Ресурсы и рациональное использование сырья

Определение, классификация и требования к химическому сырью

ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Химическая технология изучает закономерности производ­ственных химико-технологических процессов получения раз­личных по своей природе и назначению продуктов. Независи­мо от конкретного вида производимой продукции и типа про­цесса ее получения, любое производство включает несколько обязательных элементов: сырье, то есть объект превращения, энергию, то есть средство воздействия на объект и аппаратуру, в которой это превращение осуществляется. Особое место в хи­мическом производстве занимает вода. Она не только служит средой, в которой протекают многие химические превращения, но широко используется в химико-технологических процессах как растворитель, теплоноситель и хладоагент, транспортное средство, а также для других разнообразных физических опе­раций. Поэтому вполне правомочно считать воду четвертым обя­зательным элементом химического производства. Вопрос о со­ставе элементов химического производства и, следовательно, химической технологии как науки их изучающей, вообще дис­куссионен. Ряд авторов неоправданно расширяет их перечень, включая в элементы производства организационные меропри­ятия и даже такие вопросы, как перспективы развития произ­водства, что вряд ли можно признать правомочным.

В этой части рассматриваются химическое сырье, энергия и вода. Химическая аппаратура и процессы в ней протекающие, освещаются в главе VIII третьей части пособия.

Глава V ХИМИЧЕСКОЕ СЫРЬЕ

Сырьем называются природные материалы, используемые в производстве промышленной продукции. Сырье — это основ­ной элемент производства, от которого в значительной степени зависят экономичность производства, выбор технологии и ап­паратуры и качество производимой продукции.

В химическом производстве на различных стадиях перера­ботки можно выделить следующие материальные объекты: ис­ходные вещества или собственно сырье, промежуточные про­дукты (полупродукты), побочные продукты, конечный целе­вой (готовый) продукт и отходы. Это представлено на схеме:

Полупродуктом называется сырье, подвергшееся обработке на одной или нескольких стадиях производства, но не потреб­ленное в качестве готового целевого продукта. Полупродукт, полученный на предыдущей стадии производства, может быть сырьем для последующей стадии, например:

{Каменный уголь} —►{Обратный коксовый газ} —► {Водород} —► {Аммиак}.

Побочным продуктом называется вещество, образующееся в процессе переработки сырья наряду с целевым продуктом, но не являющееся целью данного производства. Побочные продук­ты, образующиеся при добыче или обогащении сырья, называ­ются попутными продуктами.

Отходами производства называются остатки сырья, мате­риалов и полупродуктов, образующихся в производстве и пол­ностью или частично утративших свои качества.

Полупродукты, побочные продукты и отходы производства после предварительной обработки или без нее могут быть исполь­зованы в качестве сырья в других производствах. Например, при выплавке цветных металлов образующийся как побочный про­дукт оксид серы (IV), является промежуточным продуктом в производстве серной кислоты. Серная кислота, будучи готовым продуктом сернокислотного производства, служит сырьем для производства минеральных удобрений (простого суперфосфата).

Сырьем для химической промышленности служат продук­ты горно-рудной, нефтяной, газовой, коксохимической, лесной и целлюлозно-бумажной отраслей промышленности, черной и цветной металлургии. Bce химическое сырье подразделяется на группы по происхождению, химическому составу, запасам и агрегатному состоянию. Классификация химического сырья представлена на рис. 5.1.

Химическое сырье принято также делить на:

- первичное (извлекаемое из природных источников) и

- вторичное (промежуточные и побочные продукты про­мышленного производства и потребления, отходы) и на

— природное и

— искусственное (полученное в результате промышленной
обработки природного сырья).

К веществам, используемым в качестве химического сырья предъявляется ряд общих требований. Сырье для химического производства должно обеспечивать:

- малостадийность производственного процесса;

- агрегатное состояние системы, требующее минимальных затрат энергии для создания оптимальных условий протекания процесса;

- минимальное рассеяние подводимой энергии;

- минимальные потери энергии с продуктами;

- возможно более низкие параметры процесса (температу­ра, давление) и расход энергии на изменение агрегатного состо­яния реагентов и осуществление химико-технологического про­цесса;

- максимальное содержание целевого продукта в реакци­онной смеси.

В себестоимости продукции химической промышленности доля сырья достигает 70%. Поэтому проблема ресурсов и раци­онального использования сырья при его переработке и добыче весьма актуальна.

В химической промышленности в качестве сырья использу­ются соединения более 80 элементов. Эти элементы, входящие в состав земной коры, которая является основным источником химического сырья, распределены в ней неравномерно по при­роде, концентрации и географическому размещению.

Количественной характеристикой распространенности эле­ментов в природе служит кларк, величина, выражающая в мас­совых или атомных процентах, или в граммах на тонну содер­жание данного элемента в земной коре. В табл. 1 приведены кларки наиболее распространенных элементов.

Таблица 1. Кларки некоторых элементов

Кларк				Элемент
	О2	Si	Al	Fe	Са	Na	Мg	К	Н2
% мас.	49,13	26,0	7,45	4,20	3,25	2,40	2,35	2,35	1,00
г/т^.10^-3				46,5		25,3			1,3

Из табл. 1 следует, что всего 9 элементов составляют более 98% массы земной коры; на все остальные элементы приходит­ся всего 1,87%. Содержание углерода, представляющего осно­ву жизни и составляющего основную часть горючих ископае­мых, составляет только 0,35% массы земной коры.

Все ресурсы химического сырья подразделяются на запа­сы, то есть выявленные и изученные ресурсы и на потенци­альные ресурсы. В свою очередь по степени изученности и пригодности к эксплуатации запасы сырья делятся на три категории.

К категории А относятся запасы, детально разведанные и подготовленные к разработке. К категории В относятся запа­сы, установленные в результате геолого-разведочных работ. В категорию С включены запасы, определенные по результатам геофизической разведки и изучения по естественным обнару­жениям.

Естественно, что количество сырья в разведанных место­рождениях, то есть запасы его на несколько порядков мень­ше, чем количество сырья, содержащегося в земной коре (см. табл. 2).

Таблица 5.2. Содержание некоторых элементов в земной коре и металлических рудах

Элемент	Масса элемента, т	Отношение
	В земной коре, m1	В рудах, т2
Железо Алюминий Медь Свинец	8,8^.10^15 1,5^.10^16 1,8^.10^13 3,0^.10^12	1,0^.10^11 5,0^.10^8 1,8^.10^8 5,1^.10^7	8,8^.10^4 3,0^.10^7 1,0^.10^5 1,6^.10^6

Возможность использования сырья для промышленного про­изводства определяется его ценностью, доступностью и концен­трацией полезного компонента.

Ценность сырья зависит от уровня развития технологии и задач, стоящих перед производством и существенно меняется со временем. Так, например, уран, являвшийся ранее отходом при получении радия, стал во второй половине XX столетия цен­нейшим стратегическим сырьем.

Доступность сырья для добычи определяется географичес­ким расположением запасов, глубиной залегания, разработан­ностью промышленных методов извлечения. Так, спецификой природных условий затруднена добыча ископаемого топлива в районах Крайнего Севера. Отсутствие эффективных методов (цианидного, ртутного) не позволяло в прошлом успешно извле­кать золото из рассеянных месторождений.

Существенное влияние на возможность использования запа­сов сырья оказывает концентрация полезного элемента. Мно­гие элементы при относительно высоком содержании в земной коре рассеяны, что затрудняет использование их соединений в качестве химического сырья. Тем не мене для промышленности в целом и химической — в частности, характерна историческая тенденция использовать все более распространенное сырье, выраженная в правиле Вернадского, согласно которому «кларки промышленности стремятся к кларкам планеты».

Запасы основных видов сырья в СССР в % от мировых запа­сов выражались следующими цифрами: торф 60, калийные соли 60, фосфаты 33, древесина 33, ископаемые угли более 50, нефть 6—10, различное минеральное сырье 25. В настоящее время на долю РФ падает 45% мировых запасов газа и 23% ископаемых углей. Существенным недостатком сырьевой политики России является сохранение структуры экспорта, в которой 40,2% составляет топливо и 10,5% рудное сырье, и всего 4,1% продук­ты переработки сырья, хотя известно, что стоимость продукции прогрессивно возрастает с углублением переработки сырья.

Высокая доля сырья в себестоимости химической продукции, быстрое истощение запасов сырья (мировая добыча минераль­ного сырья за первую половину XX века выросла в 3,4 раза), удо­рожание процессов добычи его (за последние годы себестои­мость добычи нефти выросла в 2 раза, угля в 1,5 раза, природно­го газа в 2,5 раза) выдвинули две задачи:

— разработку объективной оценки скорости исчерпания запасов химического сырья;

— рациональное использование химического сырья.

1. Количественной характеристикой скорости исчерпания запасов сырья предложено считать «индекс использования ре­зервов» (ИИР), который представляет процент расходования данного вида сырья в год. Чем выше ИИР, тем, очевидно, боль­ше скорость расходования сырья, то есть

= 100/ИИР, (1)

где: — время исчерпания запасов сырья в годах.

ИИР зависит от численности населения и возрастает с его увеличением. В табл.3 приведены значения ИИР и соответ­ствующее им время исчерпания ресурсов основных видов хи­мического сырья, рассчитанные для численности населения 3,56^.10⁹ человек (графа I) и 10 ^.10⁹ человек (графа II).

Таблица 3. Индекс использования резервов и время исчерпания ресурсов

Вид ресурса	ИИР	Время, год
		II	I	II
Уголь	0,05	0,10
Нефть	3,10	18,90		5,3
Фосфаты	0,06	0,30
Железо	0,40	1,20
Алюминий	0,90	2,50
Уран	2,30	5,80	43,5	17,3

Из данных таблицы следует, что разведанные запасы мно­гих видов химического сырья могут быть исчерпаны уже при жизни ближайших поколений.

2. Основными направлениями рационального использования химического сырья являются:

— применение более дешевого сырья (местного, с минималь­ными затратами на добычу);

— использование вторичных материальных ресурсов (отходов производства и потребления, побочных продуктов других производств);

— использование менее концентрированного сырья (бедных руд);

—комплексная переработка сырья, то есть метод, при кото­ром в максимальной степени извлекаются и используются все ценные компоненты, содержащиеся в сырье. Примером комп­лексной переработки является переработка апатитовой руды (рис. 2).

Рис. 2. Схема переработки апатитовой руды

Комплексное использование сырья позволяет приблизить­ся к решению важнейшей задачи современной химической технологии — свести к минимуму технологические потери сырья и полностью использовать отходы производства. Это позволяет расширить сырьевую базу, увеличить объем произ­водимой продукции, снизить затраты сырья и энергии, а так­же в значительной степени уменьшить загрязнение окружа­ющей среды промышленными выбросами. Комплексное ис­пользование сырья приводит к сокращению капитальных вло­жений в производство, снижению себестоимости продукции и улучшению всех технико-экономических показателей про­изводства. Поэтому, экономическая эффективность комплексного использования сырья может быть рассчитана, например, по формуле:

где: Эк — показатель эффективности комплексного произ­водства, %, К_и и К_к —удельные капитальные затраты при использо­вании сырья для индивидуального производства продукции и при его комплексном использовании, соответственно, рублей,

— замена пищевого сырья на непищевое;

— применение альтернативных материалов, изготавливаемых из сырья с более низким ИИР.

Выгодность применения альтернативных материалов опре­деляется условием:

ИИР = ИИР_м - ИИР_ал >0, (2)

где: ИИР_м и НИР_ал — индексы исчерпания ресурсов первично­го и вторичного (альтернативного) материала, соответственно. Так, например, замена меди (ИИР = 1,9) алюминием (ИИР = 0,9) целесообразна, так как в этом случае ИИР = 1,9 - 0,9 = 1% > 0. Наоборот, замена меди титаном (ИИР = 0,5) нецелесообразна, так как здесь ИИР = 0,5 -0,9 = -0,4 <0.

— рециркуляция сырья, то есть вторичная переработка вы­работавших срок эксплуатации, вышедших из строя и мораль­но устаревших изделий. Наиболее успешно рециркуляция осу­ществляется для металлов в виде переплавки скрапа, электрохимического извлечения ценных металлов из лома электронной аппаратуры и др. Значительно труднее поддаются рециркуляции полимерные материалы, в том чис­ле каучуки и пластмассы. Как пра­вило, они перерабатываются в изде­лия вторичного назначения.

Рис. 3. Влияние степени рециркуляции на скорость истощения запасов железа

Рециркуляция сырья позволяет значительно снизить скорость ис­черпания природных ресурсов при том же значении ИИР. Так, напри­мер, если время исчерпания запасов железа без рециркуляции составля­ет 250 лет, то при степени рецирку­ляции 50% оно возрастает до 580 лет, а при степени рециркуляции 80% уже до 1330 лет. Для большинства металлов степень ре­циркуляции колеблется от 5—10% (вольфрам, алюминий) до 30—45% (медь, железо, свинец, серебро) и зависит от эффек­тивности используемой технологии регенерации. На рис. 3 представлена зависимость времени истощения запасов железа от степени

рециркуляции.

Дата добавления: 2014-01-20