Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы технологии переработки руд. Учебное пособие
.pdf
Основные процессы солевой технологии
Большая часть минеральных удобрений является различными минеральными
солями или твердыми веществами со свойствами подобными солям. В современной
промышленности технологические схемы производства минеральных удобрений
разнообразны, однако, как правило, состоят из одинаковых типовых процессов,
характерных для солевой технологии. Главная цель солевой технологии – это
разделение сложных смесей, которые состоят из нескольких солевых компонентов
[22, 23].
Технология переработки минерального сырья в минеральные удобрения (соли)
может происходить либо его высокотемпературной обработкой, либо «мокрым»
способом в жидких средах или суспензиях. Поэтому кроме обычных процессов
(измельчение, классификация, обогащение, сушка) подготовки исходного сырья к
переработке, в солевой технологии важное значение играют два вида процессов:
термическая (термохимическая) обработка – это обжиг сырья либо шихты и
растворение и перекристаллизация компонентов, связанные с их химической
обработкой, разделением, очисткой растворов от примесей.
Обжиг – это процесс термической обработки веществ, его смысл заключается
в нагреве их до определенной температуры, выдержке при ней некоторое время и
охлаждении. При обжиге, в зависимости от условий процесса, идут реакции
термического разложения, окисления и восстановления. Образуются полиморфные
модификации минералов. В с этим, протекающие при обжиге химические
превращения, называют соответственно. Кальцинационный обжиг или кальцинация,
его целью является удаление из вещества летучих компонентов, как правило, оксида
углерода (IV) и конституционной воды. Например, обжиг известняка описывается
уравнением:
СаСО
= СаО + СО2,
3
или дегидратация гидроксида алюминия до его оксида:
171
2А1(ОН)
- А1
3
+ ЗН2О.
2О3
Окислительный обжиг. Его целью является повышение степени окисления
элемента, например:
6FeO + O2 = 2Fe3O4, или превращение сульфида в оксид:
2CuS+3O2 = 2CuO + 2SO2.
Восстановительный обжиг, его целью является понижение степени окисления
элемента, например, реакция получения фосфора:
Са3(РО
+ 5С + 3SiO2 = Р2 + 5СО + 3CaSiO3.
4)2
Частным случаем обжига является спекание сырья с какими-либо реагентами,
цель которого – образование растворимых, извлекаемых из сырья продуктов.
Приведем пример реакции спекания фторапатита с содой:
Ca5(PO4)3F + 2Na2CO3 + SiO2 = = 3CaNaPO4 + Ca2Si04 + NaF -I- 2CO2-
Обжиг, спекание являются гетерогенными процессами, в которых реакции
протекают в системах «Твердое-Твердое», «Твердое-Жидкое» и ТвердоеГазообразное». Причем газообразная и жидкая фазы образуются за счет
диссоциации и проплавления твердой фазы. Следовательно, скорость этих
процессов зависит и от скорости химической реакции, и от скоростей процессов
возгонки, плавления, диффузии твердых, жидких и газообразных компонентов через
фазы, образованные реагирующими веществами и продуктами их взаимодействия.
В результате политермической кристаллизации пересыщенный раствор
возникает вследствие охлаждения системы. Процесс идет при переменной
температуре. Данный метод применяют при кристаллизации тех веществ,
растворимость которых значительно возрастает с ростом температуры.
172
В результате изотермической кристаллизации пересыщенный раствор
возникает вследствие выпаривания части растворителя. Процесс протекает при
постоянной температуре. Метод применяют при кристаллизации веществ,
растворимость которых практически не зависит от температуры.
Высаливание является частным случаем кристаллизации – это процесс
выделения твердой фазы введением в концентрированный раствор добавок, которые
понижают растворимость растворенного вещества.
Наибольшее значение из типовых процессов солевой технологии отводится
операции разделения солей, которые находятся в твердых смесях или растворах.
Кроме указанных выше процессов кристаллизации и выщелачивания, к типовым
процессам солевой технологии относят: ионный обмен, экстракцию веществ
неводными растворителями, флотацию, гидросепарацию и ряд других. Эти
процессы рассмотрим ниже при описании конкретных производств.
Калийные минеральные удобрения являются природными или
синтетическими солями и содержат питательный элемент в форме иона калия (К+).
Природа аниона определяет калийные удобрения как хлоридные (содержат анион
хлора Сl-) и бесхлоридные.
Калийные удобрения хлоридного типа – это природные минералы, такие как
каинит, сильвинит, продукты промышленной переработки минералов (хлорид
калия), а также смешанные калийные соли, которые получают смешением
природных минералов с хлоридом калия. Так же сюда относят электролитные
растворы, которые являются побочными продуктами электролиза карналита.
Бесхлоридные калийные удобрения – это сульфат калия и калимагнезия или двойная
соль сульфата калия и сульфата магния.
Следует отметить, что калийные удобрения, как и все соли калия, растворимы
в воде. Они выпускаются в кристаллическом и гранулированном виде. Содержание
питательного элемента в них при пересчете на К2О составляет от 10 % в природных
минералах до 60 % в концентрированном удобрении (хлориде калия) [22, 23].
173
6.6 Вопросы и упражнения
1. Перечислите основные элементы, которые входят в состав растительных
тканей и укажите их роль в жизнедеятельности растений.
2. Чем обусловлена необходимость добавления в почву минеральных
удобрений на современном этапе земледелия?
3. Приведите классификацию современных минеральных удобрений.
4. Какие существуют способы выражения содержания питательных веществ в
минеральных удобрениях?
5. Укажите основные типовые процессы солевой технологии, используемые в
производстве минеральных удобрений и приведите примеры.
6. Чем отличается физическое растворение от химического? Политермическая
кристаллизация от изотермической? Приведите примеры.
6.7 Тестовые задания
3.1 Один из основных многотоннажных продуктов химической
промышленности это –
- серная кислота;
- железо и его сплавы;
- производство азотных удобрений;
- производство фосфорных удобрений.
3.2 В настоящее время практически вся серная кислота производится
- сухой перегонкой сульфата железа;
- контактным методом;
- нагреванием смеси серы и нитрата калия с последующим поглощением оксида
серы (VI) водой.
3.3 Большие масштабы производства серной кислоты особенно остро ставят
174
проблему его совершенствования. Здесь можно выделить следующие основные
направления:
- расширение сырьевой базы за счет использования отходящих газов котельных
теплоэлектроцентралей и различных производств;
- повышение единичной мощности установок. Увеличение мощности в два-три
раза снижает себестоимость продукции на 25 – 30 %;
- интенсификация процесса обжига сырья путем использования кислорода или
воздуха, обогащенного кислородом. Это уменьшает объем газа, проходящего через
аппаратуру, и повышает ее производительность;
- повышение давления в процессе, что способствует увеличению интенсивности
работы основной аппаратуры;
- применение новых катализаторов с повышенной активностью и низкой
температурой зажигания;
- повышение концентрации оксида серы (IV) в печном газе, подаваемом на
контактирование;
- все перечисленные.
3.4 Соли и другие неорганические природные или полученные промышленным
путем вещества, содержащие в своем составе элементы, необходимые для питания
растений и улучшения плодородия почвы, используемые с целью получения высоких
и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур это -
- производство азотных удобрений;
- производство фосфорных удобрений.
- минеральные удобрения;
- биогены.
3.5 В образовании тканей растения, в его росте и развитии принимают участие
около семидесяти элементов, в основном это - :
- элементы органогены (углерод, водород, кислород, азот);
- зольные элементы (фосфор, калий, кальций, магний, сера);
- микроэлементы (бор, молибден, медь, цинк, кобальт);
- элементы, входящие в состав хлорофилла и различных ферментов (железо,
175
марганец);
- все перечисленные.
3.6 Важнейшее значение для питания растений имеют
- все перечисленные ниже.
- азот;
- фосфор;
- калий.
3.7 Ассортимент выпускаемых промышленностью минеральных удобрений
весьма многообразен. Они классифицируются
- по природе питательного элемента;
- по содержанию и числу питательных элементов;
- по способам получения;
-по свойствам;
- всем перечисленным.
3.8 Используемое для производства минеральных удобрений сырье:
- природное минеральное (апатиты, фосфориты, сильвинит, каряалит);
- атмосфера (азот воздуха);
- продукты и полупродукты химической и других отраслей
промышленности (минеральные кислоты, щелочи, сода);
- отходы других производств (фосфатные шлаки);
- все перечисленные.
3.9 Переработка минерального сырья в соли (и в минеральные удобрения)
может идти путем
- его высокотемпературной обработки;
- «мокрым» путем в жидких средах и суспензиях.
3.10 Обычные процессы подготовки сырья к переработке
- измельчение;
- классификация;
- обогащение;
- сушка.
176
3.11 В структуре потребления сельским хозяйством минеральных
1 Азотные удобрения
1. 1 46,6 %
2 Фосфорные удобрения
2. 2 23,1 %
3 Калийные удобрения
3. 30,3 %
4. 50 %.
1 Заводы по производству
суперфосфата
1. С производством аммиака
2 Заводы по производству нитрата
аммония
2. С сернокислотными
3 Производство карбамида
3. С цехами синтеза аммиака и
азотной кислоты
4. С производством кокса
удобрений в России удобрения составляют соответственно
3.12 Эффективность использования минеральных удобрений существенно
зависит от
- правильного сочетания питательных элементов;
- от способа производства;
- термической обработки сырья.
3.13 Производства многих минеральных удобрений комбинируют с
другими химическими производствами, вырабатывающими продукцию,
потребляемую в качестве сырья производствами минеральных удобрений, что
исключает необходимость нерентабельных перевозок. Например, строят рядом
[24]:
177
7 Возможности использования техногенного сырья
7.1 Ландшафтно-геохимические особенности техногеосистемы Гайского
месторождения
Проблема изучения формирования техногеосистем рудных месторождений в
целом достаточно глубоко проработана в отечественной науке. Сюда относятся как
научные исследования, посвященные региональным особенностям техногеосистем
(Европейский Север России – Калабин Г.В., Красовская Т.М., Душкова Д.О., Евсеев
А.В.: Урал – Емлин Э.Ф., Волков С.Н., Кецко О.Г.), так и связанные с изучением
отдельных процессов (аварий, катастроф, взрывов), влияющих на формирование
техноегнных геосистем (Исмаилов Т.Т., Комащенко В.И., Голик В.И.). В
Оренбургской области изучение воздействия подземных вод на формирование
техногеосистем медноколчеданных месторождений проводилось Захаровой В.Я.,
Сквалецким Е.Н., Гаевым А.Я., Нестеренко Ю.М., Бутолиным А.П. На Урале
широко известны работы в области геоэкологии медноколчеданных месторождений
Масленникова В.В., а также Опекунова А.Ю. по Сибайскому месторождению,
Работы Емлина Э.Ф. по изучению техногеосистем Урала, исследования Макарова
А.Б. техногенно-минеральных месторождений Урала и многие другие работы по
Уральскому региону [26, 27, 28, 29 и др.]. Среди зарубежных ученых выделяются
работы по геоэкологии медесодержащих месторождений Ларге Р.(Австралия),
Херрингтона Р (Великобритания), Керестедьяна Т.(Болгария).
В настоящей главе мы остановимся на возможности использования карьерно-
отвальных комплексов медноколчеданных месторождений Урала на примере
крупнейшего Гайского месторождения
Проведенные исследования техногеосистемы Гайского месторождения
сопровождались определением концентрации черных и цветных [30, 31]. Из группы
178
черных металлов определяли концентрации Fe, Cr, из цветных (условный термин)
металлов – те, которые определяют основу цветной металлургии – Mg, Ni, Cu, Zn,
Pb, Ca, Na, K. Из неметаллов определяли B, S, P.
При разработке гипсометрических профилей, построения ландшафтно-ярусных
моделей техногеосистемы Гайского месторождения использовались результаты
георадарной съемки SRTM (разрешение 90 м) и ASTER GDEM (разрешение 30 м)
[32]. На локальном уровне для формирования ярусной модели отвала карьера №2
Гайского месторождения использовались возможности георадарной съемки,
позволившей определить степень однородности толщи отвалов и особенности
внутренней структуры склонов отвала.
При классификации космических снимков Landsat 8 на территорию Гайской
техногеосистемы использован алгоритм неконтролируемой классификации
ISODATA, с помощью которого проведено объединение близких по свойствам
природно-техногенных комплексов и проведено их сопоставление по особенностям
многолетней (10 лет) динамики. Синтез элементов техногеосистемы в единые
классы проведен на основе параметров теплового излучения (склоны южной
экспозиции, открытые участки вершины отвалов, лишенные растительности).
Ключевым фактором трансформации природно-техногенных комплексов в
пределах Гайского месторождения является Гайский горнообогатительный
комбинат, деятельность которого за более чем 60-летнюю историю эксплуатации
месторождения коренным образом преобразовала ландшафтную среду, которая и до
начала добычи характеризовалась наличием крупных геохимических аномалий, в т.ч
сульфатов меди [33, 34, 35]. Высокое содержание цинка, кобальта и молибдена
отмечалось в форме геохимических полей, коррелирующих с корами выветривания
по горным породам, принадлежащим к различным рудо-формационным условиям
[33, 34, 35]. Современный уровень концентрации тяжелых элементов Гайской
техногеосистемы превышает фоновые значения по свинцу в 4,6 раза, по меди в 2,5
раза, по никелю в 2 раза, по цинку в 1,6 раза.
Анализ концентрации тяжелых элементов в различных компонентах Гайской
техногеосистемы в целом, соответствует ярусной ординации структуры
179
парадинамических геосистем [36, 37].
Ключевым звеном ландшафтно-техногеохимических катен в пределах Гайского
месторождения выступают водораздельно-элювиальные геосистемы, в пределах
которого доминирует цинково-свинцовый геохимический класс аккумуляции.
Более сложным классом накопления тяжелых элементов – цинково-свинцовохромовым – характеризуются звенья верхних наиболее крутых склонов
ландшафтно-техногеохимических катен, которые объединяются в
трансэлювиальный уровень ярусной геохимической модели Гайской
техногеосистемы.
На среднем уровне склонов геохимический класс меняется на цинковосвинцово-никелевый, который образует устойчивый по высотным отметкам
трансэлювиально-аккумулятивный ярус. Для него по-прежнему типоморфными
химическими элементами остаются цинк и свинец.
В почвах и почвообразующих породах подножий склонов и нижних их частей
преобладают свинец и хром, образующие соответствующее звено катены.
Супераквальное звено катены, в котором происходит аккумуляция тяжелых
элементов, имеет цинково-медно-никелевый класс. Следует отметить, что
повышенное содержание меди в почвах и почвообразующих породах проявляется
только на этом уровне – в разнообразных отложениях оврагов, ложбин и балок.
Многолетние наблюдения показывают, что выщелачивание тяжелых
элементов из отвалов в систему местных водотоков, входящих в систему
локальных бассейнов, окружающих техногеосистему Гайского месторождения,
приводит к формированию геохимических аномалий поверхностных вод,
например в рр. Елшанка, Ялангас, Колпачка (Самарина В.С. и др., 1999). Кроме
того фильтрация тяжелых элементов привела к формированию комплекса
техногенных подземных вод, которые располагаются близко к поверхности и
воздействуют на трансформацию горизонта грунтовых вод. Данный горизонт
ежегодно пополняется тяжелыми элементами ха счет фильтрации из отвалов, в т.ч.
в форме выходов техногенных родников, и концентрации в подотвальных ручьях и
котловинах.
180
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]