8.5 Понятие о химико-технологическом процессе.

Для получения той или иной продукции необходимо: сырье, основные, вспомогательные материалы, определенная технология, т.е. технологический процесс, оборудование, энергия, трудовые ресурсы, система управления. В результате проведенного химико-технологического процесса имеем определенную продукцию и очень часто отходы производства. Находят применение также вторичные материальные ресурсы: отходы производства, отходы потребления и побочные продукты. Химико-технологический процесс может быть разделен на ряд следующих взаимосвязанных элементарных операций: подвод реагирующих компонентов в зону реакций; химические реакции; отвод полученных продуктов из зоны реакции. Чтобы устранить побочные явления и получить продукт высокого качества, исходные вещества подвергают очистке от посторонних примесей ( подготавливают ), пользуясь методами, основанными на различии физических свойств (растворимость в различных растворителях, плотность, температуры конденсации и кристалли-

зации). Такой подготовке подвергаются: сырье, основные, вспомогательные материалы, вторичные материальные ресурсы: отходы производства; отходы потребления и побочные продукты.

Сырье – продукты природы, которые не подвергались промышленной переработке. Например, руда, зерно, каменный уголь, сланцы.

Основные материалы – сырье и материалы, подвергшие-

ся промышленной переработке не на данном предприятии, а поступающие со стороны, с других предприятий. Например: основные материалы – агломерат и окатыши, применяемые в производстве чугуна.

Вспомогательные материалы – материалы, которые не входят в состав продукции, но способствуют ее получению. Например, вспомогательные материалы – катализаторы, промыв-

ные жидкости и т.д.

Полупродукты (полуфабрикаты) – это исходные матери-

алы, сырье, предварительно подвергшиеся промышленной переработке на данном предприятии. Например, полуфабрикаты – ткань, раскроенная в магазине, для пошива в домашних (или в другом месте) условиях платья; мясной фарш, очищенные овощи, продаваемые в домовой кухне, для использования в домашнем хозяйстве.

Вторичные материальные ресурсы - это отходы произ-

водства, отходы потребления и побочные продукты.

Отходы производства - это остатки сырья, материалов и полупродуктов, образующиеся в процессе получения продук-

ции, которые частично или полностью утратили свои качества и не соответствуют стандартам. В зависимости от свойств и состава выделяют четыре основные группы отходов предприятий, вторичные материальные ресурсы: близкие к исходному сырью; близкие к целевым продуктам; близкие к сырью других производств или отраслей; безвредные или обезвреженные отходы. К первой группе относят отходы, из которых можно извлечь непрореагировавшее сырье или промежуточные продукты и вернуть их обратно в цикл, зачастую после регенерации. Ко второй группе принадлежат отходы, которые после определенных операций могут быть доведены до товарных кондиций и проданы. К третьей группе относят отходы, пригодные для переработки на других производствах, в других отраслях. К четвертой группе относят безвредные или обезвреженные в результате тех или иных процессов отходы, направляемые непосредственно в окружающую среду, их можно выбрасывать в атмосферу, закапывать либо затоплять в морях и океанах.

Отходы потребления –это бывшие в употреблении изделия и вещества, восстановление которых экономически нецелесообразно, например, полностью изношенные, выбывшие из строя машины, изделия производственного назначения из стекла, резины, пластмасс, отработанные реактивы, катализаторы; пришедшие в негодность изделия домашнего обихода и личного потребления. Отходы потребления можно использовать для получения какой-то продукции. Например, 1000 кг макулатуры позволяют получить 700 кг бумаги; производство стекла из битого (вторичного сырья) в 3 раза дешевле. В Финляндии более 78% пустых алюминиевых банок из под пива пускается в дело. В США на поточных линиях перерабатывают более 300 тысяч старых автомашин в год. При этом из них получают около 1 млн. тонн алюминия и 500 тысяч тонн пластмасс в год. В США при ежегодной выплавке 80-82 млн. тонн стали машиностроение дает 25 млн. тонн скрапа. При этом весь скрап полностью используется, причем более 30% стали получают в электрических печах из скрапа. Стоимость скрапа примерно в двое ниже стоимости чугуна. К тому же: использование 1 млн. тонн скрапа эквивалентно переработке 1.5 млн. тонн железной руды и 350 тыс. тонн угля при условии одинакового количества стали. Причем на 86% уменьшаются отходы, способствующие загрязнению атмосферы и воды; на 40% сокращается расход воды и на 97% отходы производства, и к тому же энергия экономится в 10 раз. Использование вторичного сырья очень экономично. Например, энергоемкость производства алюминия из вторичного сырья в 20 раз меньше, а стали в 10 раз ниже, чем из первичного сырья. Капитальные вложения при переработке вторичного сырья примерно в 4 раза меньше, чем при переработке первичного. Использование вторичных материальных ресурсов не только экономит традиционное сырье, но и снижает загрязнение окружающей среды.

Ко вторичным материальным ресурсам помимо отходов потребления и производства относят также и побочные продукты. Побочные продукты образуются в процессе переработки сырья наряду с основными продуктами производства, но не являются целью производственного процесса. Однако побочные продукты могут быть использованы в качестве готовой продукции. Те побочные продукты, которые получаются при добыче или обогащении основного сырья принято называть попутными. Например, попутный газ. В качестве примера побочного продукта можно назвать селен в производстве H₂ SO₄. В качестве сырья при этом используется FeS₂ – пирит, серный колчедан. Обжиговый газ очищается, из него отводится с помощью абсорбента (разбавленной Н₂ SO₄ ) окись селена, из которой получают полупроводник – селен. К побочным продуктам можно отнести также не только какие-то вещества, но и также теплоносители, например, водяной пар, горячую или холодную воду.

Надо иметь в виду, что сырье, основные, вспомогатель-

ные материалы могут проходить предварительную подготовку. В подготовку сырья входят такие операции, как: измельчение, дробление (для твердых материалов); обогащение сырья; смешение сырья различных партий и т.д.. Очень важное значение отводится обогащению сырья. Обогащение сырья, т.е. повышение концентрации нужного элемента в сырье, имеет важное значение, т.к. несмотря на дополнительные расходы оно позволяет: расширить сырьевую базу за счет использования бедного по содержанию нужного элемента сырья, например руд; более полно использовать производственное оборудование при применении высококонцентрированного сырья, повысить его производительность; уменьшить транспортные расходы; улучшить качество готовой продукции ( удаляются примеси, меньше идут побочные реакции ); уменьшить отходы, т.е. значительно снизить загрязненность воздушного и водного бассейнов; уменьшить себестоимость продукции (например: производство чугуна, меди). Наиболее широко применяют следующие методы обогащения:

1.Механическое обогащение (грохочение; гравитационное, т.е. воздушное или гидравлическое разделение; электромагнитная сепарация).

2.Флотационное обогащение основано на различной смачиваемости компонентов, входящих в состав сырья. В емкость загружают мелкоизмельченную минеральную массу, добавляют флотореагент и воду; туда же подают воздух в виде пузырьков. Минеральная часть, концентрат остается на дне, а хвосты (пустая порода) всплывает наверх или наоборот.

3. Химические способы обогащения основаны на различной растворимости частей сырья в том или ином растворителе (например, разделение золота и серебра в рудах путем взаимодействия их со ртутью, цианистым Na или Cl₂.

3. Тепловые методы обогащения это выпаривание, вымораживание, сушка.

3. Физико-химические методы обогащения -абсорбция, адсорбция, ректификация, экстракция.

На ХХ век приходится около 85% добычи меди, 87% - железной руды; 90% угля, 99,5% нефти. Надо учитывать, что сырье в себестоимости продукции составляет до 85% . Поэтому рациональное использование сырья в наших трудных условиях весьма важная задача. Основные направления в решении сырьевой проблемы следующие: изыскание и применение более дешевых видов сырья; применение концентрированного, обогащенного сырья; замена пищевого сырья и растительного – минеральным; использование отходов производства в качестве сырья (шлаки и скрап в черной и цветной металлургии, смолы в перегонке угля); комплексное использование сырья. Примером комплексного использования сырья может служить коксохимическое производство, где из твердого топлива получают: кокс, коксовый газ, аммиак, сероуглерод, а также сотни органических соединений, являющихся сырьем для получения пластмасс, химических волокон, красителей, ВВ и лекарственных препаратов. Другим примером комплексного использования сырья является переработка нефелиновых руд – сырья для получения Al. Нефелиновый концентрат содержит (28.5-29.0 %) Al₂ O₃ и кремнезема > 40%. При переработке извлекают нефелиновый концентрат, щелочи, содовые продукты, цемент. На основе щелочей получают кальцинированную соду, Na₂ CО₃, K₂ CО₃, поташ и другие соли, диоксид титана. Диоксид титана – используется для получения белой краски. Важной проблемой при любом производстве является проблема охраны окружающей среды. Благодаря комплексной переработке сырья повышается экономическая эффективность его использования, снижается себестоимость основных продуктов производства, решаются в определенной степени и вопросы охраны окружающей среды.

Предварительно подготовленное сырье, вторичные матери-

альные ресурсы подвергается химическому взаимодействию, включающему часто несколько этапов, стадий. В результате химических реакций получают смесь продуктов (целевых, побочных) и непрореагировавших реагентов. Заключительные операции связаны с разделением этой смеси. Для оценки эффективности химико-технологичеких процессов, так и всего производства в целом используют такие экономические показатели, как расходные коэффициенты, себестоимость, рентабельность и т.д. Для оценки эффективности отдельных этапов процесса помимо общих экономических показателей необходимо использовать критерии эффективности, которые бы полно отражали химическую и физико-химическую сущность явлений. В качестве таких показателей применяют: степень превращения ( конверсия), выход продукта, селективность.

Степень превращения – показывает насколько полно в химико-технологическом процессе используется сырье, иначе степень превращения это доля исходного реагента, использованного на химическую реакцию.

Выход продукта – это отношение реально полученного количества продукта к максимально возможному его количеству, которое могло быть получено при данных условиях осуществления химической реакции.

Селективность – отношение количества исходного реагента, расходуемого на целевую реакцию, к общему количеству исходного реагента, пошедшего на все реакции (и целевую и побочные).

Для оценки эффективности цехов, заводов, отдельных аппаратов используют производительность аппарата, мощность, интенсивность.

Производительность- количество продукции, полученное в единицу времени на отдельном аппарате, цехом, заводом, предприятием.

Мощность -это производительность максимально возможная для данного агрегата, машины , предприятия.

Интенсивность – производительность, отнесенная к какой-либо величине, характерной для аппарата – его объему, площади поперечного сечения, или к единице объема катализатора; массы катализатора.