Принципы обогащения сырья

Содержание

1. Принципы обогащения сырья
2. История развития отрасли
3. Нефть
4. Уголь
5. Природный газ
6. Известняк

Сырьем называют природные  материалы, используемые в производстве промышленных продуктов. Сырье —  один из основных элементов технологического процесса, который определяет в значительной степени экономичность процесса, технику производства и качество продукта. 
Для химической промышленности характерны высокие материалоемкость и расход сырья; затраты на сырье составляют 60—70% себестоимости продукции. 
Вследствие роста промышленного производства и увеличения ассортимента химической продукции возникает необходимость в новых видах сырья. Развитие техники добычи, подготовки, обогащения сырья позволяет использовать новые виды сырья, полезные ископаемые, содержащие малые количества полезных компонентов. Таким образом, сырьевая база химической промышленности непрерывно расширяется. Исходным материалом многих производств является сырье, уже подвергшееся промышленной переработке, которое называют полупродуктом (полуфабрикатом или основным материалом). Некоторые химические производства используют в качестве сырья отходы и побочные продукты других производств. 
 
 
I. Характеристика и запасы сырья. 
Сырье химической промышленности классифицируют по различным признакам. По происхождению его делят на минеральное, растительное и животное. Преобладает минеральное сырье, т. е. полезные ископаемые, добываемые из земной коры. По агрегатному состоянию различают твердое, жидкое (нефть, рассолы) и газообразное (воздух, природный газ) сырье. По составу оно подразделяется на органическое и неорганическое. Минеральное сырье в свою очередь делится на рудное, нерудное и горючее (органическое). Рудным минеральным сырьем называют горные породы или минеральные агрегаты, содержащие металлы, которые могут быть экономически выгодно извлечены в технически чистом виде. Так, например, железо содержится в магнитном железняке в виде Fe304, в красном железняке Fe2O3, буром железняке Fe(OH)3 и др. Медные руды обычно содержат сернистые соединения меди CiijS, CuS, FeCuS2 и т. п. Кроме минералов, включающих основной металл, руды всегда имеют примеси. Те примеси, которые не используются в производстве для получения продуктов, называются пустой породой. 
Руды, содержащие несколько металлов в количествах, достаточных для их извлечения, называются полиметаллическими. Например, к ним относятся руды, содержащие сульфиды нескольких цветных металлов: медно-цинковые, свинцово-цинково-серебряные и Др. 
 
Нерудным (или неметаллическим) называют все неорганическое сырье, используемое в производстве химических, строительных и других неметаллических материалов, но не являющееся источником получения металлов. Большая часть видов нерудного сырья также содержит металлы (например, сульфаты и фосфаты металлов, алюмосиликаты и т. п.). Горючее минеральное сырье, т. е. органические ископаемые — уголь, торф, сланец, нефть и т. п., используют как энергетическое топливо или как химическое сырье. Следует отметить условность приведенной классификации, так как горючие ископаемые не являются типичными минералами. 
Наиболее общими и распространенными видами сырья являются воздух и вода. Сухой воздух состоит из (объемное содержание) 78% N2, 21% О2, 0,94% Аг, 0,03% С02, незначительных количеств водорода, метана, неона, гелия, криптона и ксенона. Кроме того, в воздухе имеются переменные количества водяных паров, пыли и газообразных загрязнений. Кислород воздуха широко используется для процессов окисления (например, топлива), азот воздуха — для синтеза аммиака, в качестве инертной среды в промышленности и в исследовательской работе и др. Воздух используют как хладагент при охлаждении воды (в градирнях) и других жидкостей, а также газов в теплообменниках. Нагретый воздух применяют как теплоноситель для нагрева газов или жидкостей. 
Растительное и животное сырье (древесина, хлопок, масла и жиры, молоко, кожа, шерсть и пр.) перерабатывают или в продукты питания (пищевое сырье), или в продукты бытового и промышленного назначения (техническое сырье). В некоторых производствах пищевое сырье применяют для получения технического продукта и, наоборот, технический продукт перерабатывают в продукты питания. Использование различных элементов и веществ в качестве сырья зависит от их ценности для народного хозяйства, содержания в земной коре, доступности для добычи и характера соединений, в которые входит данный элемент. Все эти показатели относительны и меняются со временем. 
Ценность сырья зависит от уровня развития техники. Например, многие редкие металлы раньше не имели применения, а в последнее время стали необычайно ценными в качестве добавок к сплавам, в технике полупроводников и т. п. Уран был три десятилетия тому назад обременительным отбросом при получении радия, а ныне он— основа атомной техники. 
Хлорид калия в конце прошлого века был неиспользуемым отходом при извлечении хлорида натрия из сильвинита (минерал KCl-NaCl). В настоящее время хлорид калия, полученный переработкой сильвинита, — исходный материал для производства калийных солей и минеральных удобрений.

 
II. Принципы обогащения  сырья. 
 
Химические производства стремятся, как правило, применять возможно более концентрированное сырье, что позволяет интенсифицировать процессы и получать продукцию лучшего качества с меньшими затратами. Применение концентрированного сырья в одних процессах уменьшает затраты топлива на нагревание реагирующих масс, а в других процессах позволяет эффективно использовать теплоту реакции, например, для производства пара. Содержание полезных компонентов в природном сырье часто бывает недостаточным для его эффективного применения, поэтому производится предварительное обогащение сырья, т. е. повышение содержания в нем ценного компонента или разделение его на несколько компонентов, являющихся сырьем для различных производств. При обогащении сырья на месте его добычи сокращаются транспортные расходы на перевозку его к месту переработки пропорционально увеличению концентрации полезного компонента в сырье. Обогащение необходимо также потому, что запасы концентрированного сырья в природе постепенно истощаются и промышленность вынуждена отделять полезные компоненты бедного сырья от большого количества еще не используемой пустой породы. В местах добычи сырья нередко строят крупные обогатительные фабрики, комплексно применяющие различные способы обогащения сырья. Методы обогащения принципиально различны для твердых материалов, жидкостей и газов *. 
Твердое минеральное сырье находится в земной коре в составе горных пород, представляющих собой агрегаты минералов более или менее постоянного состава. Минералами называют физически обособленные вещества или смеси веществ в природе. Насчитывается более 2500 минералов, включающих органические и неорганические вещества. Одни и те же элементы могут быть в составе различных минералов. Методы механического обогащения твердого сырья основаны на различных физических и физико-химических свойствах минералов, составляющих горную породу. Методы химического обогащения твердого сырья, основанные на различных химических свойствах его составляющих (окис-ляемость, реакционная способность по отношению к различным реагентам), специфичны и рассматриваются главным образом при описании конкретных производств. Методы термического обогащения, основанные на различных температурах плавления компонентов сырья, применяются сравнительно редко. 
Для обогащения горная порода измельчается так, чтобы нарушить связь между кристаллами или зернами различных минералов, которые затем и разделяются различными способами. При этом получаются две или несколько фракций. Фракция (или несколько фракций), обогащенная одним из полезных компонентов горной породы, называется концентратом. Фракции, состоящие из минералов, еще не используемых в данном производстве, т. е. из пустой породы, называются хвостами. 
Применяются главным образом механические способы обогащения твердых материалов: рассеивание (грохочение), гравитационное разделение, электромагнитная и электростатическая сепарация и флотация. На обогатительных фабриках обычно используют последовательно несколько способов обогащения, например грохочение, электромагнитный и гравитационный способы. 
Рассеивание материалов по крупности их зерен как метод обогащения применяется в тех случаях, если порода состоит из прочных (вязких) и непрочных (хрупких) минералов; последние измельчаются легче, чем прочные, и при рассеивании проходят через отверстия сита. Так, например, отделяется фосфорит от пустой породы. Рассеивание минерального сырья называется грохочением, а применяемые металлические сита — грохотами. Можно пропустить материал через несколько грохотов со все уменьшающимися отверстиями и получить несколько фракций. Рассеивание применяется также для сортировки по крупности зерен (ситовая классификация) более или менее однородного (по составу) материала; так, например, делят на несколько фракций уголь и кокс. 
Применяются плоские и цилиндрические грохоты. Плоский грохот устанавливается с небольшим наклоном для скольжения по нему крупной фракции. При работе грохот при помощи различных механизмов качается или вибрирует, что способствует быстрому прохождению через отверстия мелких зерен. Реже применяют неподвижные плоские грохоты. Цилиндрические грохоты рассеивают материал, поступающий внутрь вращающегося цилиндра с отверстиями. Для разделения минералов, сильно отличающихся формой кристаллов, например асбеста, от пустой породы применяются грохоты с соответствующей формой отверстий. 
Гравитационное обогащение (мокрое и сухое) основано на разной скорости падения частиц различной плотности и крупности в потоке жидкости или газа или на действии центробежной силы. Данным способом можно разделить минералы, значительно отличающиеся по прочности (как и при рассеивании) или по плотности. Мокрое обогащение чаще всего проводится в потоке воды. Если вода может растворить или испортить материал, то применяют другие инертные жидкости или же сухое обогащение. Для сухого обогащения нужен более мелкий помол, чем для мокрого.

 
Химическая промышленность. 
 
Химическая промышленность — отрасль промышленности , включающая производство продукции из углеводородного ,минерального и другого сырья путём его химической переработки. 
Валовой объём производства химической промышленности в мире составляет около 2 трлн. долл. Объем промышленного производства химической и нефтехимической промышленности России в 2004 году составил 528156 млн. рублей.

III. История развития  отрасли

 
Химическая промышленность выделилась в отдельную отрасль с начало промышленного переворота . Первые заводы по производству серной кислоты— важнейшей из минеральных кислот, применяемых человеком, были построены в 1740 (Великобритания), в 1766 (Франция), в 1805 (Россия), в 1810 (Германия). Для обеспечения потребностей развивающихся текстильной и стекольной промышленности возникло производство кальцинированной соды. Первые содовые заводы появились в 1793 (Франция), в 1823 (Великобритания), в 1843 (Германия, Шёнебек-на-Эльбе), в 1864 (Россия). С развитием в середине XIX в. сельского хозяйства появились заводы искусственных удобрений: в 1842 в Великобритании, в 1867 в Германии, в 1892 в России. 
Сырьевые связи, раннее возникновение индустрии способствовали становлению Великобритании, как мирового лидера в химическом производстве, на протяжении трёх четвертей XIX в. С конца XIX в. с ростом потребности экономик в органических веществах лидером в химической промышленности становится Германия. Благодаря быстрому процессу концентрации производств, высокому уровню научно-технического развития, активной торговой политике Германия к началу XX в. завоёвывает мировой рынок химической продукции. 
В США химическая промышленность начала развиваться позже, чем в Европе, но уже к 1913 по объёму производства химической продукции США заняли и с тех пор удерживают 1-е место в мире среди государств. Этому способствуют богатейшие запасы полезных ископаемых, развитая транспортная сеть, мощный внутренний рынок. Лишь к концу 80-х годов химическая индустрия стран ЕС в общем исчислении превысила объёмы производства в США.

Экономика химической промышленности

 
Основными путями (в порядке снижения значимости) повышения экономической  эффективности производства в химической промышленности являются:снижение ресурсоёмкости (за счёт увеличения выхода целевого продукта из сырья, переработки отходов производства/балласт в сопутствующие продукты), снижение удельных амортизационных отчислений (за счёт внедрения производственных установок с повышенной единичной мощностью), снижение энергоёмкости (за счёт внедрения энергосберегающих технологий, энерготехнологических схем, использующих вторичные энергоресурсы ), снижения затрат на персонал (путём комплексной автоматизации и сплошной механизации производства). 
Таким образом, предприятия топливной промышленности центральных районов страны, использующие привозные нефть и газ, выбрасывают сырье для химической промышленности, являющееся уже как бы их собственным сырьем

Теперь рассмотрим  подробнее  некоторые виды сырья. Я решила взять  под обзор: каменный уголь, нефть, природный газ и известняк.

IV. Нефть.

Нефть— природная маслянистая горючая жидкость, состоящая из сложной смеси углеводородов и некоторых других органических соединений. По цвету нефть бывает красно-коричневого, иногда почти чёрного цвета, хотя иногда встречается и слабо окрашенная в жёлто-зелёный цвет и даже бесцветная нефть; имеет специфический запах, распространена в осадочных породах Земли. Сегодня нефть является одним из важнейших для человечества полезных ископаемых.

Нефть обнаруживается вместе с газообразными углеводородами на глубинах от десятков метров до 5—6 км. Однако на глубинах свыше 4,5—5 км преобладают газовые и газоконденсатные залежи с незначительным количеством лёгких фракций. Максимальное число залежей нефти располагается на глубине 1—3 км. На малых глубинах и при естественных выходах на земную поверхность нефть преобразуется в густую мальту, полутвёрдый асфальт и др. образования — например, битуминозные пески и битумы.

По химическому составу  и происхождению нефть близка к естественным горючим газам, озокериту, а также асфальту. Эти ископаемые объединяют под общим названием петролитов. Петролиты относят к ещё более обширной группе так называемых каустобиолитов — горючих минералов биогенного происхождения, которые включают также ископаемые твердые топлива.

Происхождение нефти

Нефть — результат литогенеза. Она представляет собой жидкую (в своей основе) гидрофобную фазу продуктов фоссилизации (захоронения) органического вещества (керогена) в водно-осадочных отложениях.

Нефтеобразование — стадийный, весьма длительный (обычно 50—350 млн лет) процесс, начинающийся ещё в живом веществе. Выделяется ряд стадий:

• Осадконакопление — во время которого остатки живых организмов выпадают на дно водных бассейнов;
• биохимическая — процессы уплотнения, обезвоживания и биохимические процессы в условиях ограниченного доступа кислорода;
• протокатагенез — опускание пласта органических остатков на глубину до 1,5—2 км, при медленном подъёме температуры и давления;
• мезокатагенез или главная фаза нефтеобразования (ГФН) — опускание пласта органических остатков на глубину до 3—4 км, при подъёме температуры до 150 °C. При этом органические вещества подвергаются термокаталитической деструкции, в результате чего образуются битуминозные вещества, составляющие основную массу микронефти. Далее происходит отгонка нефти за счёт перепада давления и эмиграционный вынос микронефти в песчаные пласты-коллекторы, а по ним в ловушки;
• апокатагенез керогена или главная фаза газообразования (ГФГ) — опускание пласта органических остатков на глубину более 4,5 км, при подъёме температуры до 180—250 °C. При этом органическое вещество теряет нефтегенерирующий потенциал и реализовывает метаногенерирующий потенциал.
• И. М. Губкин выделял также стадию разрушения нефтяных местозарождений.

Убедительные доказательства биогенной природы нефте-материнского вещества были получены в результате детального изучения эволюции молекулярного  состава углеводородов и их биохимических  предшественников (прогениторов) в  исходных организмах, в органическом веществе осадков и пород и  в различных нефтях из залежей. Важным явилось обнаружение в составе  нефти хемофоссилий — весьма своеобразных, часто сложно построенных молекулярных структур явно биогенной природы, то есть унаследованных (целиком или в виде фрагментов) от органического вещества. Изучение распределения стабильных изотопов углерода (¹²C, ¹³C) в нефти, органическом веществе пород и в организмах (А. П. Виноградов, Э.М.Галимов) также подтвердило неправомочность неорганических гипотез.

Тем не менее, и в настоящее  время некоторые ученые (преимущественно  в России) отстаивают неорганические гипотезы происхождения нефти. В  частности, утверждается, что к образовавшейся в древние эпохи органическим путем нефти постоянно добавляется  нефть, образующаяся неорганическим путем. Если это верно, то это означает практическую неисчерпаемость запасов нефти.

Физические свойства

Нефть — жидкость от светло-коричневого (почти бесцветная) до тёмно-бурого (почти чёрного) цвета (хотя бывают образцы даже изумрудно-зелёной нефти). Средняя молекулярная масса 220—300 г/моль (редко 450—470). Плотность 0,65—1,05 (обычно 0,82—0,95) г/см³; нефть, плотность которой ниже 0,83, называется лёгкой, 0,831—0,860 — средней, выше 0,860 — тяжёлой Плотность нефти, как и других углеводородов, сильно зависит от температуры и давления. Она содержит большое число разных органических веществ и поэтому характеризуется не температурой кипения, а температурой начала кипения жидких углеводородов (обычно >28 °C, реже ≥100 °C в случае тяжёлых не́фтей) и фракционным составом — выходом отдельных фракций, перегоняющихся сначала при атмосферном давлении, а затем под вакуумом в определённых температурных пределах, как правило до 450—500 °C (выкипает ~ 80 % объёма пробы), реже 560—580 °C (90—95 %). Температура кристаллизации от −60 до + 30 °C; зависит преимущественно от содержания в нефти парафина(чем его больше, тем температура кристаллизации выше) и лёгких фракций (чем их больше, тем эта температура ниже). Вязкость изменяется в широких пределах (от 1,98 до 265,90 мм²/с для различных не́фтей, добываемых в России), определяется фракционным составом нефти и её температурой (чем она выше и больше количество лёгких фракций, тем ниже вязкость), а также содержанием смолисто- асфальтеновых веществ (чем их больше, тем вязкость выше). Удельная теплоемкость 1,7—2,1 кДж/(кг∙К); удельная теплота сгорания (низшая) 43,7—46,2 МДж/кг; диэлектрическая проницаемость 2,0—2,5; электрическая проводимость [удельная] от 2∙10⁻¹⁰ до 0,3∙10⁻¹⁸ Ом⁻¹∙см⁻¹.