В технологических процессах

2.1. Определение сырья и его классификация

Сырьем называют вещество природного и синтетического происхождения, используемое для производства промышленной продукции.

Так, добытая железная руда является сырьем в металлургической промышленности, вискозное волокно – сырьем в текстильной промышленности.

Основное сырье даёт природа – 75% полезные ископаемые,
25% сельское хозяйство, морское и лесное хозяйство.

Природное сырье характеризуется тем, что его получают в готовом виде из недр земли, из различных горных пород, растений. Искусственное сырье характеризуется тем, что его получают из разных природных материалов. К этому классу можно отнести химические волокна, синтетические каучуки и др.

Искусственное сырье подразделяется на два подкласса – органическое (вискозные, ацетатные волокна) и минеральные (силикатные волокна).

По агрегатному состоянию сырье бывает твердое, жидкое и газообразное.

По происхождению – минеральное, растительное и животное.

По составу – органическое и неорганическое (минеральное). В природе встречается примерно 2500 минералов, отличающихся друг от друга по химическому составу, физическим свойствам, кристаллической форме и прочим признакам.

Минеральное сырье делится на 3 вида: рудное, нерудное и горючее.

Рудное сырье классифицируется по числу содержащихся в нем металлов, химическому составу минералов и пустой породы.

Нерудное сырье – горные породы, используемые в производстве химических, строительных и других неметаллических материалов (фосфориты, апатиты, природные калийные соли, поваренная соль, песок, гравий, глина и т.п.).

Горючее минеральное сырье, включающее угли, нефть, торф, горючие сланцы, природный газ и т. д., служит источником получения разнообразнейших продуктов.

Растительное и животное сырье по своему назначению делится на пищевое и техническое.

Пищевое сырье – продукты сельского, лесного и рыбного хозяйства, которые используются для пищевых целей (картофель, сахарная свекла, хлебные злаки, пищевые жиры и т. п.).

Кроме минерального, растительного и животного, сырьем для промышленности служит воздух и вода.

2.2. Обогащение сырья

Добываемое из недр Земли сырье, как правило, подвергается обогащению с целью получения сырья в концентрированном виде, т.е. с повышенным содержанием в нем полезного компонента.

Если обогащаются твердые породы (например, горные породы, уголь), то полученный продукт, обогащенный полезной составной частью, называют концентратом, а отходы, содержащие пустую породу, – хвостами.

Методы обогащения твердых материалов основаны на различии физических и химических свойств составляющих компонентов сырья: плотности, твердости, растворимости, температуры плавления и возгонки, электропроводности, магнитной проницаемости, смачиваемости отдельными жидкостями.

Применяется грохочение, гравитационное обогащение, мокрое гравитационное обогащение, магнитная сепарация, флотационный и другие методы.

Рассеивание (грохочение) основано на том, что минералы, входящие в состав сырья, имеют различную прочность, поэтому при дроблении менее прочные (хрупкие) минералы дробятся на более мелкие зерна, чем более прочные (вязкие). Если после измельчения такое сырье просеять через сита с различной величиной отверстий, то с отдельных сит можно получить фракции, обогащенные тем или иным минералом. Применяемые для рассеивания сита называют грохотами.

Грохочение часто производят и для разделения однородного материала на куски или зерна определенного размера; грохоты могут быть плоские с небольшим наклоном сита для скольжения крупной фракции, которые часто снабжаются механизмами для сотрясения, вибрации или качания, и цилиндрические – наклонные вращающиеся барабаны с отверстиями, которые рассеивают материал, поступающий внутрь цилиндра.

Гравитационное разделение основано на различии скоростей падения частиц различной плотности или крупности в потоке жидкости (чаще всего в воде) – мокрое гравитационное обогащение; воздуха или инертного газа – сухое гравитационное обогащение.

Мокрое гравитационное обогащение осуществляется следующим образом (рис.2.1). Измельченное сырье смешивается с водой в баке с мешалкой и в виде пульпы (взвесь твердого материала в жидкости) подается в осадительные камеры (корыта) І, ІІ, ІІІ с конусообразными днищами (бункерами).

Рис. 2.1. Принципиальная схема мокрого гравитационного обогащения

Так как ширина камер постепенно увеличивается, происходит замедление движения пульпы через камеры, что облегчает осаждение твердых частиц. В камере І выпадает из воды наиболее тяжелая (крупно-зернистая фракция), в камере ІІ – средняя и в камере ІІІ- легкая (мелкозернистая). В зависимости от того, на сколько фракций требуется разделить сырье, аппараты – классификаторы состоят из одной, двух и более камер. Фракции из камер выгружают через отверстия 1, 2, 3. Наряду с рассмотренным класификатором применяются и другие типы аппаратов – концентрационные столы, отсадочные машины.

При сухом гравитационном обогащении применяют воздушные сепараторы центробежного типа (рис 2.2).

Магнитная сепарация применяется для разделения магнитно-восприимчивых материалов от немагнитных и для удаления стальных предметов, случайно попавших в руду, например магнитный железняк отделяется от пустой породы руды. Разделение руды осуществляется в электромагнитных сепараторах (рис. 2.3).

После измельчения материал поступает на движущейся ленточ-ной транспортер 1, имеющий барабан 2, снабженный электромаг-нитом 3. При соприкосновении ленты с поверхностью барабана частицы материала, не обладающие магнитной восприимчивостью, ссыпаются с ленты в бункер 4, а частицы магнитного материала, прилипшие к ленте, продолжают двигаться до тех пор, пока лента не пройдет магнитную поверхность барабана и они не отвернутся от нее, после чего частицы ссыпаются в бункер 5.

Флотационный метод обогащения основан на различной смачиваемости зерен отдельных материалов водой. Частицы несмачиваемого (гидрофобного) минерала А будут как бы вдавливаться в жидкость (рис 2.4), но не преодалев сил поверхностного натяжения воды, оставаться на ее повер-хности, тогда как частицы смачиваемого (гидрофильного) материала Б обволакиваются пленкой жидкости и, преодалев силы поверхностного натяже-ния жидкости, опускаются на дно аппарата.

Частицы несмачиваемого минерала снимаются с поверхности жидкости, и таким образом происходит разделение руды на фракции. Для ускорения флотации применяют ряд технологических приемов, в часности создают условия неодинаковой смачиваемости водой зерен минералов.

Флотацию проводят во флотационных машинах различного типа (схематичный поперечный разрез машины с воздушным перемешиванием пульпы приведен на рис. 2.5).

Рис. 2.5. Флотационная машина с воздушным перемешиванием

Тонкоизмельченная взвесь породы с флотореагентами подается в машину, состоящую из корытообразного резервуара-камеры 4, внутри которого установлены перегородки 1, а между ними расположены трубки 5. По трубкам 5 из коллектора 3 в камеру 4 подается воздух под давлением, который перемешивает пульпу, и пузырьки его, поднимаясь вверх, увлекают за собой частицы гидрофобного материала, всплывающего на поверхность воды. Кроме того, воздух обеспечивает циркуляцию суспензии в камере. Для удержания на поверхности всплывающих частиц гидрофобного минерала в водную взвесь (суспензию) вводят вещества (сосновое масло, древесный деготь и др.), образующие пену, – пенообразователи. Пену вместе с частицами гидрофобного материала снимают с поверхности жидкости через борт камеры в желоб 2, оттуда она поступает на сгущение (разрушение пены) и фильтрование. Отделенные твердые частицы минерала сушатся и в виде так называемого концентрата поступают потребителю или на дальнейшую переработку. Частицы, осевшие на дно камеры, выводятся в виде флотационных хвостов.

Природные минералы в большинстве хорошо смачиваются водой, и для их разделения флотацией в суспензию вводят специальные реагенты – собиратели или коллекторы, понижающие их смачиваемость. К ним относятся олеиновая кислота, нефтиновые кислоты и др. Собиратели покрывают поверхность частиц гидрофильных минералов гидрофобной пленкой, чем и объясняется всплывание частиц отдельных минералов. В суспензию вводят подавители, или депрессоры (щелочи, соли щелочных металлов и др.). Подавители повышают гидрофильность поверхности частиц минералов и затрудняют их всплывание. Кроме того, применяются реагенты, усиливающие или ослабляющие действие собирателей или подавителей. К ним относятся активаторы, регуляторы и др.

Следовательно, вводя в суспензию различные флотореагенты, можно обеспечить коллективную флотацию, т.е. разделить руду на концентрат, содержащий несколько полезных элементов, и хвосты, не содержащие ценных элементов, или создать такие условия процесса флотации, когда в концентрат будет переходить только какой-либо один определенный минерал, в хвосты – пустая порода и другие минералы. Такая флотация называется избирательной или селективной.

Флотация – один из широко применяемых промышленных методов обогащения сырья в крупных масштабах. Это объясняется тем, что при применении флотореагентов, имеющих различные свойства, можно обогащать и разделять на фракции самые разнообразные породы при незначительном расходе флотационных реагентов (100 г на 1 т породы). Кроме рассмотренных методов обогащения твердых минералов, применяются методы, основанные на различии электропроводности составляющих руды, – электростатистическое обогащение; на различии плавкости материалов, входящих в смесь, – термическое обогащение; на различии растворимости, разложении химическими реагентами, обжиге материалов, входящих в смесь, – химическое обогащение и др.

2.3. Качество сырья и современные технологические процессы

Качество сырья – это совокупность его технологических, физических и химических свойств, обеспечивающих высокий уровень технологического процесса и качества выпускаемой продукции.

Основными технико-экономическими показателями сырья является его химический состав и наличие его в природе, доступность его добычи и технологичность переработки.

Основными характеристиками компонентов материального потока является его состав, он определяет принципиальную схему процесса, его аппаратурное исполнение, затраты сырья, энергии и вспомогательных материалов, количество отходов, уровень безопасности процессов и влияние на окружающую среду.

Контроль состава сырья, промежуточных веществ и продуктов является важнейшим источником информации, необходимой для регламентации и оптимизации технологического процесса.

Состав вещества определяется с помощью различных физико-химических методов в зависимости от глубины и способа переработки сырья, требований к продукту, специфики управления процессами.

Определяющими компонентами сырья могут быть атомы (элементарный состав), молекулы (молекулярный состав), изотопы (изотопный), минералы (минеральный), распределение по размеру частиц, ситовый состав и др. Для твердых и жидких веществ (смесей, растворов, сплавов) определяют концентрацию следующими соотношениями.

Массовая доля компонентов

mk

W = ------- x 100%,

mb

где mk – масса компонента, г, кг; mb – масса вещества, г, кг;

Объемная доля компонентов

Vk

d = -------- х 100%,

Vb

где Vk – объем компонента, см3, м3; Vb – объем вещества, см3, м3.

Если необходимо определить очень малые концентрации, используют тысячные доли или десятую долю процента. Такая единица величины называется промилем (о/оо). Концентрацию компонента в сложном веществе выражают массой компонента, которая содержится в 100г вещества, в одном килограмме, в одном литре или 1м3.

Количественный состав благородных металлов определяют количеством граммов благородного металла в 1000 граммах сплава, его называют пробой. Чистому благородному металлу соответствует тысячная проба. Тысячная проба равна, примерно, 24 карата (США, Великобритания, Швейцария и др.), один карат весит 0,2г.

Состав минералов, силикатов, гидратов определяют соотношением молекул, из которых состоит вещество (Аl2O3; SiO2; P2O5и др.).

Использование количественного соотношения компонентов вещества дает возможность выбирать рациональное сырье, определять теоретические его затраты, выход продукции, затраты энергоресурсов, количество отходов и др.). Количество примесей в веществе является показателем качества и регламентируется техническими уровнями и государственными стандартами (ГОСТ). В расчетах необходимо учитывать, что количественное соотношение компонентов во многих веществах может изменяться под действием внешних факторов (при хранении увеличивается влажность сахара и т.д.). Количественные расчеты в таких случае производят по компонентам, масса которых является постоянной величиной или изменяется очень мало.

Расчеты энергетических эффектов в химико-технологических процессах выполняют по стехеометрическим уравнениям химических реакций, например, при определении количества тепла, выделяемого при сгорании 1000г серы. S+O2= SO2+297 кДж. Молярная масса серы Ms=32

32г(S) - 297 кДж

1000г(S) - Х

297 х 1000

Откуда, Х = ----------------- = 9280 кДж

Оценка качества угля включает 19 нормируемых показателей. К основным из них относятся: рабочая влажность угля, зольность, содержание серы, низшая теплота сгорания, спекаемость и коксуемость. В бурых углях количество влаги составляет 15-60%, в каменных -5-15%. Зольность определяется содержанием в угле минеральных примесей. Она колеблется в широких пределах -от 10 до 60%. Зольность углей Донецкого бассейна равна 10-15%.

Очень вредной примесью в углях является сера, сгорая, она образует сернистый газ (SO2), отравляющий окружающую среду. Содержание серы в углях колеблется в пределах 1-6%.

Низшая теплота сгорания бурых углей 6-15 МДж/кг, каменных 10-30 МДж/кг.

Спекаемость и коксуемость – свойство угля при нагревании без доступа воздуха расплавляться, а также образовывать пористый остаток – кокс, являющийся основным топливом для доменных печей при выплавке чугуна.

Вид и качество сырья предопределяют режим работы и производительность оборудования, характер технологии, влияют на качество и себестоимость продукции. Так, при выплавке чугуна на металлургическом заводе используются руды с различным содержанием железа. Повышенное содержание пустой породы и вредных примесей в рудах обусловливает уменьшение производительности доменного цеха, увеличение расхода топлива, флюсов и снижение качества чугуна.

2.4. Виды и основные характеристики топлива

Топливо – вещество, при сжигании которого выделяется значительное количество теплоты, используемое как источник получения тепловой энергии и как сырье в химической, металлургической и других отраслях промышленности.

Топливо, содержащее органические вещества, называют углеводородным.

Различают естественное и искусственное топливо. К естественным относятся ископаемые и растительные виды топлива, а к искусственным – продукты переработки естественных видов топлива. Все топлива по агрегатному состоянию подразделяются на твердые (ископаемые угли и сланцы, торф, древесина), жидкие (нефть, нефтепродукты) и газообразные (природный и попутный газы и др.).

Основной характеристикой топлива является его теплота сгорания, т.е. количество теплоты, выделяющееся при полном его сгорании. Различают теплоту сгорания удельную (МДж/кг) и объемную (МДж/м3).

По удельной теплоте сгорания (МДж/кг) виды топлива характеризуются следующим образом: