Классификация сырья

По происхождению сырье бывает природное и синтетическое.

СЫРЬЕ

природное

синтетическое (продукты нефте-, угле- и газоперерабатывающей промышленности)

минеральное

растительное

животное

- рудное (руды тяжелых и цветных металлов) - нерудное (фосфатиты, апатиты, нефелины, каменная соль, сера, гипс, известняк и др.) - горючие ископаемые (нефть, сланцы, уголь, природный газ, торф и др.) - вода - воздух

- древесина - хлопок - масленичные культуры - картофель - сахарные культуры - лекарственные растения - каучуконосы и др.

- кости - жир

Растительное и животное сырье обычно подразделяют на пищевое и техническое.

По запасам сырье бывает возобновляемое (вода, воздух, растительное и животное сырье) и не возобновляемое (руды, горячие ископаемые).

По химическому составу сырье бывает неорганическое (руды, минералы) и органическое (нефть, уголь, природный газ).

По агрегатному состоянию сырье бывает твердое (руды, уголь, древесина), жидкое (вода, нефть) и газообразное (воздух, природный газ).

54. Сырье для промышленности органического синтеза

- это углеводороды, получаемые из горючих ископаемых (нефти, угля, природного газа).

Нефть

- это тяжелая маслянистая жидкость, содержащая:

1) парафиновые углеводороды (алканы) газообразные С₁ – С₄, жидкие С₅ – С₁₅ и твердые >С₁₅.;

2) нафтеновые углеводороды (циклоалканы) – моно-, би- и полициклические структуры с боковыми цепями;

3) ароматические углеводороды (арены) – моноциклические (бензол, толуол, ксилолы) и полициклические (нафталин, фенантрен, антрацен и др.);

4) кислородсодержащие соединения (нафтеновые кислоты, фенолы, крезолы и др.);

5) сернистые соединения (сероводород, сульфиды, дисульфиды, меркаптаны, тиофены и др.);

6) азотистые соединения (пиридин, хинолин и их производные);

7) соли минеральных кислот;

8) органические комплексы ванадия, никеля и других металлов;

9) другие соединения.

Переработка нефти осуществляется с использованием физических и химических методов в следующей технологической последовательности:

промысловая подготовка нефти

прямая перегонка нефти

переработка нефтяных дистиллятов (вторичная переработка нефти)

Промысловая подготовка нефти заключается в удалении из нее минеральных примесей (вода, песок, соли), растворенных газов (попутного газа) и легколетучих жидкостей (газового бензина). Нефть освобождается от примесей в ходе следующих операций:

дегазация

нефть

природный газ

обезвоживание

деэмульгатор

вода пластовая

обессоливание

вода

вода промывная

стабилизация

газовый бензин

нефть на прямую гонку

Прямая перегонка нефти предназначена для разделения нефти на отдельные фракции, отличающиеся по температурам выкипания. В зависимости от направления использования полученных дистиллятов различают топливный и топливно-масляный варианты прямой гонки. Нефтеперерабатывающие заводы топливного профиля ориентированы только на производство топлив и используют установки прямой гонки АТ (атмосферная трубчатка). При этом получают следующие фракции:

- прямогонный бензин, t _{начала кип.} = 140°С;

- лигроин, t_кип. = 140-180°С;

- керосин, t_кип. = 180-240°С;

- дизельное топливо, t_кип. =180-350°С;

- мазут – свыше 350°С.

Прямогонный бензин имеет низкое октановое число и может быть использван в качестве топлива для автомобильных двигателей внутреннего сгорания (карбюраторное топливо).

Наиболее ценные компоненты нефти – «светлые» нефтепродукты, выкипающие при температуре ниже 350⁰ при атмосферном давлении. Они находят наиболее широкое применение. Однако их содержание в нефти невелико, не более 45% (бензин 17%, керосин 10-%, дизельное топливо 17%). Поэтому так называемые «тяжелые» фракции нефти подвергают специальной переработке, заключающейся в уменьшении молекулярной массы и химического состава углеводородов с целью снижения их температур кипения. Применяемые при этом процессы называют вторичными и по своей природе они, в отличие от первичной переработки нефти, являются химическими. В основе всех этих процессов лежат следующие реакции:

- реакции расщепления связи С-С с образованием алканов и алкенов с более короткой цепочкой;

- реакции расщепления связи С-Н с образованием алкенов с той же длиной цепи и молекулярного водорода;

- реакции изомеризации;

- реакции полимеризации, конденсации, алкилирования и др., приводящие к укрупнению молекул.

Все эти реакции являются радикальными; вклад каждого типа реакций зависит от условий проведения процесса и состава нефтяной фракции, подвергающейся переработке. Различают термические и каталитические вторичные процессы.

Наиболее важные вторичные процессы переработки нефти:

вторичная переработка нефти (химические процессы)

термические

каталитические

пиролиз коксование термокрекинг термокрекинг

каталитический крекинг гидрокрекинг риформинг алкилирование изомеризация дегидрирование

55. Современная химическая промышленность является крупнейшим потребителем воды. По объему водопотребления химический завод средней мощности может быть приравнен к городу с 800 тысячным населением, т.е. 10-20 млн. м³ в год.

Вода используется как:

- реагент (в процессах гидратации, гидролиза, в производстве Н₂ и др.);

- промывной агент;

- растворитель;

- разбавитель (в процессах пиролиза, крекинга, дегидрирования и др.);

- теплоноситель (перегретая вода, водяной пар, хладоагент).

Вода является самым распространенным на Земле соединением. Но запасы пресной воды, пригодной для использования, составляют всего 0,3% объема гидросферы. Все природные воды обычно подразделяют на атмосферные, поверхностные и подземные.

Атмосферные воды выпадают на землю в виде дождя и снега. Они содержат наименьшее количество примесей. В основном, это растворенные газы (кислород, углекислый газ, азот и др.), соли, бактерии. Атмосферные воды используются как источник водоснабжения только в безводных и засушливых районах.

Поверхностные воды – это воды открытых водоемов: рек, озер, морей. В состав этих вод входят разнообразные минеральные и органические вещества.

Подземные воды – воды артезианских скважин, колодцев, ключей, гейзеров. Они характеризуются значительным содержанием минеральных солей.

В зависимости от солесодержания природные воды подразделяют на:

- пресные (до 1 г/кг солей),

- солоноватые (1-10 г/кг),

- соленые (более 10 г/кг).

Природные воды представляют собой сложную динамическую систему, содержащую газы, минеральные и органические вещества, находящиеся в истинно растворенном, коллоидном или взвешенном состоянии.

В истинно растворенном состоянии находятся, в основном, минеральные соли, содержащие катионы Са²⁺, Мg²⁺, Na⁺, К⁺ и анионы SO₄^2-, CO₃^2-, HCO₃^-, Cl^-. В виде недиссоциированных молекул могут находиться некоторые органические соединения, а также растворенные газы (О₂, СО₂, Н₂S и др.).

В коллоидном состоянии в воде находятся недиссоциированные и малодиссоциированные соединения алюмо- и железосиликатов, гидроксид железа, кремниевая кислота и др., различные органические соединения. Органические коллоиды состоят, в основном, из гуминовых кислот, фульвокислот, лигнина, протеина, клетчатки, различных смол и других сложных соединений.

Во взвешенном состоянии природные воды содержат глинистые, песчаные, известковые и гипсовые частицы. Они могут также содержать живые организмы в виде различных бактерий, грибков, водорослей и т.п.

В зависимости от назначения потребляемая вода условно подразделяется на промышленную и питьевую; содержание примесей в них регламентируется соответствующими стандартами.

Пресная природная вода используется без предварительной очистки в процессах первичной обработки сырья, для охлаждения продуктов и аппаратов и для различных вспомогательных операций. Во всех остальных случаях она подвергается очистке различными методами в зависимости от характера примесей и предъявляемых требований.

Можно выделить следующие группы методов очистки воды:

- механические методы:

1) отстаивание – осаждение песка и тяжелых минеральных примесей под действием силы тяжести;

2) фильтрация (через кварцевый песок, коксовую мелочь, мраморную крошку, неактивный уголь и др.) – выделение тонкодисперсных соединений;

Особым видом фильтрации являются ультрафильтрация и обратный осмос (мембранные методы). Это наиболее современные способы очистки воды. Мембраны задерживают частицы размером 0,05-0,1 мкм, что позволяет отделить мелкодисперсные или даже растворенные частицы. Ультрафильтрация очень часто используется для разрушения эмульсий.

Мембраны могут быть уплотняющие (полимерные), жесткие (металлические, керамические, стеклянные) и динамические (получаемые путем нанесения разделяющего слоя на пористую подложку до или в процессе фильтрации). Наиболее распространены полимерные мембраны.

Ультрафильтрация и обратный осмос проводятся под давлением и отличаются друг от друга его величиной. Поскольку при обратном осмосе используются мембраны, обладающие меньшей проницаемостью для молекул растворителя, этот метод требует более высоких давлений.

- механо-химические методы:

1) коагуляция – адсорбция мелкодисперсных примесей на хлопьях коагулянта и их совместное осаждение. Для ускорения процесса к воде добавляют флокулянты (например, полиакриламид), которые способствуют слипанию и укрупнению хлопьев коагулянта. Наиболее распространенными коагулянтами являются сульфаты алюминия и железа в присутствии едкого натра или извести.

2) флотация – выделение гидрофобных частиц примесей вместе с пузырьками воздуха и удаление их с поверхности воды.

- термические методы:

1) кипячение;

2) дистилляция – последовательное испарение воды с конденсацией пара;

- физические методы:

1) радиационный метод, основанный на разрушении примесей излучениями высоких энергий;

2) магнитная обработка, используемая для предотвращения образования накипи;

3) вымораживание;

4) ультрафиолетовое облучение;

5) ультразвуковая обработка.

- физико-химические методы:

1) метод ионного обмена, основанный на способности некоторых материалов, обмениваться ионами с водой. Такими материалы называют катионитами или анионитами. Катиониты отдают воде катион натрия (Na-катиониты) или катион водорода (Н-катиониты); аниониты - ОН^- группу. Обмен ионов кальция и магния на Na⁺ или Н⁺ называется умягчением воды, процесс полного освобождения воды от ионов – обессоливанием.

- химические методы:

1) хлорирование;

2) озонирование;

3) насыщение ионами серебра;

4) известково-содовый метод умягчения жесткой воды;

5) фосфатный метод умягчения жесткой воды;

6) каталитическое сжигание.

Первые три метода обычно используются для обеззараживания питьевой воды; последний - для обезвреживания очень загрязненных стоков.

- биохимические методы:

1) аэробный (в присутствии кислорода)

2) анаэробный (без кислорода).

Эти методы используются для очистки стоков и основаны на способности микроорганизмов использовать в качестве источников питания неорганические и органические соединения, содержащиеся в воде.

- биогидроботанический метод

- доочистка воды в биологических прудах перед сбросом в водоемы.

56. 1. Последовательное соединение:

При этом соединении весь технологический поток, выходящий из предыдущего элемента схемы, полностью поступает на последующий элемент, причём через каждый элемент поток проходит только один раз.

2. Параллельное соединение:

Технологический поток разделяется на несколько потоков, которые поступают на различные элементы, причём каждый аппарат поток проходит только один раз. Выходящие из элементов потоки могут объединяться в один поток, а могут выходить раздельно.

3. Последовательно-обводное (байпасное) соединение:

При последовательно-обводном соединении через ряд последовательно соединённых элементов проходит только часть потока, другая часть обходит часть аппаратов, а затем соединяется с частью потока, прошедшего через последовательно соединенные элементы схемы.

4. Рециркуляционное соединение:

Обратный технологический поток в системе последовательно соединённых элементов, который связывает выход одного из последующих элементов с входом одного из предыдущих элементов.

Такая связь характеризуются коэффициентом рециркуляции, т.е. отношением рециркулирующего потока к суммарному.

Применение различных видов связей между химическими реакторами:

− замена одного РИС на каскад РИС, т.е. последовательно соединённых аппаратов (без изменения общего времени контакта), позволяет достичь большей степени превращения за счёт изменения гидродинамической обстановки и уменьшить конструктивный размер каждого реактора;

- замена одного РИВ на каскад РИВ позволяет только сократить конструктивный размер каждого реактора;

− замена одного РИВ или РИС на ряд параллельно работающих реакторов не снижает общую эффективность, но уменьшает конструктивные размеры параллельно работающих реакторов;

− параллельное подключение дополнительного реактора позволяет увеличить нагрузку по сырью при сохранении неизменной степени превращения или, возможно, достичь более высокой степени превращения (без изменения скорости подачи сырья) за счёт увеличения времени пребывания;

− последовательное соединение применяют, когда необходимо провести химическое превращение в несколько стадий для эндо- или экзотермических реакций (особенно обратимых), протекающих в адиабатических реакторах, так как позволяет на каждой стадии поддерживать оптимальную температуру;

− последовательное соединение применяют, когда необходимо провести технологический процесс с выделением какого-либо компонента после каждой стадии;

− параллельное соединение применяют, когда необходимо оптимальным образом распределить нагрузку между параллельно работающими линиями, отличающимися по производительности, например, вследствие падения активности катализатора, загрязнения теплообменной поверхности и пр.;

− параллельное соединение применяют, когда необходимо увеличить надёжность производства и обеспечить возможность его работы с минимальной производительностью без снижения эффективности работы оборудования (в случае необходимости параллельные линии могут быть отключены по экономическим соображениям или для ремонта);

− при байпасном соединении вследствие уменьшения потока, идущего через реактор, увеличивается время пребывания в реакторе и увеличивается степень превращения сырья в продукты (в реакторе);

- байпасное соединение применяется при конструировании реакторов для проведения обратимых экзотермических реакций путём смешения «горячего» потока после реактора с «холодным» байпасным потоком, что позволяет достичь высокой степени превращения и оптимальных температур, и, следовательно, высоких скоростей химических реакций (каталитические реакторы, например, окисления SO2 в SO3 или синтеза аммиака);

− рециркуляция применяется в случаях, когда необходимо увеличить эффективность использования сырья и оборудования за счёт увеличения времени пребывания в рециркулируемых аппаратах без изменения размеров оборудования и гидродинамической обстановки;

− рециркуляция позволяет достичь максимального использования сырья (особенно для обратимых реакций) и увеличить скорость процесса за счёт увеличения концентрации исходных реагентов, которая достигается при выделении целевого продукта на линии рецикла и возвратом исходных реагентов в «голову» процесса (например цикл синтеза аммиака);

− рециркуляция позволяет уменьшить полноту протекания побочных химических реакций посредством разбавления сырья продуктами реакции, поступающими в «голову» процесса по линии рецикла.

57, 58. Схематическое изображение химико-технологического процесса:

Оператор – химический или физический процесс (массообменный, тепловой, механический, гидромеханический, химический).

Подсистема – совокупность операторов, объединенная в рамках схемы единой технологической целью (подготовка сырья, химическое превращение, разделение реакционной смеси).