в перспективе, по-видимому, и газификацией древесины и сельскохозяйственных отходов. С использованием метанола разработано производство многих ценных продуктов: белково-витаминных концентратов, эфиров трет-бутилового спирта, которые служат высокооктановой добавкой к бензинам, растворителей, пластификаторов, лекарственных препаратов и т.д.

В качестве топлива для автомашин планируется использование попутного газа и водорода. Химики принимают активное участие в создании прочных и легких топливных баков для сжиженных газов, разрабатывают новые катализаторы, позволяющие при умеренных температурах (в активной зоне атомных реакторов) разлагать воду на элементы. Таким образом, задача обеспечения химической и нефтехимической промышленности сырьем решается путем замены части нефтепродуктов, используемых в качестве топлив, на синтетические топлива за счет глубокой комплексной переработки нефти и попутного газа. Это позволит увеличить объем производства мономеров и исходных веществ для промышленного органического синтеза без увеличения добычи углеводородного сырья.

 

ПРИМЕНЕНИЕ АЛЬТЕРНАТИВНОГО СЫРЬЯ

 

Новой ступенью в развитии химических производств будут создание и постепенный переход на каталитические процессы, основной сырьевой базой которых станут природный газ и уголь. Запасы этих видов сырья (особенно последнего) велики.

Ведутся исследования по разработке технологии производства метанола, которая позволит многие важнейшие продукты, производимые из нефтяного бензина через этилен (рис. 1), получать непосредственно из синтез-газа или через метанол (рис. 2, 3). Это открывает возможность развития промышленности органического синтеза на основе альтернативного нефти сырья - угля и природного газа. Такая возможность существовала и раньше, поскольку процессы газификации угля и конверсии метана в синтез-газ давно применяются в промышленной химии. Однако низкий уровень техники и технологии ограничивал это направление химического превращения угля и природного газа лишь производством аммиака и метанола.

 

Современные достижения в области  металлокомплексного катализа позволяют  в относительно мягких условиях получать из метанола и синтез-газа такие продукты нефтехимии, как:

- этанол,

- этиленгликоль,

- ацетальдегид,

- низшие олефины,

- ароматические углеводороды,

- винилацетат,

- уксусную кислоту,

- уксусный ангидрид.

Проблему сырья нельзя решать в отрыве от использования других видов ресурсов, обеспечивающих нормальное функционирование химико-технологических систем (ХТС). Это объясняется взаимосвязанностью и взаимообусловленностью протекающих в ХТС процессов, вследствие чего изменение одного элемента системы приводит к соответствующим изменениям других. На рис. 4 показаны основные подсистемы ХТС, то есть совокупность процессов и аппаратов, объединенных единой технологической целью. Сырье последовательно проходит каждый элемент (процесс, аппарат) системы, постепенно превращаясь в товарный продукт. Естественно, что от уровня технологичности сырья будут зависеть затраты на всех стадиях его обработки.

Современный уровень научно-технического прогресса и особенности ХТС  позволяют применять различные  варианты технологических процессов: на одном и том же оборудовании можно осуществлять различные технологические  процессы и один и тот же процесс  можно проводить на различном оборудовании. Один и тот же продукт может быть получен из разных видов сырья или одного и того же сырья по разным технологическим схемам. Так, хлорвинил можно получить используя в качестве сырья ацетилен, этилен и этан:

С₂Н₂ + НСl  → СН₂=СН-Сl,

C₂Н₄ + Сl₂ → CН₂Сl-CH₂CCl  → CH₂=CH-Cl + HCl,

C₂H₆ + Cl₂ + 0,5О₂ → СН₂=СН-Сl + HCl + H₂O

     

Ацетилен можно получать из природного газа по разным технологическим схемам, отличающимся способом активации системы (подвода энергии) и конструкцией реактора. Очевидно, что различные технологические процессы, используемые для получения одного и того же продукта, будут отличаться своими показателями (табл. 2).

Обогащение сырья

методы переработки природного минерального сырья, которое представляет собой естественную смесь ценных компонентов и пустой породы, с  целью получения концентратов, существенно  обогащенных одним или несколькими  ценными компонентами. Обогащение руды осуществляется преимущественно механическими, а также термическими и химическими методами.

ОБОГАЩЕНИЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ, совокупность процессов и методов первичной переработки твердого минерального сырья (руд, углей, горючих сланцев) с целью получения конечных товарных продуктов (асбест, графит, известняк и др.) или продуктов, пригодных для послед. технически возможной и экономически целесообразной химической, металлургической либо иной переработки. При обогащении полезных ископаемых (ОПИ) структура, хим. состав или агрегатное состояние минералов либо др. компонентов не изменяются, а происходит отделение (или взаимное разделение) всех полезных компонентов от пустой породы - горной массы, не представляющей практической ценности. В результате ОПИ получают один или несколько (напр., при переработке апатито-нефелиновых либо полиметаллических руд) к о н ц е н т р а т о в, содержащих основную массу полезных составляющих, и отходы - х в о с т ы, включающие большую часть пустой породы. ОПИ производят на обогатит. фабриках или в спец. цехах.

Основные показатели ОПИ (%): выход  концентратов и хвостов; кондиционное (соответствующее требованиям дальнейших технологических переделов) содержание полезных компонентов и вредных примесей; степень извлечения (или просто извлечение) целевых продуктов в концентрат.

ОПИ существует с древнейших времен как способ извлечения золота путем  промывки золотоносных песков и подготовки руд к плавке. Первая в России обогатит. фабрика для извлечения золота была построена на Урале (1760). Описание ряда процессов и методов ОПИ приведено в труде М. В. Ломоносова "Первые основания металлургии или рудных дел" (1763). Его современники И. И. Ползунов, К. Д. Фролов и В. А. Кулибин построили несколько механизированных обогатительных фабрик, оборудованных оригинальными машинами для промывки руд. В 19 в. возникли новые процессы и методы ОПИ Дальнейшее развитие в мире оно получило в первой половине 20 в. До 1917 в России работало всего 20 небольших обогатит. фабрик. Сейчас в СССР функционируют сотни фабрик, перерабатывающих разные руды.

Причины возникновения и развития ОПИ обусловлены тем, что минер. сырье обычно встречается в виде, исключающем возможность его  непосредственного использования  вследствие недостаточно высокого содержания полезных компонентов или наличия вредных примесей. Так, среднее содержание Р₂О₅ в фосфоритах составляет 13% по массе, тогда как в получаемой из них фосфоритной муке оно должно быть не менее 20%, а в концентратах, которые необходимы для переработки в фосфорную к-ту,-24-28% при строго регламентированном количестве примесей (не более 2,5% MgO и др.). Наибольшее содержание ценного компонента (в расчете на данный элемент), достигаемое в концентрате, зависит от того, в виде какого химсоединения этот компонент входит в состав обогащаемого. Напр., медные концентраты можно получить более богатыми медью, если они содержат халькозин Cu₂S (79,7% Сu), чем в случае халькопирита CuFeS₂ (34% Сu) и т.д.

ОПИ осуществляется с помощью ряда последовательных подготовительных, основных и вспомогательных операций. Все эти операции составляют т. наз. схему ОПИ (рис. 1), которая выбирается преимущественно в зависимости от минерального состава сырья и содержания в нем полезных компонентов.

 

Рис.1. Схема обогащения минерального сырья.

 

МЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБОГАЩЕНИЯ

Механические методы обогащения позволяют  отделить ценные рудные частицы от частиц пустой породы с использованием чисто физических процессов, без химических превращений

Гравитационная концентрация. Гравитационная концентрация основана на использовании разной плотности различных минералов. Частицы разной плотности вводятся в жидкую среду, плотность которой имеет промежуточное значение между плотностями минералов, подлежащих разделению. Этот принцип можно проиллюстрировать отделением песка от опилок, когда их бросают в воду; опилки всплывают, а песок тонет в воде.

Обогащение в тяжелой среде. Метод обогащения в тяжелой среде основан на использовании суспензии, состоящей, помимо частиц руды, из воды и твердого компонента. Плотность суспензии варьируется от 2,5 до 3,5 в зависимости от свойств разделяемых минералов. При этом используются конические или пирамидальные емкости.

Отсадочные машины. Отсадочная машина - это один из видов гравитационного  концентратора, в котором суспензия  состоит из воды и рудных частиц.

В отсадочных машинах непрерывного действия имеются по крайней мере два отделения. Тяжелые частицы, попавшие в приемное отделение, скапливаются на дне; более легкие частицы всплывают. Подаваемый материал захватывается текущей водой и поступает в поверхностный слой на нижней части уклона, который стремится выплеснуться через край. Однако тяжелый материал проседает через более легкий и оказывается в придонном слое. Легкий материал смешивается с верхним слоем, и поперечный поток воды сносит его через перегородку в соседнее отделение, где происходит аналогичная сепарация. Автоматические разгрузочные устройства удаляют придонный слой с такой скоростью, чтобы он сохранял необходимую толщину.

Концентрационные столы. Концентрационные столы представляют собой гравитационные концентраторы, приспособленные для  переработки материала песчаной фракции с размером зерна менее 2,5 мм. Главный их элемент - это покрытая линолеумом прямоугольная дека шириной 1,2-1,5 м и длиной около 4,8 м. Она устанавливается с небольшим регулируемым поперечным уклоном и испытывает возвратно-поступательное движение вдоль длинной стороны с частотой 175-300 циклов в минуту и амплитудой от 6 до 25 мм. Дека имеет рифленую поверхность; при этом высота ее гребней уменьшается в направлении диагонали деки от края стола, где производится подача материала, к его выгрузочному концу. Водная суспензия попадает в бороздки и там расслаивается: более тяжелый материал оседает на дно, а более легкий оказывается наверху. Под воздействием возвратно-поступательного движения легкий материал передвигается по деке. Поскольку высота гребней к выгрузочному концу стола уменьшается, верхний слой смывается потоком воды, идущим поперек стола, и уносится вниз к его боковой стороне, тогда как более тяжелый материал переносится к выгрузочному концу.

Шлюзы. Концентрационный шлюз представляет собой наклонный желоб с шероховатым  дном, вдоль которого перемещается гравий россыпи (золотоносной или оловоносной), увлекаемый потоком воды; при этом тяжелые минералы оседают на дне углублений и удерживаются там, тогда как легкие выносятся. Шероховатость дна создается деревянными брусками, рейками, рифленой резиной, небольшими жердями и даже железнодорожными рельсами, устанавливаемыми вдоль или поперек желоба. Для переработки мелкозернистого песка и шлама дно шлюза покрывают мешковиной, брезентом или другим подобным материалом, который обычно прикрепляется металлической решеткой или грубой проволочной сеткой. При переработке золотоносного гравия для сепарации довольно часто используется ртуть благодаря ее способности прилипать к мелким частичкам золота и удерживать их в потоке воды. Ширина шлюза составляет от 0,5 до 2 м, а длина - от 3-6 м до 1,5 км и более. Наклон варьируют в пределах 2,0-12,5 см/м; при этом в нижней части шлюза преобладает тонкозернистый материал с большим количеством воды, а в верхней части - более грубозернистый с меньшим количеством воды. Периодически подачу материала прекращают и создают легкий поток воды, рифли снимают, начиная с выходного конца, осевший песок переворачивают лопатами для отмывки легкого песка, а оставшуюся часть сгребают в бадьи. Очищенный золотоносный продукт затем обрабатывается в промывочном лотке (диаметром 0,45 м и глубиной 5-8 см) с наклонными под углом 45. стенками. Когда песок вместе с водой в лотке встряхивается, тяжелый материал оседает, а легкие отходы смываются через край.