Тут есть жесткость воды

2. СЫРЬЁ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Химическая промышленность перерабатывает огромные массы сырья, расходует большие количества воды, топлива и энергии.

Сырьё является одним из элементов, определяющих в значительной степени технологию производства, себестоимость и качество продукта. Стоимость сырья в среднем по химической промышленности составляет 60-70% себестоимости продукции. Поэтому расходовать его нужно экономно, изыскивать и применять дешёвое сырье, по возможности использовать все компоненты сырья. С целью сокращения затрат на транспортировку необходимо на месте добычи сырья подвергать его обогащению и концентрированию. При изучении данной темы необходимо обратить особое внимание на основные направления в решении сырьевой проблемы. В химико-технологических процессах широко используются различные виды энергии (тепловая, электрическая, химическая и другие). Затраты на энергию составляют до 10% затрат на производство продукции. С целью удешевления химической продукции необходимо максимально использовать вторичные энергетические ресурсы – отходящие газы, горячие жидкости, пар и другие.

Для количественной оценки и анализа процессов, сравнения способов производства, выбора реакционных аппаратов проводят технологические расчёты. Необходимо уяснить принцип расчёта расходных коэффициентов, коэффициентов использования сырья и энергии.

2.1.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

В производстве химических продуктов различают исходные вещества (сырьё), промежуточные продукты (полупродукты), готовые продукты, побочные продукты и отходы производства.

Сырьё (сырой материал) – это исходные вещества, используемые в производстве промышленных продуктов. Например, сырьём для получения сланцевого масла служит горючий сланец, для производства бензина и других моторных топлив – нефть, этилового спирта – древесина, зерно, картофель.

«Технологическое» сырьё – это сырьё, прошедшее ряд стадий обработки (обогащение, измельчение и т.п.). Например, измельчением древесины получают древесную щепу, которая служит технологическим сырьём для производства древесных плит; обогащением сланца получают технологический сланец, который идёт как сырьё на сланцехимические предприятия.

Полупродукт (полуфабрикат) – это материал, который получен в результате одной или нескольких стадий обработки сырья на данном предприятии и предназначенный для дальнейшей обработки и изготовления из него готовой продукции. Например, продукт производства аммиак может выступать как в качестве конечного продукта - удобрения, непосредственно вносимого в почву, так и полупродукта - сырья для производства азотной кислоты или карбамида.

Вспомогательные материалы – это материалы, которые не входят в состав готовой продукции, а только способствуют её формированию. К ним относят катализаторы, растворители, смазочные материалы, тара и т.п.

20

Готовый продукт – это результат производства, имеющий заданные свойства и готовый к потреблению.

Побочные продукты – это продукты, которые образуются в процессе переработки сырья наряду с основными продуктами производства, но не являются целью производственного процесса. Однако побочные продукты могут быть использованы и в качестве готовой продукции. Например, при взаимодействии олефинов с оксидом углерода и водородом (процесс оксосинтеза) в качестве основных продуктов реакции получают альдегиды (бутаналь и изобутаналь), а в качестве побочных продуктов образуются бутиловый и изобутиловый спирты.

Отходы производства - это побочные продукты, которые не находят применения на данном производстве. Они могут служить сырьем при производстве других продуктов. Большинство химических производств характеризуются образованием значительного количества отходов. Использование отходов одного производства в качестве сырья в других производствах снижает себестоимость продукции и способствует охране окружающей среды. Например, при термической переработке сланца в газогенераторах образуется большое количество коксозольного остатка. Небольшое его количество используют в качестве добавки при производстве цемента, а остальную массу складируют в отвалах.

2.2.СЫРЬЁ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

2.2.1. Классификация и виды сырья

Сырьё является неотъемлемым элементом любого химико-технологического процесса. Источниками сырья для химической промышленности являются природные материалы, полупродукты и вторичное сырьё (отходы).

Сырьё химической промышленности классифицируют по различным признакам:

по происхождению

первичное и вторичное;

минеральное, растительное и животное;

природное и искусственное;

по агрегатному состоянию

твёрдое;

жидкое;

газообразное;

по химическому составу

органическое;

неорганическое;

по запасам

невозобновляемое;

возобновляемое.

21

Одна из наиболее распространённых классификаций сырья представлена в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Классификация сырья

С Ы Р Ь Ё

Промышленное сырье может быть первичным и вторичным.

Первичное сырьё – это сырьё, прошедшее первичную обработку (например, добытые полезные ископаемые, хлопок-сырец). Первичное промышленное сырье может быть природным и искусственным (синтетическим), произведенным в химических отраслях. В качестве первичного сырья для химических целей может быть использован широкий круг продуктов нефтепереработки: отходящие углеводородные газы различных процессов, различные жидкие продукты и даже сырая нефть.

Вторичное сырье – это отходы производства, физически или морально устаревшие предметы, подлежащие переработке. Традиционными видами вторичного сырья являются лом и отходы металлов, отходы полимеров, текстиля, макулатуры. Они легко поддаются сбору и переработке. В качестве вторичного сырья отходы наиболее полно используются в металлургии, целлюлозно-бумажной промышленности, при производстве строительных материалов. Некоторые виды продукции изготавливают полностью или почти целиком из вторичного сырья, это некоторые виды бумаги и картона, изделия широкого хозяйственного потребления из полиэтилена (ящики, ведра, поливочные шланги, пленка и т. д.).

Основным сырьём для химического производства служит ископаемое минеральное сырьё, залегающее в недрах земли.

Минеральное сырьё – это добываемые из земных недр полезные ископаемые. Обычно минеральное сырьё делят на три вида: рудное, нерудное и горючее.

Рудным минеральным сырьём называют горные породы, из которых получают металлы. Минералы руд содержат в основном оксиды и сульфиды металлов (реже самородные металлы), а также другие соединения, составляющие пустую породу. Типичными примерами являются железные, медные, хромовые, титановые и другие руды. Руды, в состав которых входят соединения разных металлов, называют полиметаллическими.

Нерудное минеральное сырьё – это горные породы, используемые в производстве химических, строительных и других неметаллических материалов и не являющиеся источником получения металлов. Сюда относятся фосфориты, серосодержащее сырьё, поваренная соль, песок, глины, известняк и т.д.

Горючее минеральное сырьё объединено одним общим свойством – горючестью. К горючим ископаемым относятся бурые и каменные угли, нефть, природный газ, горючие сланцы, торф, сланцевый газ. По составу это сырьё является преимущественно органическим. Относительно недавно горючие ископаемые рассматривали только как топливо и использовали в основном как источник энергии. В то же время, горючие ископаемые относятся к числу важнейших видов химического сырья. Из них в настоящее время производят огромное количество разнообразных химических продуктов. Таким образом, горючее сырьё можно отнести к энергохимическим.

В результате переработки углей получают кокс, ароматические углеводороды, синтетические красители, лекарственные препараты, химические волокна, пластмассы, удобрения.

Нефть – это сырьё для получения различных видов топлива (бензин, дизельное и авиационное топливо, мазут), смазочных масел. Предприятия нефтеперерабатывающей промышленности являются сырьевой базой для нефтехимической промышленности и поставляют ей более 80 видов полупродуктов — прямогонные бензины, бутановую, бутанбутиленовую и другие фракции, бензол, стирол, парафины, этилен, пропилен, ацетилен и пр. На основе полупродуктов производят полимерные материалы: синтетические смолы,

23

пластмассы, синтетический каучук, химические волокна. Конечные стадии производства - получение шин, резинотехнических и пластмассовых изделий, нитей из химических волокон.

Из простейшего углеводорода метана - главного компонента природного газа - получают органические соединения (например, метанол) и водород для синтеза аммиака.

Растительное сырьё – это сырьё растительного происхождения: древесина, сахарный тростник, картофель, зерно, хлопок, лён, каучконосы и т.п.

Животное сырьё – это сырьё животного происхождения: шерсть, жиры, пушнина, сырая кожа, кости животных и т.п.

Источниками растительного и животного сырья являются ресурсы естественной среды обитания: земельные, лесные, водные. Растительное и животное сырьё по своему назначению делится на пищевое и техническое. Пищевое сырьё перерабатывают в продукты питания, техническое - в продукты бытового и промышленного назначения. Например, твёрдые и жидкие растительные масла используют в производстве мыла, древесину - в производстве древесного угля, из рапсового масла получают биодизель, из костей животных - костную муку. Крахмал, наряду с традиционным использованием в производстве бумаги и картона, применяется для создания биоразлагаемых полимеров.

В зависимости от агрегатного состояния различают твёрдое, жидкое и газообразное сырьё

(таблица 2.2.).

Таблица 2.2.Классификация сырья по агрегатному состоянию

Экологическая классификация сырья основана на признаках его возобновляемости. По этому признаку сырьё можно разделить на невозобновляемое и возобновляемое.

Невозобновляемое сырьё – это сырьё, которое не восстанавливается совсем или восстанавливается медленнее, чем идёт его использование человеком. К невозобновляемому сырью относятся, в первую очередь, все минеральные ресурсы: руды металлов, горючие полезные ископаемые, строительные материалы. В процессе производственной деятельности невозобновляемое сырьё полностью уничтожается (например, ископаемое топливо) или рассеивается (например, металлы). Истощение запасов нефти и газа является крупнейшей ресурсной проблемой 21 века.

Возобновляемое сырьё – это ресурсы, которые по мере расходования воспроизводятся под действием природных процессов (например, фотосинтеза) или сознательных усилий человека. К возобновляемому относится сырьё растительного и животного происхождения (биомасса), некоторое минеральное сырье (например, соли, осаждающиеся в озерах), воздух, вода. Темпы расхода этого вида сырья должны соответствовать темпам его потребления, иначе оно станет невозобновимым.

24

2.2.2. Вторичные материальные ресурсы

Любое производство, в том числе химическое, имеет отходы. Химическая промышленность - отрасль, потребляющая большое количество сырья, воды, энергии, следовательно, в процессе переработки образуется большое количество побочных продуктов, которые не всегда можно использовать как вторичное сырье, они накапливаются в виде отходов. Некоторые отходы требуют полного уничтожения (это относится в особенности к продуктам органических производств), поскольку они весьма токсичны. В связи с общемировой тенденцией перехода к малоотходным и безотходным технологиям, обусловленной ужесточением экологического законодательства и необходимостью ресурсосбережения, само понятие «отходы» можно считать устаревшим и некорректным. Наиболее соответствующим этой тенденции является понятие «побочные продукты».

Отходами следует считать такие остатки производства, которые практически невозможно использовать на данном этапе развития технологии и которые должны быть обезврежены и складированы или захоронены.

Другой же вид отходов, которые могут быть переработаны на данном этапе развития технологии, следует называть технологическими остатками или вторичными

материальными ресурсами (ВМР).

На предприятиях химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей, сланцехимической промышленности образуется большое количество твердых и жидких отходов (отработанные растворители, нефтяные шламы, кубовые остатки, коксозольный остаток и другие). Значительную их часть не используют, собирают в накопителях, складируют в отвалах, что приводит к загрязнению окружающей среды. В то же время эти отходы являются крупным резервом материальных ресурсов, утилизация их может существенно улучшить технико-экономические показатели процессов.

Вторичные материальные ресурсы являются существенным источником химического сырья. Главной особенностью таких ресурсов является их постоянная воспроизводимость. ВМР могут полностью или частично заменить первичное сырьё и материалы в каком-либо химико-технологическом процессе. Например, золу сланцевых электростанций и отход переработки сланца – полукокс – можно использовать в производстве цемента, отходы сельского хозяйства и пищевой промышленности – в производстве биогаза. Повторное использование отходов расширяет сырьевую базу, сохраняет невозобновляемые источники первичного сырья, предотвращает загрязнение окружающей среды, улучшает экономические показатели производства.

Таким образом, химическая промышленность выступает не только как потребитель ресурсов, но и как отрасль, сберегающая природное сырьё.

2.2.3. Требования к сырью

Химическая промышленность использует разнообразные виды сырья. Многие химические продукты могут быть получены различными способами из разных видов сырья. Например, этиловый спирт можно получить из пищевого сырья (зерна, картофеля, кукурузы) и из этилена методами парофазной и сернокислотной гидратации; серную кислоту – из колчедана и из серы и т.п.

Нефть является единственным глобальным сырьем для производства моторных топлив и важнейшим - для химического синтеза. Однако постепенно ситуация изменяется. Исчерпание мировых запасов нефти вынуждает обратиться к другим источникам углеводородного сырья, наиболее значительными из которых являются уголь и природный

25

газ. Конверсией природного газа и угля получают синтез-газ – смесь СО и Н2. Далее синтезгаз можно перерабатывать в аммиак, метанол, уксусную и муравьиную кислоты, формальдегид, синтетическое топливо, смазочные масла и другие продукты.

Сырьё, применяемое в химико-технологических процессах, должно обеспечивать:

минимальное число стадий переработки в конечный продукт;

минимальные энергетические и материальные затраты на подготовку сырья к химическому превращению;

минимальный расход сырья, материалов на получение единицы продукции;

минимальные затраты энергии для создания оптимальных условий протекания процесса (осуществление процесса при возможно более низких температурах, давлении);

минимальные потери энергии в окружающую среду и с продуктами;

максимальное содержание целевого продукта в реакционной смеси.

Сырьевая база химической промышленности разнообразна, причем многие виды сырья взаимозаменяемы, поэтому проблема выбора сырья является актуальной. Основной критерий, которым руководствуются при выборе сырья, - это экономическая эффективность.

2.2.4. Рациональное и комплексное использование сырья

Ресурсы полезных ископаемых распределены по планете неравномерно. Их размещение зависит от строения земной коры. Некоторые ископаемые встречаются пространственно более равномерно, чем другие. Известняк, поваренная соль, железные руды, горючие сланцы доступны почти повсюду, в то время как нефть, природный газ, алмазы сконцентрированы в приемлемых количествах только в определённых районах. Сырьевой фактор для химической промышленности является решающим. Удельная доля сырья в себестоимости продукции колеблется от 45% до 90%. Поэтому проблема сырья и его рационального и бережного использования весьма актуальна для химического производства. При выборе источника сырья необходимо также учитывать современные и перспективные условия его получения, в том числе и местные условия.

Основными направлениями рационального использования химического сырья являются:

1.применение более дешёвых видов сырья;

2.использование отходов как вторичных материальных ресурсов;

3.комплексное использование сырья;

4.использование возобновляемого сырья;

5.применение концентрированного сырья;

6.замена пищевого сырья непищевым.

Применение дешёвого сырья. Поиск доступного и дешевого сырья является весьма актуальным вопросом. Прежде всего, необходимо стремиться использовать местное сырьё, не требующее дальних перевозок. Это сокращает расходы на его транспортировку. Долгое время считалось, что основным видом топлива и сырья для химической промышленности является уголь. Однако транспортировка нефти и газа по трубопроводам удобнее и дешевле, чем перевозка угля по железной дороге. В качестве местного топливно-энергетического и химического сырья можно использовать горючие сланцы или торф. Использование отходов других производств также позволяет сократить расходы на сырьё.

Комплексное использование сырья. Это означает использование всех компонентов сырья для производства различных продуктов. При комплексном использовании сырья нет отходов

26

производства: всё, что содержится в сырье, используется. Почти все месторождения полезных ископаемых являются комплексными и обычно содержат ряд полезных компонентов, извлечение которых является экономически целесообразным. В месторождениях нефти полезными компонентами являются попутный газ, сера; в месторождениях природного газа – конденсаты, сера; в месторождениях полиметаллических руд в различных соотношениях находятся олово, медь, никель, кобальт, вольфрам и целый комплекс редких металлов.

Комплексное использование сырьевых ресурсов предусматривает наиболее полное извлечение из недр полезных ископаемых, максимально возможное извлечение всех ценных компонентов из добытого минерального сырья на всех стадиях его переработки, более полное использование отвалов горных пород и отходов обогатительных фабрик, тепловых электростанций, металлургических и химических производств и охрану окружающей среды.

Примером комплексного использования сырья является переработка топлив (угля, нефти, горючих сланцев), руд цветных металлов, растительного сырья. Так, при коксовании угля кроме целевого продукта - металлургического кокса - получают коксовый газ и смолу, переработкой которых получают многие ценные вещества (ароматические углеводороды, фенолы, пиридин, аммиак, и др.). Применение этих веществ в качестве продуктов привело к снижению себестоимости кокса. Серу получают при комплексном использовании различного сырья (нефти, природного газа, отходящих газов цветной металлургии).

Комплексное использование сырья связано с комбинированием производств - совмещением нескольких производств внутри одного предприятия. Так, при конверсии природного газа получают наряду с водородом (для синтеза аммиака) диоксид углерода, который в процессе синтеза аммиака не применяется. Поэтому совмещают производство аммиака с получением карбамида (мочевины):

2NH3 + CO2 → (NH2)2CO + H2O

Комплексное использование сырья позволяет свести к минимуму технологические потери сырья и полностью использовать отходы производства. Это позволяет расширить сырьевую базу, увеличить объём и ассортимент производимой продукции, снизить затраты сырья и энергии, уменьшить загрязнение окружающей среды промышленными выбросами. Комплексное использование сырья приводит к сокращению капитальных вложений в производство, снижению себестоимости продукции и улучшению технико-экономических показателей производства.

Использование отходов. Использование вторичных материальных ресурсов экономит традиционное сырьё и снижает загрязнение окружающей среды. В последние годы номенклатура используемых отходов в химической промышленности постоянно расширяется.

Использование возобновляемого сырья. Минеральные ресурсы, запасы нефти и другого органического сырья исчерпаемы. Цены на них постепенно растут, всё больше ужесточаются меры по охране окружающей среды. Эти факторы предопределяют поиск возобновляемого сырья. В качестве альтернативы ископаемым топливам всё шире применяют растительную биомассу, образующуюся в процессе фотосинтеза, и биоразлагаемые отходы. Из биомассы можно получить не только многие продукты нефтехимического синтеза, но и уникальные соединения, например, биологически активные вещества. Из растительного сырья получают спирты, органические кислоты, аминокислоты, удобрения, биопластики. Перспективной областью использования биомассы является производство синтетических топлив – биоспиртов, биодизеля и биогаза.

27

В настоящее время незаменимым материалом в производстве и быту являются пластмассы (синтетические полимеры). Они являются серьёзным конкурентом металлам, стеклу, керамике. Со временем потребляемые пластики неизбежно переходят в отходы. Большинство полимеров не разлагается в природе, что приводит к загрязнению окружающей среды и проблемам утилизации. Эти факторы предопределили исследования в области получения биоразлагаемых полимеров, пленок и волокон на основе возобновляемых природных ресурсов. Биопластики являются альтернативой обычным пластмассам. Наиболее широко для производства биопластиков используют крахмал и молочную кислоту (полилактиды). Другими перспективными материалами для получения биоразлагаемых пластиков являются целлюлоза, хитин, хитозан. Впрочем, создание новой промышленной химии на растительном сырье - дело будущего. Пока что основным сырьем для органического синтеза остаётся нефть.

Применение концентрированного сырья. Химические производства стремятся, как правило, использовать возможно более концентрированное сырье, в котором велико содержание (концентрация) тех или иных веществ. Использование такого сырья 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. Концентрация полезных компонентов в сырье влияет на затраты, связанные с переработкой сырья. Для переработки менее концентрированного сырья необходим больший аппаратурный объем. Природное сырьё не всегда является концентрированным, поэтому его предварительно обогащают на обогатительных фабриках или в самом химико-технологическом процессе.

Замена пищевого сырья непищевым важна для решения продовольственной проблемы. Например, этиловый спирт, используемый в больших количествах в производстве синтетического каучука, искусственных волокон, пластмасс и т.п., можно получить из пищевого сырья (зерна, картофеля, сахарной свёклы, сахарного тростника), а можно и гидролизом древесины или гидратацией этилена, который получают из нефти и природного газа. Для получения 1 т этилового спирта необходимо переработать около 10-11 т картофеля или 4 т зерна. В конкуренцию с пищевой промышленностью вошла и индустрия биотоплив. Ещё несколько лет назад в качестве исходного сырья для производства компонентов моторных топлив применялись в основном продукты сельскохозяйственного производства – от картофеля и свеклы до пшеницы, ржи, кукурузы и масличных культур. В настоящее время рассматривается возможность использования в качестве сырья для производства биотоплив древесины, лигнина, отходов сельскохозяйственного производства и водорослей. Растительное и животное сырье уже вытеснено, в основном, минеральным и синтетическим в производстве красителей, лаков, лекарственных веществ, душистых веществ и ряда других материалов. Вытесняется пищевое сырье веществами, полученными из природных газов, нефти и угля. Например, в бытовой химии использование мыла (производится из растительных и животных жиров) с каждым годом сокращается во всем мире и увеличивается применение синтетических моющих средств (исходным сырьём для их производства служат продукты нефтехимии).

Вода в химической промышленности

Химическая промышленность использует воду в огромных количествах и для самых разнообразных целей. Это объясняется комплексом ценных свойств воды, её доступностью и удобствами применения. На производство готовой продукции в настоящее время расходуется следующее количество пресной воды (тонн): целлюлозы – 400-500, бумаги – 900-1000, азотной кислоты -80-180, синтетического волокна – 500. Именно поэтому химические предприятия строят возле водных источников.

28

Вода используется:

1)для технологических целей

a)как сырьё и реагент;

b)как растворитель;

c)в качестве реакционной среды, экстрагента или абсорбента;

d)для промывки газов и твёрдых материалов от загрязнителей;

e)для получения пульп и суспензий;

2)для энергетических целей

a)как теплоноситель для нагревания веществ;

b)как хладагент для охлаждения веществ.

Например, электролизом воды получают водород и кислород

2H2O → 2H2 + O2,

конверсией природного газа с водяным паром получают водород, необходимый для синтеза аммиака, и синтез-газ для производства метанола.

CH4 + H2O → 3H2 + CO

Вода служит реагентом в производстве минеральных кислот и щелочей, в производстве органических продуктов - спиртов, уксусного альдегида, фенола и других многочисленных реакциях гидратации и гидролиза.

Кроме того, воду на химических предприятиях применяют для растворения твёрдых, жидких и газообразных веществ.

Водяной пар и горячая вода имеют значительные преимущества перед другими теплоносителями - высокую теплоемкость, простоту регулирования температуры в зависимости от давления, высокую термическую стойкость и пр., вследствие чего являются уникальными теплоносителями при высоких температурах. Воду используют также как хладагент для отвода теплоты в экзотермических реакциях.

Производства в зависимости от целевого назначения воды предъявляют строго определенные требования к ее качеству, к содержанию примесей в ней. Допустимые количества примесей регламентируются соответствующими стандартами и техническими условиями. Природная вода, поступающая в производство, подвергается очистке различными методами в зависимости от характера примесей и требований, предъявляемых к воде данным производством.

В промышленности в целях экономии расхода воды применяют так называемую оборотную воду, т. е. использованную и возвращенную в производственный цикл.

Рис. 2.1. Водооборотные циклы. 1 – технологическая установка, цех, предприятие; 2 – насосная станция; 3 – градирня; 4 – очистные сооружения; 5 – камера для пополнения потерь воды (подпитка).

29