Лекция 4.
Сырье в химическом производстве. Методы обогащения сырья
ПРОБЛЕМА СЫРЬЯ В ОБСТАНОВКЕ ИСТОЩЕНИЯ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ
Динамичный рост народного хозяйства приводит к ускоренному потреблению всех видов ресурсов (материальных, энергетических, финансовых и др.).
К ресурсам химико-технологических систем относят:
- сырье,
- энергию,
- труд,
- финансы
- фонды (оборудование).
Наиболее универсальным и ценным сырьем для химической и нефтехимической промышленности являются горючие полезные ископаемые:
- нефть,
- уголь,
- природные газы
- попутные газы
- полиметаллические руды
- фосфориты.
Выбор сырья для проектируемого процесса будет определяться уровнем эффективности использования основных видов ресурсов. Создание нового продукта начинается с исследования возможных схем получения молекулы заданной структуры, так как химическая реакция определяет вид (виды) используемого сырья. Следующим этапом является систематизация реакций по признакам условий проведения процесса, используемых типов катализаторов, методов подготовки сырья и способов выделения целевого продукта из реакционной смеси. Далее следует операция отбраковки вариантов, для которых непригодность по тому или иному критерию очевидна. Оставшиеся варианты принимаются к дальнейшей разработке, первым этапом которой становится лабораторное исследование. В результате исследования могут быть получены первичные данные (скорость реакции, конверсия, селективность) для определения необходимых оценок сопоставляемых альтернативных процессов. Расчет себестоимости, показателя приведенных затрат, показателя эффективности использования ресурсов позволяет сделать окончательный выбор.
При отбраковке альтернативных вариантов сырья следует учитывать ожидаемый объем производства, содержание полезного компонента в сырье, величину конверсии и селективности, скорость реакции, количество побочных продуктов и их чистоту, число химических стадий, стоимость и доступность сырья, ресурсоемкость, наличие стоков и выбросов.
Остановимся только на проблемах использования сырьевых и энергетических ресурсов в промышленном органическом синтезе. За десятилетие мировое потребление нефти, газа и угля возрастает почти вдвое, а потребность в энергии удваивается каждые 12-14 лет. Что касается добычи нефти, то в настоящее время наметилась тенденция к ее стабилизации и даже некоторому снижению до уровня 3 млрд т в год [1].
Около 70% нефти и 50% угля, извлеченных из недр, добыты за последние 15-20 лет. Естественно, что все это привело к истощению богатых месторождений, расположенных в европейской части нашей страны. Горнодобывающая промышленность уже ориентируется на эксплуатацию все более бедных месторождений ископаемых, химический и минералогический составы которых меняются не только по географическим районам, но и в пределах площади отдельных месторождений.
Перерабатывающие предприятия вынуждены приспосабливаться к частому изменению содержания целевых компонентов и вида примесей в сырье. Такая ситуация становится характерной для многих основных видов химического сырья: нефти, полиметаллических руд, фосфоритов и др.
Добыча угля, газа, нефти переместилась в районы Сибири, что связано с большими капитальными вложениями в освоение месторождений и большими затратами на транспортировку сырья. Все это привело к удорожанию стоимости самого сырья (газа, нефти, угля) и стоимости получаемых из него продуктов (бензина, дизельного топлива, пластических масс, синтетических волокон, синтетических каучуков). Например, средняя себестоимость добычи одного кубометра природного газа возросла за 20 лет в 8-10 раз, а расходы, связанные с его транспортировкой, - в 2-4 раза. В целом капитальные вложения на единицу прироста продукции в добывающей промышленности в 3 раза выше, чем в перерабатывающей.
Дальнейшее развитие химической промышленности будет осуществляться в условиях, при которых сырьевые и энергетические ресурсы уже не могут считаться неистощимыми. Поэтому на каждом новом этапе развития химии должны быть найдены иные пути экономии сырья и энергии за счет поиска и реализации принципиально новых технологических решений, а также создания высокопроизводительного оборудования и более совершенных производственных систем.
Все сказанное заставляет пересмотреть сложившиеся взгляды, по-новому оценить проблемы бережного комплексного использования сырья, вторичных материальных и энергетических ресурсов, отходов производства.
КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЫРЬЯ
Комплексная переработка сырья - это использование всех минеральных составляющих сырья путем превращения их в полезные продукты за счет совмещения нескольких производств внутри одного предприятия.
Природное сырье в своем составе кроме полезного компонента обычно содержит примеси других веществ, причем количество последних может колебаться в достаточно широких пределах и зачастую во многом превышать содержание полезного компонента. Так, например, количество минеральных примесей (золы) в углях иногда достигает 50%, а в горючих сланцах эти примеси могут составить 95%.
Апатито-нефелиновые руды как источник фосфатного сырья содержат лишь 15 мас. % Р2О5 . Остальные 85% представлены Al2O3 , TiO2 , SiO2 и другими компонентами. Поэтому основным направлением в решении проблемы экономии сырья являются разработка и применение комплексных методов его переработки.
Так, при конверсии природного газа наряду с водородом для синтеза NH3 получают диоксид углерода, который в процессе синтеза NH3 не применяется. Поэтому обычно совмещают производство аммиака с получением карбамида (мочевины):
2NH3 + CO2→ CO(NH2)2 + H2O
На основе комплексного использования концентратов цветных металлов организовано крупное производство таких металлов, как кадмий, висмут, индий, рений, селен, теллур, а также других рассеянных элементов [2].
ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ
С комплексным использованием сырья соприкасаются проблема переработки и утилизации побочных продуктов и отходов производств и применение их в качестве вторичных материальных ресурсов. Почти в каждом химическом производстве кроме целевого продукта образуются вещества, которые не находят применения и идут в отходы производства. Причины появления отходов самые различные: примеси в сырье, низкая селективность сложных реакций, многокомпонентность сырья. В отходы идут также отработанные вспомогательные материалы (катализаторы, растворители, экстрагенты и др.). На каждом предприятии обычно образуются три вида отходов: жидкие, твердые и газообразные.
Твердые отходы хранятся в отвалах, постепенно накапливаясь на территории предприятия. Их сжигают, закапывают и сбрасывают в старые выработки. Между тем в отвалах содержатся миллионы тонн веществ, которые путем механической, термической или химической обработки можно превратить в полезные продукты.
Интересным примером реализации этой идеи служит использование крупнотоннажного отхода производства целлюлозы - технического гидролизного лигнина (прир. полимер; входит в состав почти всех наземных растений и по распространенности среди природных высокомолекулярных соединений уступает только полисахаридам). Технический лигнин представляет собой сложный многофазный и полидисперсный твердый материал, в состав которого кроме лигнина входят трудно гидролизуемые полисахариды, смолы, гуминовые вещества, влага. Наиболее интересным компонентом этой смеси является сам лигнин - природный полимер, обладающий сложной структурой, содержащей ароматические циклы.
Его переработка может проводиться в трех направлениях:
1) использование лигнина после механической и тепловой обработки в натуральном виде;
2) термическая переработка (сжигание);
3) химическое модифицирование.
После сушки и измельчения лигниновая мука применяется в качестве наполнителя пластмасс взамен сажи, древесной муки, а также позволяет полностью исключить из рецептуры каркасных резин остродефицитную белую сажу.
Термическое сжигание нецелесообразно, так как компоненты этого отхода обладают определенными потребительскими свойствами, в частности ярко выраженной сорбционной способностью, которая может быть усилена путем химического модифицирования.
Процессами нитрования, хлорирования и сульфирования лигнин перерабатывается в такие продукты, как коллоктивит (аналог активированного угля марки Б), нитролигнин (регулятор структурно-механических свойств бурильных растворов), хлорлигнин (заменитель природных дубителей, адсорбент для извлечения редкоземельных металлов из растворов), лигнофенолформальдегидные смолы (продукт конденсации с фенолом) и т.д.
Отходящие газы содержат такие компоненты, как СО, СО2 , NO, NO2 , SO2 , H2S. Состав отходящих газов зависит от характера производства. Эти газы отравляют атмосферу, снижают плодородие почвы, губят посевы. Наиболее опасным компонентом отходящих газов считается сернистый ангидрид, который взаимодействует в воздухе с парами воды и выпадает на землю в виде кислотных дождей, что губительно действует на здоровье людей, посевы и постройки. Только промышленные предприятия ежегодно выбрасывают в атмосферу около 160 млн т SO2 , из них около 70% поставляют теплоэнергетические установки, 15% - предприятия черной и цветной металлургии и 15% - химическая и нефтеперерабатывающая промышленность.
Используя только отходящие газы цветной металлургии, получают серную кислоту - более 25% всего производства ее в стране.
Сточные воды, сбрасываемые в водоемы, содержат вредные органические и неорганические вещества. Они снижают содержание кислорода в воде, губительно действуют на флору и фауну водоемов. Таким образом, проблема отходов тесно связана с защитой окружающей среды.