Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г. - Общая химическая технология. (2004, Академкнига).pdf
Скачиваний:
106
Добавлен:
26.02.2020
Размер:
9.93 Mб
Скачать

Раздел второй

ПРОМЫШЛЕННЫЕ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Глава 11

СЫРЬЕВАЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ БАЗЫ

ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Химическая промышленность персрабатывает огромные массы сырья, расходует большие количества воды, топлива и энергии. Во многих химических производствах расходные коэффициенты сырья достигают 3-4 т на 1 т продукта, а в некоторых случаях превыша­

ют 6 т. С каждым годом возрастают потребности почти всех отрас­

лей экономики в продукции химической промышленности, что обуславливает необходимость ускоренного развития минерально­

сырьевой и топливно-энергетической базы, расширения ассорти­

мента, снижения стоимости и повышения качества исходного сырья.

Эффективное использование сырья и энергии в технологических проuессах - одна из важнейших проблем химической промыш­ ленности. К числу основных способов ресурсосбережения отно­

сятся: наилучшее использование движущей силы химико-техноло­

гических процессов, рациональное использование топливно-энер­

гетических ресурсов, наилучшее структурно-функциональное ис­

пользование аппаратов и машин, способ замкнутого водоснабжения, обеспечение и повышение надежности химических производств,

рациональная компоновка оборудования химических производств.

§11.1. Сырьевая база

Внашей стране имеется мощная минерально-сырьевая база, позволяющая практически полностью удовлетворять потребности экономики в минеральном сырье. На долю России приходится 22%

лесов, 20% пресных вод мира, 16% всех природных минерально­

сырьевых ресурсов, в том числе 32% газа (первое место в мире),

12% нефти, 12% угля. Доля России в планетарных запасах железа и оловаболее 27%, никеля- 36%, меди - 11%, кобальта- 20%,

свинца- 12%, цинка- 16%, металлов платиновой группы- 40%.

По запасам золота наша страна занимает третье место в мире.

262 Раздел второй. Промышленные химико-технологические процессы

С точки зрения использования сырья характерными особеннос­

тями химического производства являются:

многовариантность сырьевой базы, включающей в себя сырьевые ресурсы, добываемые из недр (фосфатное сырье, калийные соли, сера, природный газ, нефть, уголь), сельскохозяйственную про­ дукцию, воздух и воду, а также продукты переработки природного

сырья в химических производствах (фторсодержащие газы, суль­ фаты, фосфогипс и др.) и в смежных отраслях (например, отходя­

щие газы цветной металлургии, нефтепереработки, коксохимии);

широкие возможности комплексного использования одних и тех

же видов сырья для получения различных химических продуктов;

многообразие методов химической переработки, позволяющих получать из одного и того же сырья разнообразные химические

продукты. Например, из бензола могут быть получены каучук, по­ листирол, капролактам, ядохимикаты и другие продукты. В то же

время один и тот же продукт может быть получен из различного

сырья. Так, для производства ацетилена используют природный

газ, газы нефтепереработки, попутные газы нефтедобычи, карбид кальция; для производства капролактамабензол, фенол, ани­

лин или толуол.

Большинство химических продуктов может быть получено не­ сколькими путями. Известны, например, контактный и башен­ ный способы производства серной кислоты. Этиловый спирт можно получить методами парафазной и сернокислотной гидратации и т. п.

Химическая промышленность использует в качестве сырья продукты горнорудной, нефтяной, газовой, лесной и целлюлозно­ бумажной промышленности, черной и цветной металлургии. Так, черная металлургия поставляет ароматические углеводороды, наф­ талин, антрацен, фенолы, крезолы, тиоцианат натрия, диоксид се­

ры, являющийся ценным сырьем для производства серной кис­

лоты. Особенно большие количества диоксида серы выделяют из отходящих газов цветной металлургии, образующихся в процессе обжига медных, цинковых, свинцовых руд и концентратов. Ис­ пользование отходящих газов имеет большое народнохозяйствен­

ное значение, так как позволяет, например, на каждую тонну меди

получить свыше 10 т серной кислоты без специальных затрат на обжиг серосодержащего сырья.

Химическая промышленность потребляет также некоторое ко­

личество сельскохозяйственного сырья, однако объем его потреб­

ления постоянно снижается.

Успехи химии и химической технологии позволяют все боль­

шее число видов пищевого сырья заменять частично или полнос­

тью непищевыми (или синтетическими) материалами. Например,

Глава 11. Сырьевая и энергетическая базы химической промыии7енности

263

этиловый спирт, используемый в громадных количествах в произ­

водстве каучука, волокон, пластмасс, взрывчатых и других веществ,

до 1950 г. получали в основном из пищевого сырья (картофеля, зерна, сахарной свеклы). В настоящее время его производят гид­ ролизом древесины и гидратацией этилена. В производствс синте­

тического каучука этиловый спирт успешно заменяется бутан-бу­

тиленовой фракцией газов нефтепереработки. В производстве этилового спирта 1 т древесины заменяет 1,6 т картофеля или 0,6 т зерна. Себестоимость синтетического спирта из нефтяных газов в 3 раза ниже, чем из растительного сырья. Растительное и живот­

ное сырье почти вытеснено синтетическим в производстве краси­

телей, лаков, лекарственных средств, душистых веществ, пласти­

ческих масс, каучуков и ряда других материалов.

Развитие сырьевой базы химической промышленности проис­ ходит в направлении более полного, по возможности комплексно­ го использования сырья, вовлечения в переработку сырья с низ­

ким процентным содержанием основного вещества, утилизации

отходов внутри самой химической промышленности и других от­ раслей, а также вовлечения в химическую переработку все боль­ шей массы разнообразного природного сырья, каким являются

нефть, газы, уголь, сланцы, древсенорастительное сырье, а также

сырьевые ресурсы Мирового океана. Переход в перспективе хи­ мической промышленности на уголь вместо использования при­

родного углеводородного сырья позволит более чем в 10 раз рас­

ширить ее сырьевую и энергетическую базы.

В ближайшем будущем основным сырьем для синтеза большой

группы продуктов станут оксид углерода и метанол. Метанол уже

широко используется для промышленного производства уксусной и муравьиной кислот, формальдегида и термореактивных пласт­ масс на его основе, простых и сложных эфиров, хлорметанов и метиламинов. Он находит также практическое применение для получения традиционных продуктов нефтехимии.

Актуальной задачей является расширение сырьевой базы, во­ влечение в переработку таких дешевых и доступных видов сырья, как метан, отходы нефтехимических производств, нефтепромыс­

ловые и нефтезаводекие газы.

Варьирование сырьевых ресурсов позволяет выбирать надеж­

ную сырьевую базу для развития химической промышленности

взависимости от наличия месторождений полезных ископаемых

итехнико-экономических показателей их использования.

Основные понятия и классификация сырья. В производстве хи­

мических продуктов различают исходные вещества (сырье), проме­ жуточные продукты (полупродукты) u готовые продукты.

264 Раздел второй. Промьииленные XU!rtuкo-mexнoлoгuчecкue процессы

Полупродукты химической переработки исходного сырья, в свою очередь, служат сырьем для получения других веществ. В прак­

тике, однако, полупродукт может быть готовым продуктом для

предприятия, изготовляющего его, и сырьем для предприятия,

потребляющего этот полупродукт. Так, серная кислота, получен­

ная на заводах цветной металлургии, является готовой продукцией для этих заводов и сырьем для получения минеральных удобре­

ний, в частности фосфорных.

В химико-технологических процессах в основном использует­

ся лишь 60 элементов периодической системы, их участие в про­

изводстве может исчисляться как несколькими килограммами так

и десятками миллионов тонн.

Крупнотоннажные химические производства основываются по

существу на ограниченном числе видов сырья, но используемых

в больших количествах (сера и ее соединения, апатиты и фосфо­

риты, природный газ, нефть и уголь, известняк, поваренная соль,

вода, воздух и т. д.).

Переработкой серы, серного колчедана, известняка, поварен­ ной соли, фосфатов, полиминеральных руд и газового сырья (при­

родного, попутного и коксового газов), а также азота воздуха полу­

чают серную, азотную, фосфорную кислоты и синтетический аммиак, используемые в свою очередь для выработки азотных, фосфорных, калийных и комплексных удобрений, производят каустическую и кальцинированную соду и минеральные соли. Природный газ слу­

жит сырьем для получения продуктов тяжелого органического син­

теза, удобрений, пластических масс, синтетических каучуков, хи­ мических волокон, фармацевтических препаратов и др.

Нефть является ценнейшим сырьем для получения различных

горюче-смазочных материалов, синтетических волокон, каучуков,

пластических масс, моющих средств и многих других продуктов.

Сырье химической промышленности классифицируют по раз­ личным признакам: попроисхождениюминеральное, раститель­

ное, животное; по запасамневозобновляемое (руды, минералы, горючие ископаемые) и возобновляемое (вода, воздух, раститель­

ное и животное сырье); по химическому составунеорганическое (руды, минералы) и органическое (нефть, уголь, природный газ); по агрегатному состояниютвердое (руды, минералы, уголь, слан­ цы, торф), жидкое (вода, рассолы, нефть) и газообразное (воздух,

природный газ). Кроме того, сырье можно подразделить на первич­ ное (минеральное, растительное и животное, горючие ископаемые,

вода и воздух) и вторичное (промышленные и потребительские отхо­

ды), а также на природное и искусственное (кокс, химические волокна,

синтетический каучук, синтетические красители, смолы и т. п.).

Глава 11. Сырьевая и энергетическая базы химической промышленности 265

В свою очередь минеральное сырье включает в себя рудное (ме­

таллическое), нерудное и горючее (органическое) сырье. Рудное

сырье - это железные, медные, хромовые, титановые и другие

руды, содержащие в основном оксиды и сульфиды металлов. Руды,

в состав которых входят соединения разных металлов, называют

полиметаллическими. Нерудное сырьеповаренная соль, фос­

фориты, апатиты, гипс, известняк, песок, глина, асбест, слюда, сера и др. Горючие ископаемыеторф, бурые и каменные угли,

сланцы и природный газ. Они состоят из органических соедине­

ний и используются в качестве сырья и энергоресурсов.

Растительное (подсолнечник, картофель, сахарная свекла, дре­

весина, хлопок, лен, конопля, каучуконосы, стержни початков ку­

курузы, подсолнечная, рисовая, хлопковая лузга и т. п.) и живот­ ное сырье (шерсть, натуральный шелк, пушнина, кожа, масла, жиры, молоко и т. п.) персрабатывают в продукты питания (пище­ вое сырье) или в продукты бытового и промышленного назначе­ ния (техническое). Так, твердые и жидкие растительные масла

используют в производстве мыла, лакокрасочных материалов,

вспомогательных веществ для отделки изделий легкой промышлен­

ности, а крахмалопродукты потребляются в текстильной промыш­ ленности. Стержни початков кукурузы, подсолнечная, рисовая и хлопковая лузга широко используются в микробиологической

промышленности в качестве сырья для производства кормового

белка, фурфурала и ксилита.

Сырье, применяемое в химико-технологических процессах, должно удовлетворить ряду требований, в частности обеспечить:

минимальное число стадий переработки в конечный продукт;

минимальные энергетические и материальные затраты на под­

готовку сырья к химическому превращению и в целом на осущест­

вление процесса;

минимальное рассеяние исходной энергии, т. е. характеризо­

ваться максимумом эксергии;

возможно более низкие температуры, давления, расход энер­

гии на изменение агрегатного состояния реагирующих веществ;

максимальную концентрацию целевого продукта в реакцион­

ной смеси.

Вторичные материальные ресурсы. Существенным источником

химического сырья являются вторичные материальные ресурсы

(ВМ Р). К ним относятся отходы производства, отходы потребле­

ния и побочные продукты.

Отходами проuзводства называют остатки сырья, материалов

и полупродуктов, образующиеся в процессе производства продук­

ции, которые частично или полностью утратили свои качества

266 Раздел второй. ПромыиLЛенные химико-технологические процессы

и не соответствуют стандартам (техническим условиям). В зависи­

мости от свойств и состава выделяют три основные группы отхо­

дов предприятий химической и нефтеперерабатывающей промыш­ лснности: 1) близкие к исходному сырью, 2) к целевым продуктам, 3) к сырью других производств или отраслей. К первой группе от­

носятся отходы, из которых можно извлечь непрореагировавшее

сырье или промежуточные продукты и вернуть их обратно в цикл,

зачастую после регенерации. Ко второй группе принадлежат отхо­

ды, которые определенными операциями могут быть доведены до

товарных кондиций. Третья группа включает в себя отходы, при­ годные для переработки в других отраслях. Особую группу состав­

ляют безвредные или обезвреженные в результате тех или иных

процессов отходы, наnравляемые непосредственно в окружающую

среду, их можно выбрасывать в атмосферу, закапывать в землю

или затоплять в морях и океанах.

Отходами потребления называют различные бывшие в уnот­

реблении изделия и вещества, восстановление которых экономи­

чески нецелесообразно, наnример полностью изношенные, выбыв­

шие из строя машины, изделия производственного назначения из

стекла, резины и пластмасс, отработанные реактивы, катализато­ ры и т. п. (отходы промышленного потребления) или пришедшие

в негодность изделия домашнего обихода и личного потребления (отходы бытового потребления).

Побочные продукты образуются в процессе переработки сырья

наряду с основными продуктами производства, но не являются

целью производственного процесса. Однако побочные продукты, как правило, могут быть использованы в качестве готовой продук­ ции. Они в большинстве случаев бывают товарными, на них име­

ются государственные или отраслевые стандарты и технические

условия. Те побочные продукты, которые лолучаются при добыче

или обогащении основного сырья, принято называть попутными

продуктами (например, попутный газ). Побочные и попутные про­

дукты данного лроцесса, как правило, являются целевыми про­

дуктами для другого производства.

Федеральным законом <<Об отходах лроизводства и потребле­ ниЯ>> от 22 мая 1998 г. введено понятие опасных отходовотходов, которые содержат вредные вещества с опасными свойствами (ток­

сичностью, взрывоопасностью, пожарооnасностью, высокой ре­ акционной способностью) или содержащие возбудители инфек­ ционных заболеваний, либо лредставляющие непосредственную или потенциальную оnасность для окружающей природной среды

или здоровья человека самостоятельно или при вступлении в кон­

такт с другими веществами.

Глава 1l. Сырьевая и энергетическая базы химической промьши7енности

267

Вторичные материальные ресурсы полностью или частично заменяют первичное сырье и материалы в производстве необходи­ мой народному хозяйству продукции . Химическая промышлен­

ность, таким образом, выступает не только как потребитель при­

родных ресурсов, но и как отрасль, сберегающая природное сырье. На нефтехимических предпринтиях вторичными ресурсами являются различные углеводородные компоненты, отработанные катализаторы и реагенты. В результате их использования эконо­ мия сырья и материалов составляет до 25% общего потребления. К числу крупнотоннажных отходов производства и потребле­ ния относятся фосфогипс, nиритные огарки, шлаки •Jерной ме­

таллургии, зола и шлаки тепловых электростанций, лигнин, маку­ латура, стеклобой , яблочные выжимки и др.

В промышленно развитых странах повторное испол ьзование

стали составлнет 70%, меди- 55 %, алюминия- 45 %, олова-

45%, цинка- 21%.

Необходимо отметить, что энергоемкость производства алю­ миния из вторичного сырья в 20 раз, а стали в 10 раз ниже, чем энергоемкость их производства из первичного сырья. Капиталь­ ные вложения при переработке вторичного сырья примерно в 4 ра­ за меньше, чем при переработке первичного.

§ 11.2. Рациональное и комплексное использование

сырьевых ресурсов

Современная промышленность потребляет огромное, непре­

рывно возрастающее количество природного минерального сырья.

За последние 90 лет из недр Земли было извлечено полезных

ископаемых во много раз больше, чем за всю nредьщущую исто­

рию цивилизации. На ХХ в. nриходится свыше 85% добычи меди,

87%- железной руды, 90%- угля, 99 ,5%- нефти.

Общее количество добываемой и персрабатываемой горной

массы измеряется многими миллиардами тонн. Например, в Рос­ сии только для производства цветных металлов ежегодно добы­ валось и персрабатывалось более 2 млрд т горной массы. Мировое производство в 1988 г. достигло (млн т): нефти (включая газовый конденсат) - 2925; угля - 4689; природного газа (млрд м3) - 1908; цемента ( млн т) - 1113; стали - 779; минеральных удобрений

в псрес•1ете на 100% nитательного вещества - 155; синтетиче­

ских смол и пластических масс - 91; химических волокон и нитей- 19 1

1 См. Статистический ежегодник. М. : Финансы 11 статистика, 1989 . С. 687.

268 Раздел вmopou. Промышлепные химико-технологические процессы

Пока еще в конечном продукте утилизируется лишь примерно

10% массы используемых природных ресурсов, а остальные 90%

безвозвратно теряются.

Высокие темпы роста производства различных продуктов ис­

тощают невозобновляемые естественные источники минерально­

го сырья. Во многих случаях эксплуатируются месторождения сы­

рья с большими глубинами залегания, в отдаленных, необжитых

районах. Вследствие увеличения объема горно-подготовительных

работ и других факторов затраты на 1 руб. товарной продукuии

возрастают. Например, если по фосфатному сырью, используемому

в производстве фосфатных удобрений, для получения 1 т Рр5

нужно было переработать в 1970 г. 26,7 т горнорудного сырья, то

в 1985 г. - 41 ,6 т.

Существенно усложняется и удорожается добыча и других по­

лезных ископаемых. В частности, нефть и природный газ, состав­ ляюшие сейчас основу энергетики всей химии и сырьевую базу

производства азотных удобрений и почти всех органических ве­

ществ, добываются ныне в значительной мере в отдаленных север­

ных районах, на большой глубине, на дне моря.

Из-за геохимической природы почти все месторождения по­ лезных ископаемых являются комплексными и обычно содержат

ряд полезных компонентов, извлечение которых является эко­

номически uелесообразным. В месторождениях нефти полезными

компонентами являются попутный газ, сера, йод, бром, бор; в мес­ торождениях газаконденсаты , гелий, сера, азот; в ископаемых угляхметан, колчедан, сера, германий, каолины, бокситы, кар­ бонатное сырье, горный воск; в месторождениях железных руд

часто присутствуют титан, ванадий, кобальт, uинк, сера, фосфор,

иногда германий и нерудные минералы; в месторождениях поли­

металлических руд в различных соотношениях находятся олово,

медь, никель, кобальт, вольфрам, молибден, золото, серебро, пла­ тинаилы и uелый комплекс редких металлов.

Раuиональное и комплексное использование сырьевых ресур­ сов предусматривает наиболее полное извле•!ение из недр полез­

ных ископаемых, максимально возможное извлечение всех uен­

ных компонентов из добытого минерального сырья на всех стадиях

его переработки, более полное использование отвалов горных по­ род и отходов обогатительных фабрик, тепловых электростанuий,

металлурги•1еских и химических производств и охрану окружаю­

щей среды.

Комплексная переработка сырья увеличивает степень его ис­ пользования утилизаuией побочных продуктов и отходов и превра­

щения их в полезные продукты, а также совмещением нескольких

Глава 11. Сырьевая и энергетическая базы химической промыишеююсти 269

производств внутри одного предприятия. Так, при конверсии при­

родного газа получают наряду с водородом (для синтеза NH 3) ди­

оксид углерода, который в процессе синтеза N Н3 не при меняется.

Поэтому обычно совмещают производство аммиака с получением

карбамида (мочевины):

2NH 3 + С02 --7 CO(NH 2) 2 + Нр.

Комплексное использование сырья находит место при перера­ ботке твердых топлив (угля, сланцев), нефти, руд цветных метал­

лов, горно-химического и растительного сырья. Например, в кок­

сохимической промышленности наряду с коксом получают и другие продукты (коксовый газ, смолу), химическая переработка

которых позволяет производить многие органические соединения,

а также сырье для азотной промышленности. При переработке

нефти, природного и попутного газа можно получить высокока­

чественную серу (99,0% S) и ряд других продуктов. В нашей стра­

не создана также научно-техническая и производственная база, способная обеспечивать промышленность и науку гелием с чисто­

той 99,985-99,995%, извлекаемым из природного газа Оренбург­

ского месторождения.

На основе комплексного использования концентратов цвет­

ных металлов организовано крупное производство таких метал­

лов, как кадмий, индий, висмут, рений, селен, теллур, а также

других рассеннных элементов; из отходящих газов цветной метал­ лургии получают серную кислоту (более 25% всего производства ее в стране). В значительных количествах на предприятиях цветной металлургии попутно производятся также суперфосфат, калийные удобрения, хлорид калия, медный купорос, диоксид титана, оксид

цинка и другие виды химической продукции.

В России до 40% всей получаемой серы производилось при

комплексном использования минерального сырья смежных отрас­

лей (переработка нефти, природного газа и отходящих газов цвет­

ной металлургии).

Использование вторичных материальных ресурсов экономит

традиционное сырье и снижает загрязнение окружающей среды.

Фосфогипс целесообразно применять, например, для химической

мелиарании солонцеватых почв, в качестве добавки при произ­

водстве цемента, для изготовления гипсовых внжущих, для про­

изводства серной кислоты и немента. Наиболее перспективным

иэкономически нелесообразным направлением использования га­ литных отходов является производство поваренной соли (пищевой

итехнической). Решение проблемы полной утилизации пиритных огарков позволит получать железно-рудные окатыши (сырье для

270 Раздел второй. Промыщленные химико-технологические процессы

черной металлургии), а также цветные, редкие и благородные ме­ талльi. Золашлаковые отходы можно использовать для производ­ ства цемента, кирпича, добавок в бетон и для других строительных

целей. Шлаки черной металлургии являются хорошим сырьем для

производства цемента, минеральной ваты, шлаковой пемзы и дру­

гих материалов.

При комплексной переработке апатито-нефелиновых руд по­ мимо фосфатного сырья можно получить глинозем, содопродукты, фториды, портландцемснт, диоксид титана, соединения редкозе­

мельных элементов.

В последние годы благодаря развитию науки и техники номен­

клатура используемых отходов в химической промышленности

постоянно расширяется.

В настоящее время частично или полностью используется бо­ лее 250 видов отходов, в том числе таких многотоннажных, как огненно-жидкий шлакотход фосфорной промышленности, при­

меняемый для получения гранулированного шлака, шлаковаты,

пемзы, ситаллов, шебня и других продуктов; фторсодержащие

растворы - отходы производства простого и двойного суперфос­

фата, экстракционной фосфорной кислоты. Эти растворы приме­

няют для получения кремнефтор~;~дов и фторидов (фторида алю­

миния и фторида натрия), заменяя при этом природнос сырье - nлавиковый шпат. Такие отходы, как абгазная соляная кислота, хлороводород, раствор гидросульфита, отсев фосфорита, отходы производства полиамидных, полиэфирных и полиакрилонитриль­

ных волокон, пенополиуретана, используются полностью.

Отходы химических производств широко применяются не только внутри отрасли, но и в других отраслях вместо дефицитных материалов и сырья. Абгазная соляная кислота может заменить в других отраслях дефицитную синтетическую соляную кислоту. Значительная часть железного купороса, мела мелких фракций,

отходов содового и других химических производств ежегодно пе­

редается для удовлетворения производственных нужд предприя­

тиям промышленности строительных материалов, сельскому хо­

зяйству, мелиорации.

Рациональное и комплексное использование сырья, включая

вторичные ресурсы, имеет важное значение в удовлетворении по­

требностей экономики во многих видах основной и попутной про­ мышлеиной продукции и дает значительный экономический эф­

фект, выражающийся в сокрашении потерь, расширении сырьсвой

базы, повышении технико-экономических показателей, улучше­

нии использования земельных ресурсов.