Комплексное использование сырья и утилизация отходов. Сборник задач. Учебное пособие

УДК 66.02

ББК Л20-3я7

П71

Научный редактор профессор С.И. НИФТАЛИЕВ

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра химии Воронежского государственного лесотехнического университета им. Г. Ф. Морозова;

д-р хим. наук В. Ф. СЕЛЕМЕНЕВ (Воронежский государственный университет)

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Воронежского государственного университета инженерных технологий

Перегудов, Ю. С.

Комплексное использование сырья и утилизация отходов. П27 Сборник задач [Текст] : учеб. пособие / Ю. С. Перегудов, О. А. Козадерова, С. И. Нифталиев; Воронеж. гос. ун-т

инж. технол. – Воронеж: ВГУИТ, 2018. – 71 с.

ISBN 978-5-00032-313-7

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями ФГОС ВО подготовки выпускников по направлениям 18.04.01 и 18.03.01 – «Химическая технология». Оно предназначено для закрепления теоретических знаний дисциплин «Комплексное использование сырья и утилизация отходов» и «Химическая технология неорганических веществ» блока 1.

Оригинал-макет данного издания является собственностью Воронежского государственного университета инженерных технологий, его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия университета запрещается.

2

ОТ АВТОРОВ

Комплексное использование сырья является актуальной проблемой в химической технологии неорганических веществ, где себестоимость продукции, приходящаяся на долю сырья, может составлять 60-70 %. Очень часто использовался лишь один из ценных компонентов, содержащихся в сырье, остальные шли в отходы производства. При этом образующиеся на различных стадиях производства побочные вещества мало использовались или не использовались совсем, так как требовали дополнительной обработки. Отходы, захороненные на полигонах, изменяли состояние почвы и окружающей среды. Поэтому в настоящее время в связи с ухудшающейся экологической обстановкой все больше внимания стали уделять развитию безотходных технологических процессов. Комплексная переработка сырья предполагает максимальное извлечение и использование всех ценных соединений, содержащихся в сырье, а также полное использование отходов, являясь одним из основных направлений рационального природопользования. Таким образом, комплексное использование сырья позволяет не только расширить сырьевую базу, увеличить номенклатуру и объем производимой продукции, снизить технологические потери сырья и энергии, но и уменьшить загрязнение окружающей среды отходами.

Для того чтобы осуществлять комплексную переработку минерального сырья, необходимо знать и уметь осуществлять подготовительные и основные операции подготовки сырья, выбор соответствующего высокопроизводительного оборудования и проводить расчеты по определению содержания пустой породы и ценного компонента в сырье; выхода концентрата; степени извлечения полезного компонента; степени обогащения сырья; выхода продукта; расходных коэффициентов по сырью; производительности оборудования; интенсивности технологических процессов.

3

1.ПОДГОТОВКА ХИМИЧЕСКОГО СЫРЬЯ

КПЕРЕРАБОТКЕ

Классы минералов

Сырьем для производства продуктов неорганической химии служат минералы, содержащие фосфор, калий, натрий, серу, бор, бариты, бром, йод и др. По химическому составу все минералы подразделяются на 10 классов.

1)Силикаты. Класс минералов, включающий в себя полевые шпаты, ортоклаз, микроклин, слюды, тальк, каолинит и др. (до 800 разных минералов).

2)Карбонаты. Класс минералов, включающий кальцит, доломит, магнезит и др. (до 80 разных минералов).

3)Оксиды. Самый распространённый и устойчивый минерал этого класса – кварц (12,6 % массы земной коры), который входит в состав почти всех горных пород.

4)Гидроксиды – к ним относятся такие минералы, как лимонит, магнетит и др.

5)Сульфиды – это соли сероводородной кислоты. В природе таких минералов насчитывается около 200 видов, например, пирит, халькопирит, галенит, сфалерит и некоторые другие.

6)Сульфаты – это соли серной кислоты. В природе их насчитывается около 260 видов, например, гипс, ангидрит, мирабилит.

7)Галогениды – соли галогеноводородных кислот. Этих минералов в природе насчитывается около 100 видов, например, галит, флюорит, сильвинит. Многие из них растворимы в воде.

8)Фосфаты – соли фосфорных кислот. Их около 350 видов, например, апатит, фосфорит, вивианит.

9)Вольфраматы – соли вольфрамовой кислоты (вольфрамовые руды, вольфрамит). Многие сплавы вольфраматов обладают высокой твердостью, например, победит, используемый при бурении скважин.

10)Самородные элементы – их около 50 видов – алмаз, графит, сера, золото, серебро и др.

4

При переработке минералов необходимо учитывать их состав, влажность, наличие примесей и свойства, например, такие, как твердость, плотность, магнитные и электрические характеристики.

Твердость сырья важна при подборе оборудования для осуществления основной подготовительной операции – измельчения (табл. 1 приложения). Так, например, конусные дробилки используются для дробления особотвердых минералов.

Магнитная восприимчивость минералов используется при магнитном обогащении сырья (табл. 2 приложения). Этот вид обогащения применяют при подготовке железных руд, марганцевых, медно-никелевых и руд редких металлов.

Гравитационные способы обогащения сырья основаны на разделении минералов по плотности (табл. 3 приложения). Минералы, содержащие много воды, будут сравнительно легкими. К ним относятся, например, цеолиты (из класса силикатов) и такие соединения, как купоросы, квасцы и т. п., которые содержат кристаллизационную воду. Графит и алмаз, являющиеся полиморфными модификациями углерода, имеют разную плотность в связи с различием их структур (плотность графита 2,2 г/см3; алмаза 3,5 г/см3). Один и тот же минерал в зависимости от месторождения может иметь разную плотность, так как его химический состав не является постоянным (различаются влажность, массовые доли ценных компонентов, примесей и пустой породы).

К основным электрическим свойствам минералов относятся диэлектрическая проницаемость и электрическое сопротивление или обратная ему величина — электропроводность. Разная электрическая проводимость компонентов минерального сырья позволяет использовать электрическую сепарацию (табл. 4 приложения), в результате которой, проводники (например, галенит, магнетит и др.) хорошо отделяются от полупроводников (боксита, касситерита, сфалерита и др.) и непроводников (алмаза, апатита, кварца и др.). К хорошо проводящим электрический ток минералам (сопротивление 10-6-10-4 Ом м) относятся самородные металлы. К полупроводникам (сопротивление 10-5 - 103 Ом м) — большая часть рудных минералов (пирит, пирротин, галенит, ко-

5

веллин, сфалерит и др.); к диэлектрикам — большая часть породообразующих минералов, в том числе все минералы класса силикатов, сульфатов, карбонатов, некоторые оксиды (кварц, корунд). Диэлектрическая сепарация минералов основа на различии в траектории движения частиц с разной диэлектрической проницаемостью в неоднородном электрическом поле (табл. 5 приложения). Диэлектрическая проницаемость воды равна 81, поэтому возможность эффективного применения диэлектрической сепарации для минералов существенно будет зависеть от их влажности.

Подготовительные и основные операции

Сырье, предназначенное для переработки в готовую продукцию, должно удовлетворять определенным требованиям. Это достигается проведением комплекса операций, составляющих процесс подготовки сырья к переработке. В процессе подготовки сырье приобретает заданную концентрацию полезного компонента, влажность, допустимое содержание примесей, необходимую дисперсность. В комплекс операций подготовки твердого сырья входят: классификация, измельчение или укрупнение, обезвоживание, обогащение.

Классификация – процесс разделения однородных сыпучих материалов на фракции (классы) по размерам составляющих частиц – осуществляется рассеиванием материалов на ситах (грохочение), разделением смеси частиц по скорости осаждения в жидкой фазе (гидравлическая классификация), разделением смеси частиц по скорости их осаждения в воздухе с помощью сепараторов (воздушная классификация).

Измельчение – механический процесс деления твердого тела на части за счет приложения внешних сил. Измельчение может производиться методами удара, раздавливания, истирания. Мерой измельчения является степень измельчения:

i = Dн , Dк

где Dн и Dк – средний размер частиц до и после измельчения со-

6

ответственно. В отдельных случаях процесс подготовки включает операцию укрупнения порошкообразного материала методами брикетирования или агломерации.

Обезвоживание материала осуществляется методами стекания, отстаивания (в случае жидких систем), сушки.

Сушкой называется процесс удаления влаги или другой жидкости из твердых материалов путем ее испарения и отвода образующегося пара. Условием сушки является обеспечение неравенства:

Рм>Рс,

где Рм – давление пара во влажном высушиваемом материале, а Рc – парциальное давление пара в окружающей среде.

Обогащением называется процесс отделения полезной части сырья (полезного компонента) 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. Количественные показатели процесса обогащения следующие:

1. Выход концентрата, т.е. отношение массы полученного концентрата mК к массе обогащаемого сырья mС:

2. Степень извлечения полезного компонента, пред-

ставляющая отношение массы полезного компонента в концентрате mкк к его массе в обогащаемом сырье mКС:

3. Степень обогащения сырья, которая представляет со-

бой отношение массовой доли полезного компонента в концентрате ωКК к массовой доле его в обогащаемом сырье ωКС:

7

Методы обогащения

Выбор метода обогащения зависит от агрегатного состояния и свойств компонентов сырья. Известно много методов обогащения сырья. Важнейшие из них: механический, термический, химический, электромагнитный, флотационный, или физико-химический.

Механический метод обогащения твердых минералов включает:

-метод грохочения, основанный на том, что менее прочные минералы, входящие в состав сырья, при измельчении дробятся на более мелкие частицы, чем минералы более прочные. Просеивание измельченной породы через сита (грохоты) позволяет получить фракции, обогащенные тем или иным минералом, за счет отделения мелких частиц от крупных;

-гравитационное обогащение основано на разной скорости оседания частиц различной плотности и размеров в потоке газа (сухое обогащение) или жидкости (мокрое обогащение), а также в поле центробежной силы.

Термический метод обогащения основан на различной плавкости компонентов, входящих в состав сырья. Например, выплавка серы из серосодержащих руд: температура плавления

серы 113-119 °С, что гораздо ниже температуры плавления простой руды.

Химический метод. Существует несколько способов химического обогащения сырья, которые основаны на:

-избирательной растворимости составных частей сырья в растворителях;

-на различии во взаимодействии компонентов сырья с химическими реагентами, с последующим выделением образовавшегося соединения – осаждением, испарением, плавлением и т.п.

Электромагнитный метод основан на различной маг-

нитной проницаемости твердых материалов, входящих в состав сырья. Метод применяют для обогащения магнитных железняков в металлургической промышленности.

8

Электростатический метод основан на различной электрической проводимости компонентов сырья.

Флотационный или физико-химический, метод основан на различной смачиваемости водой минералов. Смачивающиеся водой (гидрофильные) кристаллы оседают на дно флотационной машины, а не смачивающиеся водой (гидрофобные) кристаллы увлекаются пузырьками воздуха, продуваемого через пульпу, и поднимаются вверх – флотируются, образуя минеральную пену – концентрат. Для успешного проведения процесса флотации необходимо создавать условия для неодинаковой смачиваемости водой частиц минералов, подлежащих разделению. С этой целью в пульпу вводят различные флото-

реагенты: пенообразователи (вспениватели), собиратели (коллекторы), депрессоры, активаторы, регуляторы. Расход флотореагентов колеблется от 50 до 500 г на 1 т флотируемой руды. Важнейшие экономические показатели процесса флотации: выход концентрата, степень извлечения полезного компонента, степень обогащения сырья.

При обработке твердого сырья часто приходится сталкиваться с задачей разделения частиц на фракции. Такие задачи решаются при помощи процесса просеивания или грохочения. Грохочение осуществляется в аппаратах, называемых грохотами, основной частью которых являются плоские, цилиндрические или конические сита. При помещении обрабатываемого материала на такие сита крупные куски остаются на их поверхности, а мелкие, размер которых меньше отверстий в сите, падают вниз. Классификацию анализируемой пробы проводят и в лабораторных условиях. Перед ситовым анализом подбирают сита в колонку (сверху вниз) в порядке уменьшения диаметра отверстий. Навеску руды помещают на верхнее сито всю сразу или по частям и закрывают крышкой. Затем всю колонку сит подвергают встряхиванию в течение 10 мин, не отрывая ее при этом от рабочего стола. После встряхивания металл распределяется по ситам на классы разной крупности. Взвешивание каждого класса с определением выхода его в процентах дает характеристику распределения сырья по крупности.

9

На рис. 1 показана схема обработки руды. Пробу подают на грохоты с диаметром отверстий 16, 8, 4, 2 и 1 мм.

Рис. 1.

Классы +16 мм и -1 мм идут на дополнительную обработку (знак «-» около цифры показывает размер отверстий сита, полностью пропускающих куски; знак «+» - размер отверстий сита их задерживающих). Концентраты по каждому классу -16, + 8 мм; - 8 , + 4 мм; - 4 , + 2 мм; - 2 , +1 мм поступают на сушку и дальнейшую обработку или анализ.

Примеры решения типовых задач

Задача 1.

Вычислите массовую долю железа в руде, содержащей 85,63 % оксида железа Fe3O4.

Решение. Определим массовую долю железа в Fe3O4:

В этой формуле Ar(Fe) – относительная атомная масса железа, Mr(Fe3O4) – относительная молекулярная масса Fe3O4. Множитель 3 в числителе показывает, что в Fe3O4 содержится

3 атома Fe.

Рассмотрим руду массой 100 кг. Если массовая доля оксида железа Fe3O4 в руде равна 85,63 % (по условию), то в 100 кг руды содержится 85,63 кг Fe3O4.

10