Тема 1. Общие сведения о химической технологии. Сырье химической технологии

ТЕМА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ. СЫРЬЕ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

План лекции:

1.1 Основные понятия и определения.

1.2 Химическое производство и химико-технологический процесс, классификация.

1.3. Сырье химической промышленности

1.4. Водоподготовка

 

1.1. Основные понятия и определения

Объектом исследования химической технологии является химическое производство.

Химическое производство – совокупность процессов переработки сырья в нужные продукты с использованием химических превращений, осуществляемых в предназначенных для этого машинах и аппаратах.

Собственно совокупность операций и процессов переработки сырья в продукты называют химико-технологическим процессом

Химико-технологический процесс – последовательность химических и физико-химических процессов целенаправленной переработки исходных веществ в продукт.

Поясним это на примере промышленного синтеза аммиака из азота и водорода. Аммиак образуется в химическом процессе при протекании химической реакции N₂ + 3H₂ =2NH₃. Превращение осуществляют при температуре 425 – 550°С и давлении 30 МПа. Из-за обратимости реакции исходная азотоводородная смесь не превращается полностью, и прореагировавшая смесь содержит как продукт реакции – аммиак, так и непрореагировавшие азот и водород. Образовавшийся аммиак выделяют из смеси путем охлаждения, и сконденсировавшийся аммиак отделяют от газообразных компонентов (азота и водорода). Конденсация – физико-химический процесс. Непрореагировавшие азот и водород возвращают в реактор, предварительно их сжимая в компрессоре, этот процесс механический. Нагрев и охлаждение потоков, осуществляемые при этом, - теплообменные процессы. Совокупность указанных операций в их последовательности, реализующих промышленное получение аммиака из водорода и азота, есть химико-технологический процесс синтеза аммиака.

Но для того, чтобы иметь исходные вещества для синтеза аммиака, надо сначала получить водород из природного газа и воды, а азот выделить из воздуха. Совокупность процессов и операций для превращения природного газа, воды и воздуха в аммиак – химико-технологический процесс производства аммиака. Как часть он в себя включает и химико-технологический процесс синтеза аммиака.

В зависимости от основного назначения в совокупном химико-технологическом процессе выделяют виды отдельных процессов и операций с соответствующими им аппаратами и машинами.

Механические и гидромеханические процессы – перемещение материалов, изменение их формы, размеров, сжатие и расширение, смешение и разделение потоков. Все они протекают без изменения химического и фазового состава обрабатываемого материала. Для этих процессов предназначены транспортеры, питатели, дробилки, диспергаторы, формователи, компрессоры, насосы, смесители, фильтры.

Теплообменные процессы – нагрев, охлаждение, изменение фазового состояния. Химический состав веществ в них не меняется. Они протекают в теплообменниках, кипятильниках, конденсаторах, плавилках, сублиматорах.

 

 

Подготовка химического сырья к переработке

Сырье, предназначенное для переработки в готовую продукцию, должно удовлетворять определенным требованиям. Это достигается комплексом операций, составляющих процесс подготовки сырья к переработке.

Целью подготовки сырья является процесс придания ему состава и свойств, обеспечивающих оптимальное протекание химико-технологического процесса его переработки.

В комплекс операций по подготовке сырья входят: классификация, измельчение (или укрупнение), обезвоживание, обогащение. В местах добычи сырья строят крупные обогатительные фабрики, комплексно применяющие различные методы подготовки сырья Методы обогащения различны для твердых материалов, жидкостей и газов.

Минералами называются физически обособленные вещества или смеси веществ в природе. В природе насчитывается более 2500 минералов, включающие органические и неорганические вещества. Одни и те же вещества могут быть в составе разлиичных минералов. Перед обогащением горная порода измельчается.

Измельчением называется механический процесс деления твердого тела на части за счет приложения внешних сил. Измельчение производят методами удара, раздавливания и истирания. Измельчение до частиц 10^-3м называется дроблением и осуществляется в дробилках. Далее проводят классификацию или рассеивание материала.

Классификацией называется процесс разделения однородных сыпучих материалов на фракции (классы) по размерам составляющих их частиц. Рассеивание осуществляется методом грохочения на металлических ситах, называемых грохотами. Можно пропустить материал через несколько грохотов со все уменьшающимися отверстиями и получить несколько фракций. Рассеивание применяется и для сортировки по крупности зерен более или менее однородного состава, так делят уголь. Применяют плоские и цилиндрические грохоты. Классификацию можно осуществить помимо грохочения разделением смеси частиц по скорости их осаждения в жидкой фазе (гидравлическая классификация), разделением смеси частиц по скорости их осаждения в воздухе с помощью сепараторов (воздушная классификация).

Обезвоживание материала достигается методами стекания, отстаивания (жидкая система) и сушки.

Обогащением называется процесс отделения полезной части сырья от пустой породы с целью повышения концентрации полезного компонента. В результате обогащения сырье разделяется на концентрат полезного компонента и хвосты с преобладанием в них пустой породы.

Количественными показателями процесса обогащения являются:

1. Выход концентрата - отношение массы полученного концентрата m_к к массе обогащаемого сырья m_с : η_к =m_k/m_c

2. Степень извлечения полезного компонента - представляющая отношение массы полезного

компонента в концентрате m_кк к его массе в обогащаемом сырье. Х _и = m_kk/m_kc

3. Степень обогащения сырья – отношение массовой доли полезного компонента в концентрате к массовой доле его в обогащаемом сырье.

Х₀= μ /μ_кс

Выбор метода обогащения зависит от агрегатного состояния и различия свойств компонентов сырья. При обогащении твердого сырья используются механические, химические и физико-химические методы.

К механическим методам обогащения относятся:

– гравитационные, основанные на различной скорости оседания частиц различной плотности и размеров в потоке газа или жидкости, или в поле центробежной силы;

– электромагнитные, основанные на различной магнитной проницаемости компонентов сырья;

– электростатические, основанные на различной электрической проводимости компонентов сырья.

Гравитационные способы широко применяются для обогащения сырья в производстве силикатных материалов, минеральных солей и в металлургии. Существует много типов машин мокрого гравитационного обогащения, основанного на оседании частиц в потоке: гидравлические классификаторы, гравиемойки, концентрационные столы, отсадочные машины и т.п. Очень эффективно применение центробежных гидравлических классификаторов. Примером такого классификатора может служить гидроциклон.

Электромагнитное обогащение происходит в магнитных сепараторах. Применяется для отделения магнитного железняка, хромистого железняка от пустой породы.

Электростатические сепараторы применяются для отделения электропроводных руд от диэлектрических пород: известняка, гипса и др.

Химические с пособы обогащения основаны на применении реагентов, которые избирательно растворяют одно из веществ, составляющих смесь, или образуют с одним из веществ соединения, легко отделяемые от других при плавлении, испарении, осаждении раствора. Пример, обжиг минералов для разложения карбонатов, удаление кристаллизационной влаги, выжигание органических примесей.

К физико-химическим методам обогащения относится наиболее распространенный метод флотации. Флотацией называется метод обогащения твердого сырья, основанный на различии в смачиваемости его компонентов. На обогатительных фабриках флотационным методом разделяют на несколько фракций полиметаллические сульфидные руды, отделяют апатит от нефелина, обогащают каменные угли.

Основным показателем смачиваемости минералов служит величина краевого угла смачивания, образующегося на твердой поверхности вдоль периметра смачивания, т.е. вдоль линейной границы раздела твердое тело – жидкость – воздух. Жидкость образует с несмачиваемой частицей тупой угол, а со смачиваемой частицей – острый. Силы поверхностного натяжения стремятся выровнять уровень жидкости, в результате этого несмачиваемая частица выталкивается, а смачиваемая погружается. Результат флотации зависит от различия в гидрофобности компонентов обогащаемого сырья. При

флотации в систему вводят флотоагенты: ПАВ, активаторы, регуляторы рН среды и т.п.

Термическое обогащение. Основано на различной плавкости материалов, входящих в смесь. При нагревании легкоплавкие материалы вытекают из породы в жидком виде, так выплавляют серу из известняка, гипса.

Жидкости, точнее жидкие растворы, концентрируются выпариванием растворителя, донасыщением раствора полезным компонентом, выделением каких-либо компонентов в осадок (кристаллизация) или в газовую фазу (десорбция). Для разделения жидких смесей применяется экстракция.

Выпаривание воды применяется в производстве минеральных солей и щелочей, в цветной металлургии, для концентрирования труднолетучих кислот. Для концентрирования природных рассолов используют как испарение воды, так и вымораживание ее в зимнее время.

Газовые смеси разделяются на отдельные компоненты следующими способами:

1) последовательной конденсацией газов при сжатии и понижении температуры;

2) последовательным испарением газов из предварительно сжиженной их смеси;

3) абсорбционно-десорбционным;

4) адсорбционно-десорбционным методом.

Комплексное использование сырья является очень важной задачей.

Многие горные породы, сложные минералы, включающие многокомпонентные смеси органических веществ, подвергаются комплексной переработке. При этом из одной породы можно получить различные металлы, неметаллические элементы, кислоты, соли, строительные материалы. Таким образом, комплексная переработка приводит к комбинации различных производств. Примером может служить схема переработки апатитонефелиновой породы, громадные залежи которой имеются на Кольском полуострове. Породу измельчают и разделяют методом флотации на апатит Са₅F(PO₄)₃ и нефелин (КNa)₂O*Al₂O₃*2SiO₂. Нефелиновая фракция содержит нефелин, немного апатита и титаномагнетита и небольшое количество минералов, включающих редкие металлы. Химическая переработка нефелина разработана и успешно осуществлена на металлургических заводах РФ, которые по существу являются металлургическо-химическо-цементными предприятиями. Разработаны и осуществлены на различных предприятиях отдельные операции переработки апатита.

 

Схема комплексного использования апатитонефелиновой породы

 

Вопросы для самоконтроля

1.Что такое «химическое производство» и «химико-технологический процесс»?

2. Для каких целей используется вода и воздух в химической промышленности?

3. Что такое обогащение сырья и зачем его применяют?

4. Свойства природных вод.

5. Стадии промышленной водоподготовки.

6. Что такое жесткость и как ее удаляют?

7. В чем заключается метод ионного обмена?

8. Что такое водооборотный цикл, его виды и назначение в химическом производстве?

ТЕМА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ. СЫРЬЕ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

План лекции:

1.1 Основные понятия и определения.

1.2 Химическое производство и химико-технологический процесс, классификация.

1.3. Сырье химической промышленности

1.4. Водоподготовка

 

1.1. Основные понятия и определения

Объектом исследования химической технологии является химическое производство.

Химическое производство – совокупность процессов переработки сырья в нужные продукты с использованием химических превращений, осуществляемых в предназначенных для этого машинах и аппаратах.

Собственно совокупность операций и процессов переработки сырья в продукты называют химико-технологическим процессом

Химико-технологический процесс – последовательность химических и физико-химических процессов целенаправленной переработки исходных веществ в продукт.

Поясним это на примере промышленного синтеза аммиака из азота и водорода. Аммиак образуется в химическом процессе при протекании химической реакции N₂ + 3H₂ =2NH₃. Превращение осуществляют при температуре 425 – 550°С и давлении 30 МПа. Из-за обратимости реакции исходная азотоводородная смесь не превращается полностью, и прореагировавшая смесь содержит как продукт реакции – аммиак, так и непрореагировавшие азот и водород. Образовавшийся аммиак выделяют из смеси путем охлаждения, и сконденсировавшийся аммиак отделяют от газообразных компонентов (азота и водорода). Конденсация – физико-химический процесс. Непрореагировавшие азот и водород возвращают в реактор, предварительно их сжимая в компрессоре, этот процесс механический. Нагрев и охлаждение потоков, осуществляемые при этом, - теплообменные процессы. Совокупность указанных операций в их последовательности, реализующих промышленное получение аммиака из водорода и азота, есть химико-технологический процесс синтеза аммиака.

Но для того, чтобы иметь исходные вещества для синтеза аммиака, надо сначала получить водород из природного газа и воды, а азот выделить из воздуха. Совокупность процессов и операций для превращения природного газа, воды и воздуха в аммиак – химико-технологический процесс производства аммиака. Как часть он в себя включает и химико-технологический процесс синтеза аммиака.

В зависимости от основного назначения в совокупном химико-технологическом процессе выделяют виды отдельных процессов и операций с соответствующими им аппаратами и машинами.

Механические и гидромеханические процессы – перемещение материалов, изменение их формы, размеров, сжатие и расширение, смешение и разделение потоков. Все они протекают без изменения химического и фазового состава обрабатываемого материала. Для этих процессов предназначены транспортеры, питатели, дробилки, диспергаторы, формователи, компрессоры, насосы, смесители, фильтры.

Теплообменные процессы – нагрев, охлаждение, изменение фазового состояния. Химический состав веществ в них не меняется. Они протекают в теплообменниках, кипятильниках, конденсаторах, плавилках, сублиматорах.