Основы промышленного производства

Билет№13

Тяжёлые цветные металлы - это металлы, плотность которых превышает 7 г/смЗ. Типичные представители: медь (8,94 г/смЗ), никель (8,92 г/смЗ), свинец (11,34 г/смЗ), цинк (7,14 г/смЗ), олово (7,3 г/смЗ) и др. Такие металлы как олово, медь, свинец и цинк относятся к основным тяжелым. Россия обладает многими видами цветных металлов. 70% руд цветных металлов добывается открытым способом. Специфика руд цветных металлов состоит в: а) в их сложном составе (многокомпонентности) б) в низком содержании полезных компонентов в руде - всего несколько %, иногда и доля %: Медь - 1-5% цинк - 4-6% свинец - 1,5% олово - 0,01-0,7%. Для получения 1 тонны медного концентрата используется 100 тонн руды, оловянного концентрата - 300 тонн. Вследствие значительной материалоемкости цветная металлургия ориентируется на сырьевые базы. Поскольку руды цветных и редких металлов обладают многокомпонентным составом, то практическое значение имеет комплексное использование сырья. Комплексное использование сырья и утилизация промышленных отходов связывает цветную металлургию с другими производствами. На этой основе формируются целые промышленные комплексы, например, Урал. Особый интерес представляет комбинирование цветной металлургии и основной химии. При использовании сернистых газов в промышленности производятся цинк и медь. Факторы размещения: сырьевой - медь, свинец; потребительский - олово; Медная промышленность. Медная промышленность приурочена к районам сырья из-за низкого содержания в концентрате, кроме рафинирования чернового металла. Основные типы руд: медные колчеданы - сосредоточены на Урале. Красно Уральск (Свердловская область), Ревда (Свердловская область), Гай (очень высокое содержание металла - 4%), Сибай, Баймак.;Медно-никелевая пром-ть. Талнахское месторождение (север Красноярского края). На нем базируется Норильский комбинат медистые песчаники. Перспективное месторождение - Удоканское в Читинской области. В качестве дополнительного сырья используются медно-никелевые и полиметаллические руды. Медеплавильные заводы находятся на: Урале: Красно-Уральск, Кировоград, Ревда, Медногорск, Карабаш. Электролитные заводы: Кыштым, Верхняя Пышма. Свинцово-цинковая пром-ть. Урал - Реж (северней Екатеринбурга), Верхний Уфалей (севернее Челябинска), Орск Норильск Мончегорск, "Североникель" (используются руды Собелевского месторождения) - Мурманская область Свинцово-цинковая промышленность. Она использует полиметаллические руды. В целом приурочена к руде. Свинцово-цинковые концентраты обладают высоким содержанием полезного компонента (до 62%), а, стало быть, транспортабельны, поэтому обогащение и металлургический передел отрываются друг от друга в отличие от медной промышленности. Так, производство цинка в Челябинске основано на привозных концентратах из Восточной Сибири и Дальнего Востока. Оловянная промышленность. Месторождения: Шерловская гора (Читинская область) Хабчеранга (Читинская область) ЭСЕ-Хайя - в бассейне р. Лена (республика Саха) Облучия (Еврейская автономная область) Солнечный (Комсомольск-на-Амуре) Кавалерово (Хрустальное) - Приморский край.

Главным природным источником тяжелых металлов являются породы (магматические и осадочные) и породообразующие минералы. Поступление ТМ в биосферу вследствие техногенного рассеивания осуществляется разнообразными путями. Важнейшим из них является выброс при высокотемпературных процессах в черной и цветной металлургии, при обжиге цементного сырья, сжигании минерального топлива. Кроме того, источником загрязнения биоценозов могут служить орошение водами с повышенным содержанием тяжелых металлов, внесение осадков бытовых сточных вод в почвы в качестве удобрения. Вторичное загрязнение происходит также вследствие выноса тяжелых металлов из отвалов рудников или металлургических предприятий водными или воздушными потоками, поступления больших количеств тяжелых металлов при постоянном внесении высоких доз органических, минеральных удобрений и пестицидов, содержащих тяжелые металлы.

Часть техногенных выбросов тяжелых металлов, поступающих в атмосферу в виде аэрозолей, переносится на значительное расстояние и вызывает глобальное загрязнение. Другая часть с гидрохимическим стоком попадает в бессточные водоемы, где накапливается в водах и донных отложениях и может стать источником вторичного загрязнения. Значительное загрязнение ТМ, особенно свинцом, а также цинком и кадмием обнаружено вблизи автострад. Ширина придорожных аномалий свинца в почве достигает 100 м и более.

Тяжелые металлы, поступающие на поверхность почвы, накапливаются в почвенной толще, особенно в верхних гумусовых горизонтах, и медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии. Для цинка - от 70 до 510 лет; кадмия от 13 до 110 лет, меди -от 310 до 1500 лет, свинца - от 770 до 5900 лет.

Тяжелые металлы способны образовывать сложные комплексные соединения с органическими веществами почвы, поэтому в почвах с высоким содержанием гумуса они менее доступны для поглощения. Избыток влаги в почве способствует переходу тяжелых металлов в низшие степени окисления и в растворимые формы. Растения могут поглотить из почвы микроэлементы, в том числе тяжелые металлы, аккумулируя их в тканях или на поверхности листьев, являясь, таким образом, промежуточным звеном в цепи "почва - растение - животное - человек".

• Производство серной кислоты

Серная кислота - бесцветная тяжелая (плотность - 1,84) маслянистая жидкость, застывающая в кристаллическую массу при температуре 10,45°С. При температуре 296,2°С кипит с разложением. Серная кислота смешивается с водой в любых соотношениях. При разбавлении серной кислоты водой выделяется огромное количество теплоты. Отечественная промышленность выпускает несколько сортов серной кислоты, отличающихся концентрацией основного вещества и содержанием примесей:

21. техническая серная кислота (купоросное масло) - 92,5 % H2S04; кристаллизуется при Т — -27°С;
22. олеум - 18,5-20 % S03 в моногидрате; замерзает при Т -11°С;
23. башенная кислота (полученная нитрозным способом) - не менее 75 % H2S04 (от-30 до -40°С);
24. аккумуляторная и реактивная кислоты, в которых строго регламентированы примеси.

Сырье для производства серной кислоты. Пирит (серный колчедан, Fe2S), элементарная сера, гипс (CaS04- 2Н20), медный колчедан (CuFeS2), медный блеск (CuS2), сернистый газ в цветной металлургии; при переработке нефтепродуктов, коксовании угля и производстве генераторного газа образуется сероводород, который концентрируют, сжигают и получают сернистый газ.

Используют два основных способа получения серной кислоты: 1) контактный, 2)нитрозный.

Сырьем в производстве серной кислоты могут быть элементарная сера и различные серусодержащие соединения, из которых может быть получена сера или непосредственно оксид серы (IV).

Природные залежи самородной серы невелики, хотя кларк ее равен 0,1 %. Чаще всего сера находится в природе в форме сульфидов металлов и сульфатов металлов, а также входит в состав нефти, каменного угля, природного и попутного газов. Значительные количества серы содержатся в виде оксида серы в топочных газах и газах цветной металлургии и в виде сероводорода, выделяющегося при очистке горючих газов.

Таким образом, сырьевые источники производства серной кислоты достаточно многообразны, хотя до сих пор в качестве сырья используют преимущественно элементарную серу и железный колчедан. Ограниченное использование таких видов сырья, как топочные газы тепловых электростанций и газы медеплавильного производства, объясняется низкой концентрацией в них оксида серы (IV).

При этом доля колчедана в балансе сырья уменьшается, а доля серы возрастает.

В общей схеме сернокислотного производства существенное значение имеют две первые стадии - подготовка сырья и его сжигание или обжиг. Их содержание и аппаратурное оформление существенно зависят от природы сырья, которая в значительной степени, определяет сложность технологического производства серной кислоты.

Билет№14

Производство каучука

Для получения натурального каучука млечный сок гевеи (латекс) добывают методом подсечки, надрезая кору дерева. Натуральный латекс, представляющий собой водную эмульсию каучука, содержит 34-37% каучука, 52-60% воды, а также белки, смолы углеводы и минеральные вещества. Из латекса каучук коагулируют органическими кислотами, промывают водой и прокатывают в листы, которые сушат и коптят дымом. Копчение предохраняет каучук от окисления и действия микроорганизмов.

В основе производства синтетических каучуков лежит процесс полимеризации в присутствии различных катализаторов. Исходным сырьем в получении каучуков является сырая нефть, которую разделяют на фракции (углеводороды определенного размера) и далее уже используют в синтезе необходимых мономеров. Мономеры используют для производства синтетических каучуков различными методами полимеризации. В зависимости от фазового состояния среды, в которой протекает реакция полимеризации, различают несколько видов процесса: жидкофазная, газофазная, эмульсионная и растворная полимеризация. Синтетические каучуки, полученные по разным способам полимеризации, отличаются структурой, следовательно, и свойствами.

Производство технических спиртов

В качестве исходного сырья в производстве этилового спирта используется этилен. В настоящее время основным способом его получения является пиролиз (высокотемпературный крекинг) углеводородов. Пиролизу подвергают фракции прямой перегонки нефти, состоящие алканов, циклоалканов, природные и попутные нефтяные газы, содержащие алканы. Лучшим сырьем являются парафины, поскольку с повышением содержания водорода в исходных углеводородах выход алкенов возрастает.

До недавнего времени производство этилового спирта основывалось на пищевом сырье - сбраживание крахмала из некоторых зерновых культур и картофеля с помощью ферментов, вырабатываемых дрожжевыми грибками. Этот способ сохранился и до сих пор, но он связан с большими затратами пищевого сырья и не может удовлетворить промышленность. Другой метод, также основанный на переработке растительного сырья, заключается в переработке древесины (гидролизный спирт). Древесина содержит до 50% целлюлозы, и при ее гидролизе водой в присутствии серной кислоты образуется глюкоза, которую подвергают затем спиртовому брожению. Синтетический этиловый спирт получают гидратацией этилена. Гидратация этилена осуществляется двумя методами: при помощи серной кислоты (сернокислая гидратация) и непосредственным взаимодействием этилена с водяным паром в присутствии катализатора (парофазная каталитическая гидратация).

• ЦБП - наиболее сложная отрасль лесного комплекса, связанная с механической обработкой и химической переработкой древесины. Она включает производство целлюлозы, бумаги, картона и изделий из них. Эта отрасль отличается:

9. высокой материалоёмкостью: для получения 1 т целлюлозы необходимо в среднем 5-6 куб. древесины;

10. большой водоёмкостью: на 1 т целлюлозы расходуется в среднем 350 куб.м, воды;
11. значительной энергоёмкостью:! т продукции требует в среднем 2000 кВт/ч;

Следовательно, предприятия ЦБП ориентируются на лесные ресурсы вблизи крупных водных источников. В основном они размещаются на европейской части страны. Главные центры ЦБП расположены в Северном районе (Кондопога, Архангельск, Котлас и др.) и в Волго-Вятском районе (Правдинск, Волжск), где производится более 3/4 всей бумаги. Большое кол-во бумаги дают также Северо-Запад (Светогорск, Сясьстрой, Приозерск) и Сахалин (Долинск, Корсаков, Макаров и др.).

Главными видами сырья являются древесная масса и целлюлоза, которые получают соответствующей переработкой гл. образом хвойной древесины - еловой, пихтовой, сосновой и лиственничной (в меньшей степени применяют березу, осину, тополь). Большое значение имеет замена древесины более дешевыми недревесными видами сырья (однолетними растениями - тростником, рогозом, камышом). Растительная ткань используется не вся целиком, а лишь оболочки ее растительных клеток, состоящие из клетчатки, или целлюлозы (С6Н10О5), п.растительные клетки содержат также лигнин, различные смолы, пигменты и др. вещества, присутствие в бумаге таких веществ значительно снижает ее качество.

Все шире используется макулатура; предварительно из нее удаляются типографская краска и другие примеси. Затем ее обычно смешивают со свежей целлюлозой, чтобы придать дополнительную прочность на случай использования для изготовления более высоких сортов бумаги (книжной); без обесцвечивания макулатуру используют главным образом при производстве картона для коробок и другой тары. В некоторой степени используются также отходы тряпья, что позволяет получить высокосортную писчую бумагу, бумагу для облигаций и денежных знаков, пигментную бумагу и другие специальные ее виды. Грубый картон делается из соломенной целлюлозы. В специальных изделиях могут быть применены асбест и натуральные и синтетические волокна, такие, как лен, пенька, искусственный шелк, найлон и стекло.

Целлюлозно-бумажный комбинат. Получение древесной массы. ЦБК имеет в своем составе следующие основные цехи: лесную биржу, древесномассный, целлюлозный и бумагоделательный. ЦБК, как правило, размещают на берегах судоходных рек, и сырье в виде бревен доставляют туда преимущественно водным путем. Из реки бревна при помощи механических лесотасок поступают на лесную биржу, где их распиливают на балансы длиной в 1-3 м. иногда балансы заготавливают в лесу и доставляют по реке в судах или по ж/д. Затем балансы направляют в древеспомассный цех, где их перерабатывают в древесную массу дефибрерами. Дефибрер имеет крупный цилиндрический жернов и прижимной механизм, прижимающий к жернову поступающие в дефибрер балансы. Во время работы жернов непрерывно поливают водой, и при вращении он мелко истирает древесину балансов, превращая ее в жидкую кашицу. Дополнительно разбавленная водой, эта древесная кашица скапливается в резервуаре под жерновом и оттуда отводится по трубам. После удаления из жидкой древесной кашицы части воды получается готовая древесная масса. При производстве белых сортов бумаги древесную массу, имеющую желтовато-серый цвет, отбеливают, обрабатывая ее перекисью натрия или перекисью водорода. Получение целлюлозы. Параллельно с древесномассным цехом работает целлюлозный цех, в котором древесину перерабатывают механическим и химическим путями. В древесине содержится целлюлозы 50 %, остальное составляют нецеллюлозные вещества. Производство целлюлозы сводится главным образом к удалению из древесины этих веществ. Для получения целлюлозы производят рубку балансов на мелкую щепу в машинах-древорубках. Для удаления лигнина щепу варят, воздействуя на древесину некоторыми химикатами. Наиболее распространенный является сульфитный способ варки щепы, при котором па древесину воздействуют раствором бисульфата кальция, называемым варочной кислотой. Сущность сульфатного способа состоит в варке измельченной древесины в смеси каустической соды и сернистого натрия. Сульфатный процесс применяется там, где нужна прочность продукта, например для изготовления высококачественной оберточной бумаги и картона. Среди используемых в этом процессе пород дерева доминирует сосна, имеющая длинные сильные волокна. Получение бумаги. Смешение в соответствующей пропорции древесной массы и целлюлозы получают бумажную массу, из которой вырабатывают бумагу. Чтобы получить бумагу с ровной и гладкой поверхностью, добавляют каолин (белую глину), который заполняет промежутки между мельчайшими волокнами древесины и все неровности бумажного слоя. Для уменьшения впитывающей способности бумага должна быть проклеена. Проклеивают не готовую бумагу, а бумажную массу, для чего в нее вводят канифоль.