Применение давления в химической промышленности

Содержание и задачи химической технологии.

 

Технология изучает способы и принципы переработки сырья в продукты потребления и средства производства.

Цели (задачи) химической технологии – повышение производительности труда, улучшение качества продукции и уменьшение ее себестоимости.

Эти цели достигаются в силу взаимосвязанных направлениях:

1. Увеличение мощности производства:

– использование параллельных технологических линий;

– увеличение размеров аппаратов;

– интенсификация;

2. Комплексное использование сырья.

3. Разработка энергосберегающих технологий.

4. Создание безотходных производств.

5. Механизация и автоматизация.

6. Перевод периодического производства в непрерывное.

 

Технология – наука о выгодных, т.е. поглощающих наименее труда людского и энергии природы приемах переработки природных ресурсов в продукты, потребные (необходимые, полезные или удобные) для применения в жизни людей.

 

Сочетание всех этих факторов дает представление о полноте выбранного технологического процесса производства того или иного продукта. При этом мы должны учитывать технико-экономическую эффективность производства.

Главными показателями, которые характеризуют технико-экономическую эффективность производства, являются:

1. Расход сырья.

2. Расход энергии.

3. Выход и количество продукции.

4. Интенсивность процесса.

5. Капитальные затраты и их окупаемость.

6. Себестоимость продукции.

На основе сравнения технико-экономического производства отдельных процессов выбирается рациональная схема производства и условия, которые отвечают данному уровню науки и техники.

 

Технологические определения и понятия.

Химическая технология основана на химических, физических и физико-химических представлениях и понятиях, заимствуя из них определения и понятия, которые позволяют решать конкретные технологические задачи.

Основным понятием является материальный баланс.

Он составляется, для того чтобы:

1. Определить выход продукта или полупродукта.

2. Потребность в основных и вспомогательных материалах.

3. Определить специфику того или иного материала.

Для составления материального баланса исходят из анализа исходного и конечного материала, промежуточных стадий, потерь основного материала.

В основе составления материального баланса лежит закон сохранения вещества.

Материальный баланс составляется на единицу готовой продукции за час, сутки и т.д.

Материальный баланс состоит из приходной и расходной части составляемых из веса веществ, поступивших на переработку, и веса веществ, полученных после переработки.

Уравнение материального баланса можно представить в общем виде:

q₁+q₂=q₃+q₄+q₅+q_6, где

q₁, q₂ – израсходованное сырье и вспомогательные материалы;

q₃ – полученный продукт;

q₄ – побочный продукт;

q₅ – отходы;

q₆ – не прореагировавшее сырье.

 

Из уравнения материального баланса получают балансовые характеристики.

Пусть τ – время, в течение которого снимались балансовые характеристики, q_р – вместимость реактора.

1. Производительность

Средняя производительность по сырью и продукту, кг/час, Т/час.

2. Среднее время контакта

3. Интенсивность

По сырью

По продукту

4. Расходные коэффициенты сырья и вспомогательных материалов

5. Степень использования сырья

•100%

6. Селективность (избирательность)

7. Выход продукта

8. Степень превращения

9. Скорость химико-технологического процесса

 

Энергетический баланс.

Все основные химико-технологические процессы сопровождаются поглощением или выделением тепла, изменением температуры и совершением работы над содержанием реактора или против внешних сил.

Тогда согласно закону сохранения и превращения энергии можно написать уравнение энергетического баланса.

E^- + U^- + A^- = E⁺ + U⁺ + A⁺

E^- – подведенная энергия

U^- – внутренняя энергия входных потоков

A^- – работа, совершаемая над системой

E⁺ – отведенная энергия

U⁺ – внутренняя энергия выходных потоков

A⁺ – работа системы

Частный случай энергетического баланса - тепловой

Тепловой баланс составляется на основе материального баланса и имеет цель определить потребности в расходе тепла на химические процессы.

Приходная Расходная

Q₁ + Q₂ + Q₃ = Q₄ + Q₅

Q₁ – физическое тепло веществ вступающих в реакцию

Q₂ – тепло реакции

Q₃ – тепло вносимое из вне

Q₄ – физическое тепло продуктов

Q₅ – потери тепла

 

Выход продукта.

Это главное для чего составляется материальный баланс.

Выход продукта для различных процессов определяется по разному:

– выход по массе

– выход по току

 

У необратимых реакций, когда возможно полное превращение веществ, Х=1, и это условие выполняется лишь во времени.

У равновесных реакций Х< 1 т.к. равновесие наступает при неполном превращении вещества, и выход будет зависеть от условий проведения процесса.

Для увеличения производительности и выхода продукта в реакцию вводят избыток одного из реагирующих веществ (обычно дешевого) и смещают равновесие, но это до определенного предела:

 

Выход вещества от температуры изменяется по следующим закономерностям

A + B D – Q A + B D + Q

Влияние на Ф, Х, φ основных параметров химико-технологического процесса (Т, τ, р).

1. Влияние температуры

а. Простая необратимая реакция Ф = X

A → B A + B → D

Для этого случая увеличение температуры приводит к увеличению Ф

 

Для обратимых A + B C + D, A B все зависит от Q

а) Экзотермическая реакция

влияние T на кинетический фактор и термодинамику противоречиво

При повышении температуры увеличивается константа скорости реакции и уменьшается X

б) Эндотермическая реакция

при увеличении T происходит увеличение К_н, К_с

в) сложная реакция D A B

E2> E1	E2< E1

 

Зависимость Ф = f(τ )

1. A → B, A B простая необратимая и обратимая реакции	2. D A B сложнопараллельные реакции
	K1> K2

 

 

3. Сложно последовательные реакции Ф = f( ), (τ )

A B D

 

Это особенно в органическом синтезе: неполное окисление спиртов, алканов

CH₃OH → CH₃O → CO₂ + H₂O или неполного гидрирования

CO + 2H₂ CH₃OH

 

Скорость процесса

Выход продукта и производительность аппаратуры будет зависеть от того, с какой скоростью протекает данный процесс.

1. Для гомогенных процессов

2. Для гетерогенных процессов

В этом случае K – коэффициент массопередачи, т.е. количество вещества, перешедшее из одной фазы в другую через 1 м² поверхности за 1 час и при давлении 1 атм. Коэффициент K является для каждого процесса сложной функцией и определяется k и D, где k – константа скорости, D – коэффициент диффузии

K= f(k₁•k₂•k₃…..D₁•D₂•D₃•……)

Для гомогенных систем диффузия не является лимитирующей стадией, и поэтому реакция протекает в кинетической области

K= f(k₁•k₂•k₃…..)

Для гетерогенных систем скорость всего процесса в основном определяется диффузией, и реакция протекает в диффузионной области

K= f(D₁•D₂•D₃•……)

Δ С – движущая сила процесса

Δ C=C_нач–С_кон для А→ R или

Δ C=C_действ–С_равн для А R

F – поверхность раздела фаз

Т. к. скорость процесса ~ Δ С то она во многом зависит от последней. Большое влияние (особенно для гетерогенных процессов) оказывает и F.

Для увеличения скорости процесса необходимо найти способы увеличения Δ С, К_р, F.

 

 

Способы увеличения скорости процесса.

1. Увеличение движущей силы процесса.

a) Увеличение концентрации реагирующих веществ в исходном материале

Это достигается для твердых веществ – методами обогащения, для жидких – концентри­рованием.

Δ C=C_нач – С_кон

увеличивается С_нач

Увеличение концентрации реагирующих веществ необходимо ещё и для улучшения каче­ства продуктов, т.к. примеси могут переходить в продукты.

b) Отвод продуктов реакции из реакционной зоны.

Для равновесной реакции

V₁

A + B D

V₂

общая скорость U=V₁–V₂, отвод продуктов уменьшает V₂ (скорость обратной реакции) или Δ C=C_действ–С_равн, отвод продуктов уменьшает С_равн.

Это достигается круговым циклом, или избирательной адсорбцией (абсорбцией) или оса­ждением продуктов в виде кристаллов.

Пример.

3H₂ + N₂ 2NH₃

Выход 20-30% - равновесный, 15-20% - действительный.

Сжижают аммиак

t_сжиж –250°С –293°С –50°С

C_р уменьшается и Δ С увеличивается

c) Смещение равновесия путем изменения Т и р.

Увеличение давления приводит к увеличению концентрации реагирующих веществ, т.е. к увеличению С_действ (увеличению числа столкновений молекул) если реакция в газовой фазе. Для сорбционных процессов увеличение давления и уменьшение температуры будет увеличивать C_действ и уменьшать С_равн если растворение близко к чисто органическому.

Пример: так поглощение HCl из газовой фазы при и t< 108°С получают 20% HCl, а при 20°С – 27-29% HCl.

Дли десорбционных процессов уменьшение р и увеличение Т благоприятно сказывается на ходе процесса.

Для хим-сорбционных процессов увеличение Т и увеличение р приводит к увеличению C_действ и уменьшению С_равн, т.к. в растворе происходит реакция взаимодействия.

Пример: получение нитрозил серной кислоты

NO +NO₂ + H₂O → 2HNO₂

H₂SO₄ + HNO₂ → NOHSO₄ + H₂O

эта реакция идет на границе раздела фаз и она должна лимитироваться диффузией, но изменения р и Т по­зволяют перевести реакцию в кине­тическую область. Повышение Т приводит к увеличению отвода продуктов из пограничных зон за счет конвекции.

2. Увеличение константы скорости процесса.

a) Повышение температуры.

Увеличение Т во всех случаях повышает К процесса, особенно это сказывается для нерав­новесных процессов. В равновесных реакциях увеличение Т увеличивает скорость и пря­мой и обратной реакции и изменение общей скорости будет зависеть от Q реакции (тепло­вого эффекта).

Влияние температуры на применение константы скорости процесса (К) для реакций иду­щих в кинетической области даёт уравнение Аррениуса.

K=K₀exp (– )

ln K = c – – уравнение прямой

и tg α ~ E

Энергию активации процесса можно определить зная K₁ и K₂ при T₁ и T₂ для процесса:

 

ln K1=K0–	E=
ln K2=K0–

На практике часто используют графики V=f( ) и K=f( ) т.к. потоки одинаковы.

По правилу Вант-Гоффа скорость реакции увеличивается в 2-4 раза при повышении тем­пературы на 10°С:

V₂=V₁

Из сказанного следует, что чем выше энергия, тем больше γ

γ ₁> γ _2.

Для кинетических процессов γ =2-4

Для диффузионных процессов γ =1.2-4.5

 

 

Однако повышение температуры не на всех процессах сказывается одинаково.

b) Применение катализаторов

Подробнее о процессе катализа см. параграф, приведённый ниже.

3. Способы увеличения поверхности соприкосновения

a) Перемешивание. Приводит к увеличению объёма для гомогенных процессов путём за­мены молекулярной диффузии на конвективную. Для реакций, идущих в диффузионной области, перемешивание приводит к резкому увеличению F. Особенно это важно для сис­тем Т-Т; Т-Ж; Т-Г; Ж-Ж; Ж-Г.

b) Измельчение. Проводят для систем Т-Ж, Т-Г.

Во всех других случаях стремятся увеличить поверхность более тяжёлой среды.

 

 

Катализ

 

Катализом называется изменение скорости химических реакций в результате воздей­ствия веществ-катализаторов, которые, участвуя в процессе, остаются по окончании его химически неизменными.

Катализаторы не связаны стехиометрическими соотношениями с реагирующими ве­ществами. Катализатор – наиболее эффективное и рациональное средство ускорения хи­мических реакций. Катализаторами могут быть различные вещества: газы, жидкости и твёрдые тела. По фазовому состоянию катализаторов и реагентов процессы разделяют на две основные группы: гомогенные и гетерогенные. В особую группу выделяют микроге­терогенный и ферментативный катализ (катализаторы – коллоидные частицы неорганиче­ской и органической природы).

Если в присутствии катализаторов реакции ускоряются, то это положительный ката­лиз, и это понятие часто отождествляется с общим понятием – «катализ». Однако, сущест­вуют и применяются вещества, замедляющие химические реакции. Это явление называют отрицательным катализом, а вещества – ингибиторами.

В общем случае ускоряющее действие катализатора принципиально отличается от действия других факторов, интенсифицирующих химические реакции: температура, дав­ление, радиация и т.п. При внесении катализаторов энергетический уровень реагирующих молекул не изменяется, как происходит, например, при воздействии температуры. Роль катализа состоит в понижении энергии активации химической реакции в результате изме­нения реакционного пути. В этом случае реакция протекает через ряд элементарных ста­дий, которые требуют в совокупности меньшей энергии активации, чем прямая реакции без катализатора:

Поскольку константа скорости реакции напрямую связана с энергией активации

,

даже незначительное снижение E_а приводит к резкому ускорению скорости процесса.

Ускоряющее действие катализатора измеряется его активностью А, которая опреде­ляется соотношением констант скорости реакций с катализатором и без него:

.

Так, например, если Δ E = 50 кДж/моль, то при 600 К

Снижение энергии активации не является единственной причиной резкого повыше­ния скорости процесса, катализатор может влиять и на K₀.

Таким образом, при открывании нового реакционного пути катализатор является ак­тивным участником процесса, что выражается в образовании с реагирующими вещест­вами неустойчивых промежуточных соединений – активированных комплексов, после распада которых катализатор регенерируется.

От активности катализаторов зависит их температура зажигания, то есть та мини­мальная температура реагирующих веществ, при которой катализатор работает.

Каталитические процессы делят на основных класса:

I – окислительно-восстановительного взаимодействия

II – кислотно-основного взаимодействия

Каждый класс делится на группы по типу реакции. Типичные катализаторы для I класса – металлы (проводники) или оксиды и сульфиды металлов (полупроводники). Для II класса типичные катализаторы – растворённые кислоты и основания, ионные кристаллы, ионные аморфные гели и т.д. (все они – изоляторы) Такая классификация катализаторов связана с различными механизмами окислительно-восстановительного и кислотно-основного ката­лиза. Общий механизм окислительно-восстановительного катализа заключается в обмене электронами между катализатором и реагентами, который облегчает электронные пере­ходы в реагирующих молекулах. Механизм обычного ионного, кислотно-основного ката­лиза заключается в обмене ионами или протонами между катализатором и реагирующими молекулами.

Катализатор может ускорять только одну реакцию или группу реакции различных групп, то есть катализатор обладает различной специфичностью.

 

Пример реакции	Продукты	Катализаторы
I. Ox-Red
1. Окисление
Полное CO → CO2 Неполное NH3 → NO Окисление CH4 воздухом Окисление C2H4 воздухом	обезвр. CO HNO3 CH2O CH3–CHO	оксиды Mn, Cu, Co, Hg (гопкалит) Pt оксиды азота (NO2) Cu, Ag
2. Гидрирование, дегидриро­вание
Синтез NH3 Гидрирование этилена (нена­сыщенных органических со­единений) Деструкция гидрированного октана	NH3   этан   бутан	Fe   Ni, Pt   MoO3, MoS2
II. H+, OH-
1. Гидратация, дегидратация, поликонденсация
Гидратация этилена Гидролиз хлорбензола Поликонденсация фенола и формальдегида	C2H5OH C6H5OH фенолформальде­гидная смола (ФФС)	H2SO4 MgCl2, H3PO4 H2SO4
2. Крекинг и изомеризация
Крекинг нефти Алкилирование изобутана Полимеризация C2H4 Дегидрохлорирование C2H5Cl	Бензин Изооктан Полиэтилен (ПЭ) C2H4	алюмосиликаты H2SO4 Al(C2H5)3 + TiCl4 BaF2

 

Для реакций I класса универсальным катализатором являются Pt и Ni, для II – H⁺.

Избирательный (селективный) катализ – это катализ, при котором ускоряется только одна целевая реакция из нескольких возможных. Особенно он важен в органическом син­тезе. Из одних и тех же веществ с использованием селективных катализаторов можно по­лучить различные продукты:

C₃H₇OH CH₃COCH₃ + H₂

C₃H₇OH C₃H₆ + H₂O

Автокатализ – химические процесс, в которых катализаторами служат промежуточ­ные или полученные продукты. К ним относятся некоторые реакции разложения, горения, полимеризации, восстановления Ni и Cr из оксидов водородом, взаимодействие перманга­ната калия с щавелевой кислотой (kat – образующийся Mn²⁺). Для этих процессов харак­терен индукционный период.

Каталитические свойства катализатора зависят не только от химической природы, но и от способа их приготовления. Большое влияние на активность катализатора оказывает характер поверхности катализатора. Особо важную роль играют активные центры, то есть участки поверхности, имеющие повышенную активность. Это, как правило, геометриче­ские неоднородности поверхности: пики, углы, рёбра кристаллов или микроструктурные дефекты поверхности.

Промышленные катализаторы (их иногда называют контактами) – это, обычно, смеси нескольких веществ (контактная масса), из которых выделяют собственно катализа­тор, а также активаторы и носители.

Активаторы, или промоторы – вещества, повышающие активность основного ката­лизатора. Обычно это оксиды щелочных и щелочноземельных металлов. Механизм дейст­вия активаторов сложен и до конца ещё не выяснен.

Носители, или трегеры – термостойкие инертные пористые вещества, на которые осаждением или другим способом наносят катализатор. Этот приём увеличивает поверх­ность катализатора, её прочность, предохраняет от спекания. В качестве носителей обычно используют пемзу, асбест, силикагель, алюмогель, керамику и т.д.

Основные методы изготовления катализаторов:

1. Осаждение гидроксидов или карбонатов из растительных солей на носитель, либо со­вместно с носителем с последующим формованием и прокаливанием.

2. Совместное прессование порошков катализатора, активатора, носителя с вяжущим ве­ществом и отжиг.

3. Сплавление нескольких веществ с последующим выщелачивание одного из них (Ni Ре­нея) или восстановлением оксидов водородом.

4. Пропитка пористого носителя катализатором и активатором с последующей сушкой и прокалкой.

 

Сырьё

Химическая промышленность характеризуется высокой материалоёмкостью произ­водства. На одну тонну готовой химической продукции расходуется, как правило, не­сколько тонн сырья и материалов. Отсюда следует, что себестоимость химической про­дукции в значительной мере определяется качеством сырья, способами и стоимостью его получения и подготовки. В химической промышленности затраты на сырьё в себестоимо­сти продукции составляют 60-70% и более.

От вида и качества сырья существенно зависит полнота использования производст­венных мощностей отраслей химической промышленности, производительность тепла, продолжительность работы оборудования, затраты труда и т.д. Свойства сырья, содержа­ние в нём полезных и вредных компонентов определяют применяемую технологию его обработки.

Виды сырья весьма разнообразны, и их можно разделить на следующие группы:

1. минеральное сырьё;

2. растительное и животное сырьё;

3. воздух, вода.

1. Минеральное сырьё – полезные ископаемые, добываемые из земных недр.

Полезные ископаемые в свою очередь подразделяются на:

§ рудные (получение металлов) важные полиметаллические руды

§ нерудные (удобрения, соли, H⁺, OH^-стекло и т.д.)

§ горючие (угли, нефть, газ, сланцы)

Рудное сырьё – это горные породы, из которых экологически выгодно получать ме­таллы. Металлы в нём находятся большей частью в виде оксидов и сульфидов. Руды цвет­ных металлов довольно часто содержат в своём составе соединения нескольких металлов – это сульфиды Pb, Cu, Zn, Ag, Ni и др. Такие руды называют полиметаллическими или комплексными. Непременной составной частью всех промышленных руд является FeS₂ – пирит. При переработке некоторых руд получают наряду с металлами и другие продукты. Так, например, одновременно с Cu, Zn, Ni при переработке сульфидных руд получают и H₂SO₄.

Нерудное сырьё – это горные породы, используемые в производстве неметаллических ма­териалов (кроме хлоридов щелочных металлов и Mg). Этот вид сырья или непосредст­венно используется в народном хозяйстве (без химической переработки) или служит для того или иного химического производства. Это сырьё используют в производстве удобре­ний, солей, кислот, щелочей, цемента, стекла, керамики и т.д.

Нерудное сырьё условно делят на следующие группы:

§ строительные материалы – сырьё используется непосредственно или после механиче­ской или физико-химической отработки (гравий, песок, глина и т.д.)

§ индустриальное сырьё – используется в производстве без обработки (графит, слюда, корунд)

§ химическое минеральное сырьё – используют непосредственно после химической об­работки (сера, селитра, фосфорит, апатит, сильвинит, каменная и другие соли)

§ драгоценное, полудрагоценное и поделочное сырьё (алмаз, изумруд, рубин, мала­хит, яшма, мрамор и т.д.)

Горючее минеральное сырьё – ископаемые, которые могут служить в качестве топ­лива (угли, нефть, газ, горючие сланцы и др.)

2. Растительное и животное сырьё – это продукты сельского (земледелия, животноводства, овощеводства), а также мясного и рыбного хозяйства.

По своему назначению оно подразделяется на пищевое и техническое. К пищевому сырью относятся картофель, сахарная свекла, хлебные злаки и т.д. Химическая и другие отрасли промышленности потребляют растительное и животное сырьё, непригодное для пищи (хлопок, солома, лён, китовый жир, когти и т.д.). Деление сырья на пищевое и техниче­ское в некоторых случаях условно (картофель → спирт).

3. Воздух и вода являются самым дешёвым и доступным сырьём. Воздух – практически неисчерпаемый источник N₂ и O_2. H₂O не только непосредственный источник H₂ и O₂, но и участвует практически во всех химических процессах, а также используется как раство­ритель.

Экономический потенциал любой страны в современных условиях в большей сте­пени определяется природными ресурсами полезных ископаемых, масштабами и качест­венной характеристикой их местоположений, а также уровнем развития сырьевых отрас­лей промышленности.

Сырьевые ресурсы современной промышленности очень разнообразны, причем с развитием новой техники, внедрением более эффективных методов производства сырье­вая база постоянно расширяется за счёт открытия новых месторождений, освоения новых видов сырья и более полного использования всех его компонентов.

Отечественная промышленность имеет мощную сырьевую базу и располагает запа­сами всех необходимых ей видов минерального и органического сырья. В настоящее время США занимает первое место в мире по добыче запасов P, каменных солей, NaCl, Na₂SO₄, асбеста, торфа, древесины и т.д. У нас одна из первых мест по разведанным зале­жам нефти и газа. И разведанные запасы сырья из года в год увеличиваются.

На современном этапе развития промышленности большое значение приобретает ра­циональное использование сырья, которое предполагает следующие мероприятия. Рацио­нальное использование сырья позволяет повысить экологическую эффективность произ­водства, т.к. стоимость сырья составляет основную долю в себестоимости химической продукции. В связи с этим стремятся использовать более дешёвое, особенно местное сы­рьё. Например, в настоящее время в качестве углеводородного сырья всё шире исполь­зуют нефть и газ, а не каменный уголь, этиловый спирт, полученный из пищевого сырья заменяют на гидролизный из древесины.

 

 

Обогащение сырья

Всякое ископаемое сырьё после его добычи из земной коры, кроме полезной мине­ральной части, всегда содержит некоторое количество малоценных или бесценных, а ино­гда и вредных для данного производства примесей – пустой породы. Поэтому процесс по­лучения минерального сырья не ограничивается только выемкой его из месторождений. До поступления в производство сырьё подвергают такой обработке, чтобы его состав и свойства удовлетворяли требованиям данного технологического процесса. Такое измене­ние состава минерального сырья, заключающееся в увеличении концентрации в нём по­лезной части называют обогащением.

Обогащение полезных ископаемых, как правило, сложный и дорогостоящий процесс. Од­нако, не смотря на дополнительные затраты, связанные с обогащением, оно обеспечивает значительный эффект, определяемый:

1) возможностью расширения сырьевой базы за счёт комплексного использования сы­рья и вовлечения в эксплуатацию бедных по содержанию основного компонента минералов и руд.

2) более полное использование оборудования на химических предприятиях за счёт пере­работки высококонцентрированного сырья.

3) существенным улучшением качества готовой химической продукции.

4) значительной экономией транспортных средств, вследствие уменьшения перево­зок, приходящихся на долю пустой породы.

Обогащению могут подвергаться твёрдые материалы (например, горные породы) жидко­сти и растворы, а также газовые смеси.

В случае обогащения твёрдых материалов полученный продукт называют концен­тратом, а отходы – хвостами. В тех случаях, когда в сырье содержится несколько полез­ных составляющих, его делят на отдельные части (фракции), обогащенные тем или иным компонентом, т.е. из сложного сырья получают несколько концентратов, что позволяет более полно (комплексно) использовать сырьё.

Методы обогащения твёрдых материалов весьма разнообразны, они основаны на различии физических и химических свойств веществ, входящих в состав сырья, например, прочности, плотности, твёрдости, растворимости, магнитной проницаемости и т.д.

1. Главная задача – комплексное использование сырья.

Извлекая из сырья основной продукт, сырьё обогащается по другим компонентам, кото­рые подчас являются более дорогими, чем основной продукт.

 

Например: производство цинка

ZnS → SO₂ → H₂SO₄

↓ t°

ZnO (CuO, PbO, CdO, Au, Ag, РЗЭ, Pt)

↓ ↓ ↓

Zn Cu-Pb+Pt Cu-Cd+Pt

↓ ↓ ↓ ↓

Cu+Pt Pb+Pt Cd Cu+Pt → Cu

↓

Au, Ag, Pt

2. Уменьшение отходов производства

Отходы производства используются либо на самом производстве, либо используют на другие производства. Например, цементная промышленность использует шлаки (ме­таллы), сельскохозяйственная промышленность использует шлаки с фосфором. Ti, V и др. извлекают из металлургических шлаков. Из отходов производства сейчас выпускают ТНП.

3. Использование «вторичного сырья»

Особенно это относится к металлургической и целлюлозно-бумажной промышленности. Используется металлолом, макулатура и т.д.

4. Использование местного сырья

Это особенно приобретает значение при длинных перевозках, т.к. сокращение перевозок снижает себестоимость продукции.

5. Замена пищевого сырья непищевым

Этиловый спирт не из картофеля, а гидролизный или из этилена. При синтезе синтетиче­ского каучука спирт как сырьевой продукт заменяют на бутан (из природного газа).

Основные методы обогащения твёрдых веществ:

1. Рассеивание (грохочение) основано на том, что минералы, входящие в состав сы­рья, имеют различную прочность, поэтому при дроблении менее прочные (хрупкие) мине­ралы дробятся на более мелкие зёрна, чем прочные (вязкие) материалы. Если после из­мельчения просеять такое сырьё через сито с отверстиями различного размера, то можно получить фракции, обогащённые тем или иным минералом.

2. Гравитационное разделение основано на различии скоростей осаждения частиц в жидкости или газе в зависимости от плотности или хрупкости этих частиц. Если осажде­ние производят в жидкости (чаще всего в воде), его называют мокрым гравитационным обогащением, если осаждение ведут в газе (чаще в воздухе), его называют сухим гравита­ционным обогащением.

3. Магнитная сепарация применяется для обогащения магнитновосприимчивых мате­риалов от немагнитных, а также для удаления стальных предметов, случайно попавших в руду; так отделяют магнитный железняк от пустой породы.

4. Флотационное обогащение основано на различной смачиваемости зёрен отдельных минералов водой. Частицы несмачиваемого (гидрофобного) материала не преодолевают силы поверхностного натяжения воды и остаются на её поверхности. Частицы смачивае­мого (гидрофильного) материала обволакиваются плёнкой жидкости и опускаются на дно аппарата. Несмачиваемый материал снимают с поверхности жидкости, отделяя от руды.

Жидкие растворы различных веществ концентрируют упариванием растворителя, вымораживанием, выделением примесей в осадок или в газовую фазу.

Газовые смеси разделяют на компоненты последовательной конденсацией, т.е. пе­реводят их в жидкое состояние при постепенном понижении температуры и сжатии. Этот метод основан на различии температур конденсации компонентов газовой смеси. В других случаях газовую смесь сначала превращают в жидкость, а затем последовательным испа­рением её разделяют на индивидуальные компоненты. Разделение газовых смесей осуще­ствляется также поглощением отдельных газов жидкостями (абсорбция) или твёрдыми веществами (адсорбция) с последующим выделением их из сорбентов в поглощенном виде.

 

А теперь перейдём к более подробному ознакомлению с теоретическими основами и технологиями процессов обогащения.

Как уже выяснили, первой стадией любого процесса обогащения твёрдых тел явля­ется стадия измельчения. В зависимости от размеров кусков исходного и измельчённого материала различают следующие классы измельчения:

 

Класс измельчения	Размер кусков исходного материала, dн, мм	Размер кусков измельчён­ного материала, dк, мм
Дробление a) крупное b) среднее c) мелкое Помол a) грубый b) средний c) тонкий d) коллоидный	1-5 0, 1-0, 05 0, 1-0, 04 < 0, 1	1-5   0, 1-0, 5 0, 015-0, 005 0, 005-0, 001 < 0, 001

 

По твёрдости измельчения материалы делят на твёрдые (твёрдость по Моосу 5-10) – это руды, породы, шлак; средней твёрдости (твёрдость 2-5) – известняк, каменная соль, уголь; мягкие (твёрдость < 1) – глина, пластмассы, зерно.

Отношение диаметров кусков исходного и измельчённого материала d_н/d_к =i назы­вают линейной степенью измельчения, а отношение d_н³/d_к³ =i₀ – объёмной степенью из­мельчения. Под d_н и d_к подразумевают размеры наибольших кусков. При измельчении крупных и средних кусков обычно i = 3-8, а для мелких i = 10-50 и более. При этом, чем прочнее измельчённый материал, тем меньше величина i.

12345Следующая ⇒

Поделиться: