Промышленная экология

Руды, в состав которых входят соединения разных металлов, называютполиметаллическими.

Нерудное минеральное сырье разнообразно по химическому составуилибоприменяетсявестественномсостояниипесок, глина, асбест, слюдаи др., либопоступаетнахимическую переработкусульфаты, фосфаты, карбонаты, хлориды, алюмосиликатыит. п.

Горючиеминеральныеископаемыеторф, бурыеикаменныеугли, сланцы, атакженефтьи природныйгазотносяткорганическим соединениямииспользуютвкачествесырьяиисточниковэнергии.

Особенностью минерального сырья является его невозобновляемость, а также неравномерность распределения по поверхностиземлииеенедрам.

Растительноеиживотноесырье- древесина, хлопок, маслаи жиры, молоко, кожа, шерстьит. п. - перерабатываютиливпродукты питания(пищевоесырье), иливпродуктыбытовогоипромышленного назначения (техническое сырье). Источниками растительного и животного сырья являются ресурсы естественной среды обитания:

земельные, лесные, водные. Многиевидырастительногоиживотного сырьяпередпоступлением впроизводствосортируют, перебираюти очищают. Коэффициент использования растительного и животного сырья невелик, поэтому задача комплексного и максимального использованияэтого сырья имеетещебольшеезначение, чем для минерального.

В химической промышленности широко применяются и такие доступныеидешевыевидысырья, какводаивоздух.

Невозобновимое сырье не восстанавливается совсем или восстанавливаетсязначительномедленнее, чемидетегоиспользование человекомвобозримыйпериодвремени.

Возобновимоесырье– эторастительноеиживотное, некоторое минеральноесырье(например, соли, осаждающиесявозерах). Темпы расхода этого вида сырья должны соответствовать темпам его потребления, иначеоностанетневозобновимым.

Полупродукты– веществаиматериалы, являющиесяисходнымив производствепродуктовиполученныеизприродногосырьявдругом производстве.

Вторичноесырье – используемыев производстве вещества и материалы, являющиесяневостребованнымивдругихпроизводствах. Источникамиихявляютсяотходыпроизводстваиотходыпотребления.

Отходы производства - это остатки, которые получают при

21

технологическойпереработкесырья, материаловилиполуфабрикатовв конечные продукты, они не соответствуют требованиям, предъявляемым к готовой продукции, но после предварительной обработки (или без нее) могут быть использованы в другом производствевкачествесырья.

Отходы потребления – бывшие в употреблении вещества и изделия, восстановлениекоторыхэкономическиневыгодно.

Стоимостьсырьяв химической промышленности составляетв среднем60-70 % себестоимостипродукта. Решениесырьевойпроблемы осуществляется разнообразными путями: приближением источников сырьякпроизводству, т. е. использованиемболеедешевогоместного сырья; переработкойотходов, пылевыхигазовыхуносовосновного производствавновыепродукты, непосредственным использованием отходов, предварительным обогащением сырьяв целях повышения концентрации полезных компонентов; заменой одного вида сырья другим, болееэкономичным. Например, переходскаменногоуглякак основногосырьяхимическойпромышленностинанефтьиприродный газ дал большой экономический эффект. Расчетные данные свидетельствуют, что себестоимостьдобычи и подготовки нефти в пересчетенаединицуусловноготопливав3,5 раза, априродногогазав12 разменьше, чемугля, добытогошахтнымспособом. Дешевыйи доступныйприродныйгазипродуктынефтепереработкиобеспечивают снижение себестоимости продуктов массового производства: пластическихмасс, синтетическихволокон, каучуков, моющихсредств идр. Использованиеприродногогазавместококсаснижаетпочтивдвое себестоимостьаммиакаи, соответственно, уменьшаетсебестоимость азотныхудобрений.

1.3.2.2. Принципыобогащениясырья

Важное технико-экономическое значение в рациональной переработкесырьяимеетиспользованиеконцентрированного сырья, обогащенного полезными компонентами. Применение концентрированного сырья снижает стоимость последующей химической переработки и, следовательно, стоимость продукта производства и повышает его качество. Такое сырьеспособствует интенсификации технологического процесса и экономии топлива. Расходы натранспортировкусырьякместупереработкиснижаются пропорциональноконцентрацииценныхкомпонентов.

22

Концентрированноесырьеполучаютегообогащением. Впроцессе обогащения отделяют ценныекомпоненты отпримесей, используя различиявихфизических, физико-химическихихимическихсвойствах, атакжеразделяютнакомпонентысложныесмеси, полиметаллические руды. Методы обогащенияразнообразны ипринципиальноразличны длятвердого, жидкогоигазообразногосырья.

Твердоеминеральноесырьепредварительно измельчают, далее измельченнаямассапоступаетнаобогащение, врезультатекоторого получают концентрат (фракция, обогащенная полезными компонентами) ипустую породухвосты. Длятвердогосырьячаще всего применяютмеханические способы обогащения - рассеивание (грохочение), гравитационное разделение, электромагнитную и электростатическую сепарацию, атакжефизико-химическийметод- флотацию.

Рассеивание (грохочение) применяют для разделения твердой породы, содержащейминералыразличнойпрочностииобразующейпри измельчении зерна разной величины. При последовательном пропусканииизмельченногосырьячерезгрохотыметаллическиесита сотверстиямиразныхразмеровпроисходитразделениенафракции, обогащенныеопределеннымминералом.

Гравитационноеобогащение(мокроеисухое) основанонаразной скорости падения частиц измельченного материала различной плотностиивеличины впотокежидкостиилигазаилинадействии центробежнойсилы. Чащевсегопроводятмокроеобогащениевпотоке воды. Центробежноеускорениевгидроциклонахвомногоразвыше ускоренияприосаждениичастиц, поэтомуонидаютболеевысокую производительность, чемосадительныекамеры; соответственноменьше ихгабариты. Гравитационныеспособы применяютдляобогащения сырьявпроизводствахминеральныхсолей, силикатныхматериалов, в металлургииатакжеприобогащенииуглей.

Электромагнитноеиэлектростатическоеобогащениеосновано на различиях в магнитной проницаемости или в электрической проводимости компонентов сырья. Эти способы применяют для отделения магнитовосприимчивых частей от немагнитных и электропроводящихотдиэлектриков.

Флотация - широко распространенный способ обогащения, применяющийсядляразделенияполиметаллическихсульфидныхруд, обогащениякаменныхуглейи многихдругихминералов. Флотация основананаразличиивсмачиваемостиводойиприлипаниичастиц обогащаемого минерала к пузырькам пропускаемого черезпульпу воздуха. Плотностьагрегатаминералвоздухменьше, чемплотность

23

того же объема пульпы, поэтому он всплывает на поверхность. Большинство минералов природных руд мало отличаются по смачиваемостидруготдруга. Дляихразделениянеобходимосоздать условиянеодинаковойсмачиваемостиводойотдельныхкомпонентов породы, длячегоприменяютразнообразныехимическиесоединенияфлотационныереагенты.

Термическоеобогащениетвердогосырьяоснованонаразличиив плавкостикомпонентовсырья. Например, нагреваниемсеросодержащей породы отделяют легкоплавкую жидкую серу от пустой породы, состоящейизболеетугоплавкихизвестняков, гипсаидр.

Химическоеобогащениеоснованонаразличиивовзаимодействии компонентов сырья с химическими реагентами с последующим выделением образовавшегося соединения осаждением, испарением, плавлениемит. п.

Для выделения ценных компонентов из жидкостей часто применяютэкстракцию- избирательноерастворениеихворганических растворителях. Припоследующейрегенерацииэкстрагентавыделяют одновременноипоглощенныевещества.

Газовыесмесиразделяют, используяразличиякомпонентовсмеси втемпературахкипения, растворимостиидругихсвойствах. Разные температуры кипения дают возможность при сжатии и сильном охлаждениипоследовательноконденсироватьотдельныекомпоненты.

Так, из коксового газа, содержащего 53-60 % Н, получают

2

газообразный водород, последовательно конденсируя и отделяя содержащиесявгазеуглеводороды, оксидуглерода, кислородиазот. В других случаях газовую смесь сжижают и затем разделяют на компонентыперегонкойвректификационныхколоннах.

Широкое распространение в промышленности для разделения газовыхсмесейнаходятметодысорбции- избирательноепоглощение компонентовсмесижидкими(абсорбция) илитвердыми(адсорбция)

веществами. Поглощенныекомпонентывыделяют(процессдесорбции) нагреванием, обработкойводянымпаромит. п.

1.3.2.3. Комплексноеиспользованиесырья

Сущность комплексного использования заключается в последовательной переработке сырья сложного состава в ценные продукты для наиболее полного использования всех компонентов сырья.

Примером комплексного использования органического сырья является термическаяпереработкатопливаугля, нефти, сланцев,

24

торфа. Так, при коксовании угля кроме целевого продукта - металлургического кокса - получают коксовый газ и смолу, переработкойкоторыхвыделяютсотниценныхвеществ: ароматические углеводороды, фенолы, пиридин, аммиак, водород, этилен и др. Применение указанных веществ в качестве продуктов народного хозяйствапривелокснижениюсебестоимостикокса.

Комплексноеиспользованиесырьяорганическисвязаноснаиболее прогрессивной и экономичной формой организации химического производства- комбинированиемпредприятий. Характернымпримером комбинирования является использование отходов основного производства для вновь организуемых производств. Высокий экономический эффект подобной связи обусловлен возможностью использования дешевого сырья - отходов и совместным ведением общезаводскогохозяйства(централизованноеподсобноеобслуживание, транспорт, складированиематериаловипр.). Приэтомсокращаютсяна 60-70 % капиталовложения на общезаводское хозяйство, снижается себестоимостьпродукции.

Химическаяпромышленность и еесмежныеотрасли наряду с энергетикой и транспортом являются источниками загрязнения окружающей среды. Борьбас загрязнением окружающей среды, в частности с промышленными выбросами, - важнейшая проблема современности. Одним изглавных приемовуменьшения, аиногда исключения промышленных выбросов служит полное комплексное использованиевсехкомпонентовхимическогосырья.

Достижения химии и химической технологии обеспечили возможностьзамены пищевогосырьянепищевымирастительного– минеральным дляпроизводстватехнических и бытовых продуктов. Такаязаменаувеличиваетпищевыересурсы народногопотребления, сохраняетлесныебогатства, снижаетсебестоимостьпродуктов.

1.3.2.4. Воздухиводакаксырьехимическойпромышленности

Химическая промышленность использует воздух и воду в огромных количествах и для самых разнообразных целей. Это объясняется комплексом ценных свойств воздуха и воды, их доступностьюиудобствамиприменения.

Воздухвхимическойпромышленностиприменяютвосновномкак сырьеили как реагентвтехнологических процессах, атакжедля энергетическихцелей.

Технологическое применение воздуха обусловлено химическим составом атмосферного воздуха; сухой, чистый воздух содержит

25

(объемнаядоляв%): N - 78,10; О - 20,93; Аr - 0,93; СО ~ 0,03 и

2 2 2

незначительныеколичестваНе, Nе, Кr, Хе, Н, СН, О, NО.

2 4 3

Чащевсегоиспользуюткислородвоздухавкачествеокислителя: окислительный обжиг сульфидных руд цветных металлов, серосодержащего сырья при получении диоксида серы в сернокислотном, целлюлозно-бумажном производствах; неполное окислениеуглеводородовприполученииспиртов, альдегидов, кислоти др. Кислород, выделяемыйректификациейжидкоговоздуха, вбольших количествахрасходуютдлякислороднойплавкиметаллов, вдоменном процессеит. п.; приректификацииполучаюттакжеазотиинертный газы, восновномаргон.

Азотиспользуютвкачествесырьявпроизводствесинтетического аммиакаидругихазотсодержащихвеществикакинертныйгаз. Воздух, применяемый в качествереагента, подвергается, в зависимости от характерапроизводства, очисткеотпыли, влагииконтактныхядов. Для этого воздух пропускают через промывные башни с различными

жидкимипоглотителями(НО, щелочи, этаноламиныидр.), мокрыеи

2

сухиеэлектрофильтры, аппаратысвлагопоглотительнымисорбентамии пр.

Энергетическоеприменениевоздухасвязано, преждевсего, с использованием кислородакакокислителядляполучениятепловой энергииприсжиганииразличныхтоплив.

Воздухиспользуетсятакжекакхладоагентприохлаждениигазов ижидкостейчерезтеплообменныеповерхностихолодильниковилив аппаратахпрямогоконтакта(например, охлаждениеводывградирнях), при грануляции расплавов некоторых соединений (например, аммиачнойселитры). Вдругихслучаяхнагретыйвоздухиспользуется кактеплоносительдлянагревагазовилижидкостей.

В пневматическихбарботажныхсмесителяхиспользуютсжатый воздухдляперемешиванияжидкостейипульпы, вфорсункахдля распыленияжидкостейвреакторахитопках.

Вода обладает универсальными свойствами, благодаря чему находитвнародномхозяйстверазнообразноеприменениекаксырье, в качестве химического реагента, как растворитель, тепло- и

хладоноситель.

Например, изводы получаютводород различными способами, водянойпарвтепловойиатомнойэнергетике; водаслужитреагентомв производстве минеральных кислот, щелочей и оснований, в производствеорганическихпродуктовспиртов, уксусногоальдегида, фенолаидругихмногочисленныхреакцияхгидратацииигидролиза.

26

Водянойпаригорячаяводаимеютзначительныепреимуществаперед другими теплоносителями - высокую теплоемкость, простоту регулирования температуры в зависимости от давления, высокую термическую стойкостьипр., вследствиечегоявляютсяуникальными теплоносителямипривысокихтемпературах. Водуиспользуюттакже какхладоагентдляотводатеплоты вэкзотермическихреакциях, для охлаждения атомных реакторов, где необходима «сверхдистиллированная» вода.

Природныеводы содержатразличныепримесиминеральногои органического происхождения. К минеральным примесям относятся

газы N , О, СО, НS, NН, растворенныевводесоли, кислоты и

2 2 2 2 3

основаниянаходятсявосновномвдиссоциированномсостоянииввиде катионовианионов. Корганическимпримесямотносятсяколлоидные частицыбелковыхвеществигуминовыхкислот. Составиколичество примесейзависятглавнымобразомотпроисхожденияводы.

По происхождению различают атмосферные, поверхностные и подземныеводы.

Атмосферная вода - вода дождевых и снеговых осадков - характеризуется небольшим содержанием примесей. В этой воде содержатся в основном растворенные газы и почти полностью отсутствуютрастворенныесоли.

Поверхностныеводы- водыречных, озерныхиморскихводоемовотличаютсяразнообразнымсоставомпримесейгазы, соли, основания, кислоты. Наибольшимсодержаниемминеральныхпримесейотличается морскаявода(солесодержаниеболее10 г/кг).

Подземныеводы- водыартезианскихскважин, колодцев, ключей, гейзеровхарактеризуютсяразличнымсоставомрастворенныхсолей, который зависитотсоставаи структуры почви горных пород. В подземных водах обычно отсутствуют примеси органического происхождения.

Качество воды определяется ее физическими и химическими характеристиками, такимикакпрозрачность, цвет, запах, температура, общеесолесодержание, жесткость, окисляемостьиреакцияводы. Эти характеристики показываютналичиеили отсутствиетех или иных примесей.

Общее солесодержание характеризует присутствие в воде минеральныхиорганическихпримесей.

Для большинства производств основным качественным показателемслужитжесткостьводы, обусловленнаяприсутствиемв водесолейкальцияимагния. ЖесткостьвыражаетсявмиллиграммэквивалентахионовСаилиМg в1 кгводы, т. е. заединицужесткости

27

принимаютсодержание20,04 мг/кгионов кальция или 12,16 мг/кг ионовмагния. Различаюттривидажесткости: временную, постоянную иобщую.

Временная(карбонатнаяилиустранимая) жесткостьобусловлена присутствиемвводегидрокарбонатовкальцияимагния, которыепри кипяченииводыпереходятвнерастворимыесредниеилиосновныесоли ивыпадаютввидеплотногоосадка(накипи):

Са(НСО) = СаСО + НО+ СО

3 2 3 2 2

2Мg(НСО ) = МgСО . Мg(ОН) + ЗСО + Н О

3 2 3 2 2 2

Постоянная (некарбонатная, неустранимая) жесткость обусловливаетсясодержанием вводевсехдругих солей кальцияи магния, остающихсяприкипяченииврастворенномсостоянии.

Сумма временной и постоянной жесткости называется общей жесткостью. Принятаследующаяклассификацияприроднойводы по значениюобщейжесткости(h вмг-экв/кг): h < 1,5 - малаяжесткость, h

= 1,5-3,0 - средняя, h = 3,0-6,0 - повышенная, h = 6,0-12,0 - высокая, h > 12,0 - оченьвысокая.

Окисляемость воды характеризуется наличием в воде органических примесей и выражается в миллиграммах кислорода, расходуемогонаокислениевеществ, содержащихсяв1 кгводы.

Активная реакция воды - ее кислотность или щелочность характеризуетсяконцентрациейводородныхионов. Реакцияприродных вод близкак нейтральной; рН - водородныйпоказатель, равный (-lg aH+), колеблетсявпределах6,8-7,3.

Производства в зависимости от целевого назначения воды предъявляют строго определенные требования к ее качеству, к содержанию примесей в ней; допустимые количества примесей регламентируются соответствующими ГОСТами. Природная вода, поступающая в производство, подвергается очистке различными методами в зависимости от характера примесей и требований, предъявляемыхкводеданнымпроизводством.

Впромышленностивцеляхэкономиирасходаводыприменяюттак называемую оборотную воду, т. е. использованную ивозвращенную в производственныйцикл.

1.3.2.5. Промышленнаяводоподготовка

Промышленная водоподготовка представляет собой комплекс операций, обеспечивающихочисткуводы - удалениеизнеевредных

28

примесей, находящихсявмолекулярно-растворенном, коллоидном и взвешенномсостоянии.

Основные операции водоподготовки: очистка от взвешенных примесейотстаиваниемифильтрованием; умягчение, авотдельных случаях– обессоливание; нейтрализация; дегазацияиобеззараживание.

Отстаивание воды проводят в непрерывно действующих отстойных бетонированных резервуарах. Для достижения полного осветления и обесцвечивания декантируемую изотстойников воду подвергают коагуляции. Коагуляция - высокоэффективный процесс разделения гетерогенных систем, в частности, выделения изводы мельчайших глинистых частиц и белковых веществ. Физикохимическаясущностьэтогопроцессасостоитвтом, чтоадсорбция коагулянтанаповерхностизаряженнойколлоиднойчастицыприводитк слипанию отдельныхчастиц(коагуляции) иобразованию осадка. При этом ион-коагулянтдолжен иметь заряд, противоположный заряду коллоиднойчастицы. Чем вышезарядиона-коагулянта, тем меньше расход электролита на коагуляцию. Так, природные глинистые коллоидныесистемы (природныеводы) имеютотрицательныйзаряд, дляихкоагуляциичащевсегоприменяютсоединенияалюминияввиде сульфатовилидвойныхсолейалюмокалиевыхквасцов. Одновременно идетпроцессадсорбциинаповерхностиосадкаорганическихкрасящих веществ, врезультатечеговодаобесцвечивается. Количествовносимого вводукоагулянтанаходитсявпрямойзависимостиотзагрязненности воды. Образующийсяприкоагуляцииколлоидныйосадокудаляетсяиз водыотстаиваниемифильтрованием.

Фильтрование - наиболее универсальный метод разделения неоднородных систем. В технике фильтрования большое значение имеетразвитаяповерхностьфильтрующегоматериала.

Умягчениеиобессоливаниеводысостоитвудалениисолейкальция, магнияидругихметаллов. Впромышленностиприменяютразличные методыумягчения, сущностькоторыхзаключаетсявсвязыванииионов

соединения. Поприменяемымреагентамразличаютспособы:

-известковый(гашенаяизвесть),

-содовый(кальцинированнаясода),

-натронный(гидроксиднатрия) и

-фосфатный(тринатрийфосфат). Процессумягченияосновываетсянаследующихреакциях:

1) обработке гашеной известью для устранения временной

жесткостиудаленияионовжелезаисвязыванияСО:

2

29

Са(НСО) + Са(ОН) = 2CaCO + 2Н О

3 2 2 3 2

Mg(HCO ) + 2Са(ОН) = 2CaCO + + Mg(OH) + 2НО

3 2 2 3 2 2

FeSО + Са(ОН) = Fе(ОН) + CaSO

4 2 3 4

4Fе(ОН) + О + 2H O = 4Fе(ОН)

3 2 2 3

CO + Са(ОН) = СаСО + Н О

2 2 3 2

2) обработкекальцинированнойсодойдляустраненияпостоянной жесткости:

3) обработкетринатрийфосфатом дляболееполногоосаждения

2+ 2+

катионовСа иMg :

3Са(НСО ) + 2Na PО = 4Са(РO ) + 6NaHCO

3 2 3 4 3 4 2 3

3MgCl + 2Na PО = Mg (PО) + 6NaCl

2 3 4 3 4 2

Растворимостьфосфатовкальцияимагнияничтожномала, это обеспечиваетвысокуюэффективностьфосфатногометода.

Наиболее экономично применение комбинированного способа умягчения, обеспечивающего устранение временной и постоянной

жесткости, а также связывание СО, удаление ионов железа,

2

коагулированиеорганических и других примесей. Одним изтаких способовявляетсяизвестково-содовыйвсочетаниисфосфатным.

Значительныйэкономическийэффектдаетсочетаниехимического методасфизико-химическим, т.е. ионообменнымспособом. Сущность ионообменногоспособаумягчениясостоитвудаленииизводыионов кальцияимагнияприпомощиионитов, способныхобмениватьсвои ионынаионы, содержащиесявводе.

Различают процессы катионного и анионного обмена; соответственноионитыназываюткатионитамиианионитами.

В основекатионногопроцессаумягчениялежитреакцияобмена

2+ 2+

ионовнатрияиводородакатионитовнаионыСа иMg :

Na [Кат] +Са(НСОз) Са[Кат] +

2 2

2NaHCО

3

H2[Кат] +MgCl2 Mg[Кат] + 2HCI

30