книги из ГПНТБ / Фурмер, И. Э. Общая химическая технология учеб. пособие

дополнительных затрат сырья получать каучук, уксусную кислоту, пластические массы, химические волокна и другие продукты.

Комплексная переработка сырья благодаря большой экономической целесообразности имеет огромное народнохозяйственное значение и приобретает все более широкое распространение в нашей социалисти­ ческой промышленности.

Р е г е н е р а ц и я с ы р ь я . Перевод прореагировавших ве­ ществ в их первоначальное состояние для повторного использо­ вания называется регенерацией сырья. Например, при взаимодейст­ вии раствора поваренной соли с аммиаком и двуокисью углерода об­ разуются осадок бикарбоната натрия (NaHC03), применяемый затем для производства соды, и раствор хлористого аммония (ЫН4С1) — реакция (1). Если этот раствор обработать при нагревании известко­ вым молоком по реакции (2), то выделится аммиак, который повторно используют для проведения реакции (1):

Реакция (2) описывает процесс регенерации аммиака.

И с п о л ь з о в а н и е о т х о д о в . Несмотря на широкое раз­ витие комплексной переработки сырья, до настоящего времени на химических производствах остается значительное количество отхо­ дов, не находящих потребления. Они выводятся с предприятия и, как правило, отравляют водоемы, заражают почву и воздух, загромождают заводские и расположенные вблизи заводов территории. Например, на содовых заводах вырабатывается большое количество жидких отходов, содержащих растворенные соли (в частности СаС12) и твердые частицы. Около содовых заводов, в котлованах, куда спускают эти растворы, образуются так называемые «белые моря», которые загрязняют территорию, а находящиеся в них растворы впитываются в окру­ жающую почву и делают ее неплодородной.

Отходы химических предприятий, сбрасываемые в водоемы — реки, озера, отравляют все в них живущее. Из труб химических предприятий уходят в атмосферу ядовитые газы, которые затрудняют работу на предприятиях, жизнь в городах и рабочих поселках, уничтожают окружающую растительность.

В Советском Союзе установлены нормы допустимого содержания веществ в отходящих промышленных газах и сточных водах. Для обезвреживания отходов химических предприятий строят специаль­ ные очистные сооружения. Задача химиков заключается не только в обезвреживании отходов, но и в использовании заключенных в них ценных веществ. Так, некоторые отходы могут быть использованы в качестве удобрений. Колчеданный огарок, отход сернокислотного производства, внесенный в почву, значительно увеличивает урожай ячменя. В качестве удобрений применяют шлаки, получаемые при

20

производстве стали, шлаки медеплавильных заводов, пыль цементных

Следует стремиться применять сырье, в котором велико содержание (концентрация) тех или иных веществ. Использование такого сырья удешевляет и упрощает его переработку, а также позволяет получать продукты высокого качества. К сожалению, потребляемое в химической промышленности сырье не всегда является концентрированным и поэтому, прежде чем оно подвергнется переработке, его «о б о г а щ а- ю т» на обогатительных фабриках или же в течение самого , процесса получения из него продуктов.

З а м е н а п и щ е в о г о с ы р ь я н е п и щ е в ы м . До по­ следнего времени многие химические продукты и материалы выраба­ тывали из пищевого сырья, на что расходовались миллионы тонн зер­ на, картофеля, растительного масла, животных жиров. Например, для производства синтетического каучука необходим этиловый спирт, для получения 1 т которого нужно переработать около 10—11 т картофеля или 4 т зерна.

Приведенный пример показывает, что химическая промышленность отнимает огромные количества пищевых продуктов. В связи с этим понятно, как важна и необходима замена в химической и других отраслях промышленности пищевых продуктов непищевыми. Стои­ мость продуктов, полученных из непищевого сырья, ниже, чем про­ дуктов из пищевого сырья. В производстве каучуков, красителей, лаков, лекарственных веществ, многих пластических масс и ряда других материалов растительное и животное пищевое сырье уже в основном вытеснено синтетическим.

Сейчас на очереди стоит задача получения из непищевого сырья основных продуктов питания — крахмала и сахара, а также искусст­ венное получение составных частей источника жизни — белка.

§ 2. Подготовка сырья к переработке

Применение концентрированного сырья позволяет сделать более совершенным процесс его переработки, так как с повышением концен­ трации полезного компонента в сырье возрастает скорость его хими­ ческого превращения, упрощается переработка сырья, уменьшается расход энергии.

Кроме того, концентрируя (обогащая) сырье на месте добычи, получают экономию транспортных расходов на перевозку его к месту потребления, потому что в обогащенном сырье содержится значитель­ но меньше ненужных (неиспользуемых) компонентов, чем в необогащенном.

И, наконец, обогащение позволяет перерабатывать в промышлен­ ности бедные по содержанию полезного компонента виды сырья, ко­ торые без предварительного концентрирования не поддаются пере­ работке. Это особенно важно, если учесть, что запасы концентриро­ ванного сырья в природе постепенно истощаются.

21

Все это обусловило широкое применение обогащения сырья в нашей стране и строительство обогатительных фабрик в местах добы­

22

них сырье можно разделить на ряд частей (фракций). На каждом сите остаются частицы определенной величины и, следовательно, различ­ ной твердости. Поэтому с каждого сита получают фракцию, обогащен­ ную тем или иным минералом.

Для обогащения сырья пользуются разной скоростью падения частиц в зависимости от их плотности и крупности в потоке жидкости или газа. На этом свойстве основан метод г р а в и т а ц и о н н о г о о б о г а щ е н и я . На рис. 1 показана схема мокрого гравитацион­ ного обогащения, при котором осаждение твердых частиц производят в потоке жидкости (чаще всего воды). Измельченное сырье смешивает­ ся с водой в баке с мешалкой и в виде пульпы (взвеси твердого измель­ ченного материала в жидкости) подается в осадительные камеры (корыта) I, II, I I I с конусообразными днищами (бункерами), после­ довательно проходя через них. Для оседания наиболее крупных и тяжелых частиц требуется наименьшее время, поэтому они оседают в камере I. Средняя фракция оседает в камере II и легкая (мелкозер­ нистая) — в камере I I I .

Для разделения можно применять аппараты с одной, двумя, тре­ мя и большим числом камер, в зависимости от того, на сколько фрак­ ций необходимо разделить материал. Выгружают фракции из бунке­ ров 1, 2 и 3 через отверстия.

Сухое гравитационное обогащение основано на том же принципе, что и мокрое, но отличается от него тем, что твердые частицы оседают не в потоке жидкости, а в потоке газа (чаще всего — воздуха). На рис. 2 показана схема аппарата для разделения — воздушного сепаратора центробежного типа. Он представляет собой цилиндр 5, снабженный конусом 6 (внешний цилиндр и конус). В основном цилиндре концен­ трически расположен второй цилиндр 2 с конусом 1. Во внутренний цилиндр через крышку сепаратора входят тарелка 3 и крыльчатка вентилятора 4, приводимые во вращательное движение электродви­ гателем, расположенным над крышкой сепаратора. При вращении тарелки и крыльчатки вентилятора внутри сепаратора образуются воздушные потоки (показанные на схеме стрелками). Измельченный материал, поданный на тарелку, при ее вращении разбрасывается по сечению внутреннего цилиндра. Мелкие частицы увлекаются воздуш­ ным потоком, создаваемым крыльчаткой вентилятора, и попадают в пространство между внешним и внутренним цилиндрами, где, ударяясь о стенки (теряя скорость движения), опускаются вниз и выводятся из внешнего конуса 6 в виде тонко измельченной фракции. Крупные частицы преодолевают сопротивление воздушного потока и падают вниз внутреннего конуса 1, откуда они выводятся.

Э л е к т р о м а г н и т н о е р а з д е л е н и е ( с е п а р а ц и ю ) применяют в тех случаях, когда сырье состоит из магнитовосприим­ чивых материалов (способных притягиваться к полюсу магнита) и немагнитных (не притягивающихся к магниту). Таким образом мож­ но отделять магнитный железняк, хромистый железняк (магнитные материалы) от пустой породы (немагнитной части сырья). На рис. 3 показана принципиальная схема электромагнитного сепаратора. Из­ мельченный материал подается на ленточный транспортер 1, который

23

имеет барабан 2 с установленным внутри электромагнитом 3. Когда лента транспортера соприкасается с поверхностью вращающегося барабана, частицы материала, не обладающие магнитной восприим­ чивостью, не притягиваются к магниту и потому ссыпаются с ленты в бункер 4. Частицы же магнитного материала притягиваются магнитом и как бы прилипают к поверхности ленты. Частицы продолжают дви­ гаться таким образом до тех пор, пока лента не пройдет область дей­

и медный колчедан, свинцовый блеск, золото, серебро (вещества с хорошей электропроводностью) от известняка, гипса, песка (не про­ водящих ток).

(чаще всего водой) зерен отдельных минералов. Если поместить, как показано на рис. 4, на поверхности жидкости тонко измельченные частицы несмачиваемого (гидрофобного) минерала А и смачиваемого (гидрофильного) Б, то гидрофобная частица будет как бы выталки­ ваться из жидкости, оставаясь окруженной воздушной пленкой, а гидрофильная частица быстро обволакивается пленкой жидкости.

24

Поэтому, если предназначенное для флотации сырье предварительно измельчить до пылевидного состояния, затем взмутить его в воде (создать пульпу или суспензию) и через полученную суспензию про­ пустить в виде мелких пузырьков воздух, то частицы минералов с несмачивающейся поверхностью будут прилипать к пузырькам воз­ духа и увлекаться ими к поверхности воды (всплывать), образуя на поверхности пену. (Отсюда и название метода — «флотация», что в переводе на русский язык значит «всплывание».)

Гидрофильные, смачивающиеся водой частицы, в отличие от гидро­ фобных легко обволакиваются жидкостью и потому не прилипают к

перегородки 2, между которыми расположены трубки 3. По этим труб­ кам под давлением из коллектора 5 в камеру 1 подается воздух. Воз­ дух перемешивает водную взвесь, и пузырьки его увлекают за собой частицы гидрофобного минерала, всплывающего на поверхность жид­ кости. Одновременно воздух создает циркуляцию суспензии в камере (показано на рис. 5 стрелками).

Для лучшего удержания на поверхности жидкости всплывших частиц гидрофобного минерала в суспензию добавляют небольшое

Пену, состоящую из пузырьков воздуха и прилипших к ним мине­ ральных частичек, снимают с поверхности жидкости через борт ка­ меры в желоб 4, откуда ее направляют в специальные сосуды, где она разрушается (пузырьки лопаются), а на дне сосудов остаются увле­

25

ченные пузырьками газа несмачивающиеся частицы. Полученный таким образом осадок минеральной части, извлеченный из состава руды в

относятся самородная сера, графит, озокерит и др. Большинство ми­ нералов хорошо смачивается водой, и для их выделения флотацией в суспензию необходимо вводить специальные реагенты, понижающие их смачиваемость. Эти реагенты получили название с о б и р а т е л е й или к о л л е к т о р о в . Собирателями являются олеиновая кислота, нафтеновые кислоты и другие органические вещества. Собиратели покрывают поверхность частиц гидрофильных минералов гидрофоб­ ной пленкой, которая обеспечивает их всплывание.

В некоторых случаях бывает необходимо затруднить всплывание отдельных минералов. Для этого в суспензию вводят вещества, полу­ чившие название п о д а в и т е л е й или д е п р е с с о р о в . В качестве подавителей применяют щелочи, соли щелочных металлов: цианистые, кремнекислые, сернокислые и др. С помощью этих веществ повышают гидрофильность поверхности минералов и тем самым затруд­ няют их всплывание.

Пенообразователи, коллекторы, депрессоры называются флотацион­ ными реагентами.

Применение флотационных реагентов позволяет обогащать самые разнообразные горные породы. Расход флотореагентов при этом не­

плавкости материалов, входящих в смесь. Так, серу, имеющую низ­

ны: избирательное растворение, разложение химическими реагента­ ми, обжиг и др.

Жидкости обогащают (концентрируют) следующими методами: выпариванием растворителя, добавлением к раствору полезного ком­ понента (донасыщение), выделением из раствора примесей в осадок или переводом их в газообразное состояние (испарение примесей — десорбция).

Для обогащения газовых смесей также используют различие в свойствах газов, входящих в смесь. Известно, что любой газ при определенных условиях можно превратить в жидкость. Причем для каждого газа существует определенная температура, при которой он сжижается (температура конденсации, или, что то же самое, темпе­ ратура кипения). На различии температур конденсации газов

26

Фракционная конденсация заключается в ступенчатом охлаждении газовой смеси. Сначала газ охлаждают до температуры, более низкой, чем температура конденсации этилена, но более высокой, чем темпе­ ратура конденсации метана. При этом из всех газов только этилен превращается в жидкость, остальные компоненты остаются в газооб­ разном состоянии. Жидкий этилен отделяют, а оставшуюся газовую смесь охлаждают теперь уже до температуры, меньшей температуры конденсации метана, но большей температуры конденсации окиси углерода. Метан при этом переходит в жидкость и выделяется из сме­ си. С оставшейся газовой смесью поступают аналогичным образом. Таким образом, постепенно охлаждая смесь, можно разделить ее на отдельные газы.

На разности температур кипения различных веществ основан и другой способ обогащения газов и жидкостей — р е к т и ф и к а ц и я . Этим методом разделяют воздух на азот и кислород. Воздух состоит в основном из кислорода (20,99%) и азота (78,03%). Жидкий кислород кипит при температуре минус 182, 95° С, а жидкий азот — при более низкой температуре — минус 195,8° С.

Для разделения воздуха, т. е. для получения чистых кислорода и азота, воздух предварительно охлаждают и переводят в жидкое со­ стояние. Затем эту жидкую смесь частично испаряют. Так как азот кипит при более низкой температуре, чем кислород,то он испаряется легче и в парах над жидкостью его будет больше, чем в жидкости. Пары над жидкостью обогащаются азотом, а жидкость обедняется им и, следовательно, обогащается кислородом. Если отделить пары от жидкости, то произойдет частичное разделение воздуха, так как в парах больше азота, а в жидкости больше кислорода, чем в воздухе. Многократно повторяя описанную операцию, можно добиться практи­ чески полного разделения воздуха на азот и кислород.

В основе ректификации и лежит именно такое многократное частич­ ное испарение жидкости в сочетании с конденсацией пара. (Более детально процессы ректификации рассмотрены в главах, посвящен­ ных отдельным производствам.)

На способности жидких растворителей избирательно поглощать тот или иной газ из газовой смеси основан абсорбционный метод разделения газовых смесей. Газовую смесь пропускают через жидкий растворитель (абсорбент). Растворитель подбирают так, чтобы в нем растворялся только тот газ, который хотят выделить. Затем раство­ ритель с поглощенным газом направляют на следующую операцию

27

(десорбцию), где из растворителя выделяют поглощенный газ в кон­ центрированном виде.

Для поглощения смесей можно применять не только жидкий, но и твердый материал, поглощающий отдельные газы из смеси. Такой процесс называют а д с о р б ц и е й . Затем адсорбированные (погло­ щенные) газы десорбируют (удаляют) с поверхности адсорбента (твер­ дого материала).

Абсорбционно-десорбционные и адсорбционно-десорбционные ме­ тоды разделения жидких и газовых смесей очень широко применяют в химической промышленности. Поэтому они подробно рассмотрены при описании производства отдельных химических продуктов.

§ 3. Вода в химической промышленности

Вода в химической промышленности имеет исключительно широ­ кое и разнообразное применение. В ряде производств она служит сырьем и реагентом (получение серной кислоты H2S 04, азотной ки­ слоты H N 03, соды Na2C03, едкого натра NaOH и едкого кали КОН, водорода; процессы гидролиза и гидратации).

Во многих производствах воду используют как растворитель твердых, жидких и газообразных веществ, для получения водных взвесей твердых веществ — суспензий, пульпы (например, при грави­ тационном и флотационном обогащении). Вода необходима для про­ мывки твердых и газообразных материалов от загрязнений.

Широко используют воду и как теплоноситель — для охлаждения и нагревания тел или веществ, участвующих в реакции. Для охлажде­ ния и нагревания водой и паром реагирующих масс применяют раз­ нообразные холодильники и нагреватели.

Основным источником, удовлетворяющим технические и бытовые потребности в воде, являются п р и р о д н ы е в о д ы . Природные воды подразделяются на атмосферные — воды атмосферных осадков; поверхностные — воды рек, озер и морей; подземные — колодезные, ключевые, артезианские, минеральные.

В воде содержатся взвешенные грубодисперсные и коллоидные частицы органического и неорганического происхождения (песок, глина и т. п.). В ней растворены газы и соли — бикарбонаты, сульфа­ ты, хлориды, нитраты кальция, магния, калия. В воде могут находить­ ся различные бактерии, грибки и другие микроорганизмы.

Присутствие в воде грубодисперсных частичек, газов, солей, орга­ нических веществ и микроорганизмов может вредно влиять на отдель­ ные реакции, вызывать коррозию аппаратуры, способствовать образо­ ванию накипей, стать причиной засорения трубопроводов и аппара­ тов, вспенивания воды в котлах и аппаратах, ухудшения процессов флотации и т. п. Поэтому к воде, употребляемой и в технике и в быту, предъявляются определенные требования в отношении содержания механических примесей, растворенных солей, газов.

Характеристика воды. Качество воды определяется ее физически­ ми и химическими характеристиками. Основные показатели качества

28

воды: жесткость, общее солесодержание, окисляемость, прозрачность, цвет, запах, реакция.

Ж е с т к о с т ь — это свойство воды, обусловленное присутстви­ ем в ней растворимых солей кальция и магния. Различают жесткость временную и постоянную.

В р е м е н н а я ж е с т к о с т ь вызвана присутствием в воде растворимых кислых углекислых солей кальция и магния Са (НС03)2 и Mg(HC03)2 — бикарбонатов. При кипячении воды соли эти разла­ гаются, из раствора выпадает осадок СаС03 (карбонат кальция):

хлористых и сернокислых солей кальция и магния в растворе. При кипячении воды эти соли не удаляются.

Жесткая вода создает большие трудности при работе. При кипя­ чении жесткой воды из углекислых солей кальция и магния образует­ ся нерастворимый осадок карбонатов кальция или основной соли магния. Осадок этот отлагается на внутренней поверхности труб паровых котлов в виде накипи. Накипь ухудшает передачу тепла через стенки труб, происходит их перегрев и преждевременный износ.

Хлористые и сернокислые соли кальция и магния, вызывающие постоянную жесткость воды, образуют накипи, если наряду с этими солями в воде присутствуют растворимые углекислые соли (например,

Поэтому соли, вызывающие жесткость, должны быть удалены из

щееся после испарения воды и высушивания остатков при 105—110° С, называется сухим остатком. Сухой остаток выражается количеством миллиграммов его в одном литре воды.

О к и с л я е м о с т ь в о д ы — это свойство воды, обусловлен­ ное присутствием в ней органических веществ. От их содержания

через который можно различить визуально или при помощи фотоэле­ мента изображение креста или определенного шрифта.

Р е а к ц и я в о д ы — это ее кислотность или щелочность. Воды в зависимости от назначения условно подразделяют на про­

мышленные и питьевые.

П и т ь е в ы е в о д ы должны быть в первую очередь освобож­ дены от бактерий: к ним предъявляются особые требования в отноше­ нии вкуса, цвета, запаха.

29