Тема 12. Сырьё химической промышленности.

Виды сырья. Нефть и природный газ. Тенденции развития сырьевой базы. Обогащение сырья (гравитационное, электромагнитное, электростатическое, термическое, флотация, концентрирование). Обогащение газов – конденсация, испарение, абсорбция, десорбция. Комплексное использование сырья. Переработка отходов. Замена пищевого сырья.

Сырьё – один из основных элементов технологического процесса, который определяет в значительной степени экономичность процесса, технику производства и качество продукта. Сырьём называют природные материалы, используемые в производстве промышленных продуктов. Вследствие роста промышленного производства и увеличения ассортимента химической продукции возникает необходимость в новых видах сырья. Сырьевая база химической промышленности непрерывно расширяется. Исходным материалом многих производств является сырьё, уже подвергшееся химической переработке, которое называется полупродуктом (полуфабрикатом). Некоторые химические производства используют в качестве сырья отходы и побочные продукты других производств.

Виды сырья. По происхождению сырьё делят на минеральное, растительное и животное. Преобладает минеральное сырьё, то есть полезные ископаемые, добываемое из земной коры. По агрегатному состоянию различают твёрдое, жидкое (нефть, солевые растворы) и газообразное (воздух, природный газ) сырьё. По составу сырьё делят на органическое и неорганическое.

Минеральное сырьё, в свою очередь, делится на рудное, нерудное и горючее (органическое). Рудным минеральным сырьём называют горные породы или минеральные агрегаты, содержащие металлы, которые могут быть экономически выгодно извлечены в технически чистом виде. Примеси, содержащиеся в руде, называют пустой породой.

Горючее минеральное сырьё, то есть органические ископаемые: уголь, торф, сланец, нефть – используют как энергетическое топливо или как химическое сырьё. Сырая нефть впервые в значительных количествах была добыта в 1880 году. С тех пор её добыча росла экспоненциально и сейчас в мировом масштабе ежегодно составляет 3,2*10⁹ м³. сырая нефть является смесью химических веществ, содержащих сотни компонентов. Основную массу нефти составляют углеводороды – алканы, циклоалканы, арены. Помимо углеводородов в составе нефти находятся смолистые и асфальтовые вещества. Все эти вещества являются нежелательными примесями нефти.

Важнейшими нефтепродуктами, получаемыми в процессе переработки нефти, являются жидкое топливо, газообразное топливо, смазочные масла, индивидуальные углеводороды (предельные, непредельные, парафины, церезины), нефтяные битумы.

Природный газ (ПГ) добывается из пластов, не содержащих нефти. Основным компонентом ПГ является метан (80-98%) и его низкие гомологи С₂-С₄ (0,5-2%). В России запасы ПГ составляют около 40% от мирового объёма разведанных месторождений.

Основные направления использования природного газа являются: I.Бытовое и промышленное топливо II.Производство: 1)кислородосодержащих соединений (формальдегид, уксусная кислота); 2)синтез-газа; 3)водорода, ацетилена, сажи; 4)растворителей и хладагентов (хлор- и фтор- производных метана); 5)нитросоединений (нитрометан, нитроэтан); производство углеводородов; 6)одним из перспективных направлений переработки ПГ является синтез углеводоров (бензина) на цеолитовом катализаторе при 320-410º С и давлении 8 МПа.

Обогащение сырья – совокупность физических и физико-химических методов обработки минерального сырья (руды, угля) для удаления пустой породы и повышения содержания основного компонента в концентрате.

Большая группа методов предназначена для обогащения твердых материалов.

Гравитационный метод – разделение, основанное на разной скорости выпадения частиц разной плотности и крупности в потоке жидкости или газа или на действии центробежной силы. Этот метод широко используется для обогащения сырья в производстве силикатных материалов, минеральных солей и в металлургии.

Электромагнитный – разделение по магнитной проницаемости, например, отделение магнитного железняка, хромистого железняка, рутила и других магнитных материалов от пустой породы.

Электростатический – разделение по электрической проводимости (отделение проводящих руд от диэлектрических пород; например, гипса, известняка, силикатов).

Флотационный – разделение взвешенных в жидкости относительно мелких частиц друг от друга (или выделение твёрдых частиц из жидкости) по их способности прилипать к вводимым в суспензию газовым пузырькам с последующим всплыванием их на поверхность жидкости и образованием пены. В суспензию вводят различные реагенты, усиливающие избирательность и прочность прилипания минеральных частиц и пузырькам воздуха. Флотация является наиболее универсальным и совершенным способом обогащения. Этим методом извлекаются из минерального сырья практически все минералы.

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

Газовые смеси разделяют на компоненты последовательной конденсаций газов при их сжатии (компрессии) и понижении температуры.

Дальнейшее совершенствование процесса обогащения сырья связано с решением ряда теоретических вопросов, а также экспериментального изучения физико-химических свойств минералов, ПАВ, их электрических свойств, воздействия различных силовых полей.

Комплексное использование сырья является одной из важнейших народнохозяйственных задач. Раньше из сырья, содержащего несколько ценных компонентов, использовался в данном производстве какой-либо один компонент, остальные же или оставались в продукте балластом, или шли в отходы (отбросы) производства. В настоящее время осуществляют комплексное использование сырья, то есть извлекают каждый ценный продукт отдельно. Это достигается двумя путями: во-первых, разделением породы на составляющие части (минералы), то есть методом обогащения сырья; во-вторых, разнообразной химической переработкой сложного сырья с выделением его составных частей виде ценных продуктов. При этом из одной горной породы можно получить различные металлы. Неметаллические элементы, кислоты, соли, строительные материалы. Например, такой принцип используют при переработке апатитонефелиновой породы. Породу измельчают и разделяют методом флотации на апатит Ca₅F(PO₄)₃ и нефелин (K,Na)₂O·Al₂O₃·2SiO₂. из апатита получают: гипс, цемент, фосфорную кислоту и её соли, фосфорные удобрения. Из нефелина получают: цемент, поташ. Соду, ванадий, алюминий, гелий, титан* (*-содержится в небольших количествах).

Примерами комплексного использования материалов могут служить: коксование угля с сопровождающимся его химическими производствами; переработка нефти; сланца; торфа и древесины.

Проблема комплексного использования сырья тесно связана с важнейшими вопросами экономики химической промышленности – комбинированием предприятий. Это наиболее прогрессивная форма организации производства. В нашем городе таким примером является Марийский ЦБК. Комплексное использование сырья и комбинирование предприятий позволяют решить вопрос переработки отходов производства.

Замена пищевого сырья непищевым. Успехи органической химии позволяют производить ряд ценных органических продуктов из самого разнообразного сырья. Так, например, этиловый спирт, используемый в громадных количествах в производстве синтетического каучука, искусственных волокон, пластмасс, взрывчатых веществ, эфиров, можно получать из пищевых продуктов (зерна, картофеля, сахарной свеклы), гидролизом древесины и гидратацией этилена. Этилен же, в свою очередь, получается при химической переработке природных газов, нефти и других видов топлива. Вначале пищевое сырьё в производстве спирта стала вытеснять древесина. Из одной тонны древесины при гидролизе получается около 160 кг этилового спирта, что заменяет 1,6 тонны картофеля или 0,6 тонны зерна. Производство гидролизного спирта обходится дешевле, чем из пищевого сырья. При комплексной химической переработке древесина используется вместо пищевого сырья также в производстве глицерина, кормового сахара, кормовых дрожжей, уксусной, лимонной и молочной кислот и других продуктов. Особенно быстро развивается производство синтетического спирта гидратацией этилена. Таким образом, растительное сырьё вытесняется неисчерпаемыми запасами минерального сырья. Себестоимость синтетического спирта из нефтяных газов в три раза ниже, чем из пищевого сырья. Значительно развивается также производство синтетического каучука из бутан-бутиленовой фракции попутных нефтяных газов, поэтому этиловый спирт потерял доминирующее значение в производстве синтетического каучука. Из продуктов переработки газов и нефти ныне вырабатывают также уксусную кислоту, глицерин и жиры для производства моющих средств. При этом экономится громадное количество пищевого сырья и получается более дешёвая продукция.

Растительное и животное сырьё уже вытеснено в основном минеральным синтетическим в производстве красителей, лаков, лекарственных веществ, душистых веществ, большинства пластмасс. На очереди стоит получение из непищевых веществ основных продуктов питания: крахмала и сахара, и, наконец, синтез составных частей белков. Ныне уже получают биохимическим превращением продуктов нефтеперерабатывающей промышленности и целлюлозно-бумажной промышленности белковые дрожжи для корма скота.