Учебный материал / Производственные технологии. А.В.Мовшович.-2006 / Производственные технологии пособие

ГЛАВА 10. ТЕХНОЛОГИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ

10.1. Классификация и применение минеральных удобрений

Минеральные удобрения – это вещества, ускоряющие биохимические процессы формирования и роста растений в почвах, бедных питательными элементами. Минеральные удобрения классифицируются:

1. По видам питательных элементов:

•азотные. Распространенные азотные удобрения: безводный аммиак,

мочевина, аммиачная селитра, сульфат аммония;

•калийные. Распространенные калийные удобрения: сульфат калия,

хлористый калий, сильвинит и т. д.;

•фосфорные Распространенные фосфорные удобрения: простой и двойной суперфосфат, фосфоритная мука.

В этих удобрениях действующими веществами являются N, K2O, P2O5. Поэтому расчеты между производителями и поставщиками выполняются с учетом их содержания в удобрениях. Азотные удобрения пересчитываются на элементарный азот N,

калийные – на K2O, фосфорные – на P2O5.

2. По числу главных питательных элементов:

•простые;

•комплексные, содержащие несколько питательных элементов.

Кроме того, используются минеральные удобрения, которые содержат микроэлементы (йод, бор, марганец, медь). Они же могут входить в состав комплексных удобрений. По способу производства комплексные минеральные удобрения подразделяются на смешанные и сложные. Смешанные получают механическим смешиванием нескольких простых удобрений. Сложные получаются при химическом взаимодействии полуфабрикатов. Смешанные удобрения характеризуются универсальностью применения. Сложные удобрения имеют меньшую себестоимость, высокое качество и равномерно усваиваются.

3. По агрохимическому значению:

•ускоряющие рост растений;

•ускоряющие развитие корневой системы;

•ускоряющие созревание плодов;

•оказывающие комплексное воздействие на растения.

Внесение минеральных удобрений в почву:

•предотвращает ее истощение и способствует повышению урожайности. При правильном их использовании они обеспечивают прирост урожая на 30–70 %;

•улучшает качество продукции – повышает содержание сахара в свекле и винограде, крахмала в картофеле, белка в зерне, увеличивает прочность волокон хлопка и льна;

•повышает устойчивость растений к болезням, холоду и засухе;

•снижает общие затраты труда на выращивание урожая на 35–40 %;

•снижает себестоимость зерна на 20 %.

Показателем качества удобрений является содержание в нем полезного вещества и их гигроскопичность, т. е. способность впитывать воду из воздуха. Это определяет условия хранения и транспортирования, тип тары.

41

10.2. Технология удобрений

Фосфорные удобрения. В качестве фосфорсодержащего сырья используются следующие минеральные ископаемые: фосфориты Ca3(PO4)2 и апатиты Ca5F(PO4)3. Запасы фосфоритов и апатитов находятся в основном на Хибинах. Эти соединения содержат фосфор в малорастворимой форме, поэтому использовать их в качестве удобрений без переработки неэффективно. Для получения фосфорных удобрений фосфорсодержащее сырье необходимо перевести в растворимую форму, что способствует лучшему усвоению их растениями. Простой суперфосфат получают при смешивании природного фосфата с серной кислотой. Тогда нерастворимая фосфорная соль переходит в растворимую, при этом в качестве побочного продукта образуется гипс:

Ca3 (PO4)2 +H2SO4 + H2O = Ca (H2PO4)2* H2O + CaSO4 * 2 H2O

Эта реакция протекает достаточно медленно, для ее завершения необходимо от 6 до 20 суток. Этот процесс называется дозреванием суперфосфата, и он заканчивается при хранении его на складе.

Для получения двойного суперфосфата природные фосфаты разлагают фосфорной кислотой. Двойной суперфосфат содержит действующего вещества (P2O5)

– 42–48 %. Суперфосфат выпускают в гранулированном виде, т. к. иначе его мелкие частицы быстро растворяются и уносятся в глубинные слои почвы, где нет корневой системы.

Калийные удобрения. В качестве удобрений используют природные калийные соли и продукты их переработки. В настоящее время 90 % добываемых калийных солей используют в качестве удобрений. Их наиболее мощными месторождениями являются Солигорская и Верхнекамская области. В нашей республике в качестве калийсодержащего сырья используют сильвинит и корналит. Сильвинит (KCl*NaCl) содержит 30 % KCl и 70 % NaCl). Переработка сильвинита заключается в разделении содержащихся в нем солей. Это производится галургическим методом (или методом выщелачивания), который основан на различной растворимости солей в горячей и холодной воде. Растворимость KCl с повышением температуры увеличивается, а растворимость NaCl практически не изменяется. Поэтому охлаждение насыщенного раствора, полученного при Т = Ткип сопровождается кристаллизацией KCl, а NaCl остается в растворе. Такой раствор называется маточным и используется для дальнейшего растворения сильвинита. При этом при Т = Ткип в маточный раствор из сильвинита будет переходить только KCl, поскольку этот раствор солями Na уже насыщен. Извлечение отдельных компонентов твердого вещества путем перевода в раствор с помощью растворителя (обычно водного) и называется выщелачиванием. Пустая порода: глина, песок NaCl направляются в отвалы, а калийные соли после их сушки упаковываются в 4-слойные бумажные мешки и отправляются потребителям.

Азотные удобрения. Их получают искусственным путем с помощью реакций химического синтеза из аммиака, азотной или серной кислот и др соединений. Промышленность выпускает следующие основные виды азотных удобрений: сульфат аммония (NH4)2SO4, аммиачную селитру, или нитрат аммония, безводный аммиак, мочевину или карбамид. Сульфат аммония получают в результате нейтрализации серной кислоты газообразным аммиаком: H2SO4 + 2 NH3 = (NH4)2SO4 . Для этого используются башенная серная кислота и аммиак, содержащийся в коксовом газе.

42

Нитрат аммония получают в результате нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком:

NH3 + HNO3 = NH4 NO3.

Это более концентрированное азотное удобрение.

Серьезным недостатком этих удобрений является их слеживаемость при длительном хранении и гигроскопичность. Поэтому при хранении на складе необходимо избегать больших объемов удобрений и следить за влажностью воздуха в помещении. Гранулирование удобрений уменьшает их слеживаемость.

Белорусские производители минеральных удобрений:

1.ОАО «Гомельский химический завод» выпускает фосфорные, сложные и комплексные удобрения.

2.Производственное объединение «Беларуськалий» выпускает калийные удобрения.

3.Гродненское производственное объединение «Азот» выпускает азотные удобрения.

43

ГЛАВА 11. ОСНОВЫ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

11.1. Виды топлива и их применение

Топливом называют твердые, жидкие и газообразные горючие вещества, являющиеся источником тепловой энергии и сырьем для химической промышленности. В результате химической переработки различных топлив получают углеводородное сырье для производства пластмасс, химических волокон, лаков, красителей, растворителей и т. п. Например, при коксовании углей получают: бензол, толуол, фенол, нафталин, антрацит, водород, метан и др. продукты. В качестве сырья используют газы, выделяемые при добыче нефти и ее переработке. Эти газы содержат метан, этан, пропан, бутан, этилен, пропилен и др. Все топлива делятся (табл.1):

1)по агрегатному состоянию – на твердые, жидкие и газообразные топлива;

2)по происхождению – на естественные и искусственные топлива.

		Таблица 1
	Классификация топлива
Агрегатное состоя-		Топливо
ние топлива	естественное	искусственное
Твердое	Древесина, торф, уголь,	Кокс, полукокс, древесный
	сланцы	уголь
Жидкое	Нефть	Бензин, керосин, мазут, лиг-
		роин и др.
Газообразное	Природный газ, попут-	Коксовый газ генераторные
	ные газы	газы, газы нефтепереработки

Искусственные топлива получают в результате переработки естественных топлив. Одним из важнейших видов химического сырья является природный газ, который содержит до 98 % метана. Древесина является источником получения целлюлозы, этилового спирта, уксусной кислоты и других продуктов. Из сланцев и торфа производят горючие газы, сырье для производства масел, моторных топлив, сырье для производства полимеров. По существу все добываемое топливо сжигается, только 10 % нефти и газа используется в качестве сырья для химической промышленности. Наибольшее количество топлива расходуется на тепловых электростанциях, в различного рода тепловых двигателях, на технологические нужды (например, при выплавке металла, для нагрева заготовок в кузнечных и прокатных цехах), а также на отопление жилых, обще-

ственных и производственных помещений.

11.2. Методы переработки твердого топлива

Твердое топливо подвергают химической переработке следующими способами:

•пиролизом;

•газификацией;

•гидрированием.

Пиролиз – это разложение топлива при нагревании без доступа воздуха с целью получения кокса. В результате протекают физические процессы (испарение влаги) и химические процессы – превращение компонентов топлива с получением ряда химических продуктов. Эти процессы требуют подвода тепла извне.

44

Газификация – это процесс переработки топлива в горючий газ. Процесс происходит в присутствии воздуха, водяного пара, кислорода и др. газов. В газ превращается до 90 % органической массы топлива. Газификация производится в газогенераторах, поэтому получающийся газ называют газогенераторным. Процесс экзотермический, температура газификации составляет 900–1100 0С. В последнее время в связи с экономией углеводородных топлив, разрабатываются и внедряются технологии переработки низкосортных твердых топлив, основанные на газификации.

Гидрирование – это обработка твердого топлива водородом для получения жидкого топлива. Процесс происходит в присутствии катализаторов под действием высокой температуры. В результате образуются продукты более богатые водородом, чем исходное сырье. Например, переработка угля в бензин. Промышленность искусственного жидкого топлива достигла наибольшего объема в 1940–1943 гг. (7–8 млн т в год). Расход угля на 1 т жидкого топлива составлял 7–8 т, соответственно, стоимость такого бензина была гораздо дороже угля. В настоящее время наиболее крупным производителем сравнительно дешевого бензина является ЮАР, т.к. в качестве сырья там используют дешевые бурые угли, которые добывают открытым способом.

11.3. Технология коксохимического производства

Коксохимическое производство является одним из основных в химической переработке ископаемых углей.

Состав, свойства и классификация углей

Ископаемые угли делятся на бурые с содержанием углерода 55–78 %; каменные (75–92 %) и антрациты (92–97 % углерода). Кроме углерода в состав углей входят: водород (1–6 %), кислород (2–20 %),азот (1–2 %) и сера (0,5–6 %), связанные с ним в различные органические соединения и образующие группу смолистых веществ. Содержание последних оценивается выходом летучих веществ, выделяющихся при нагревании угля без доступа воздуха. С повышением содержания углерода в угле выход летучих веществ уменьшается. Сырьем для коксохимического производства является каменный уголь.

Промышленная классификация углей по маркам основана по принципу их возрастающей углефикации. Марки углей стандартизованы: Д – длиннопламенные, Г – газовые, Ж – жирные, К – коксовые, ОС – отощенные спекающиеся, Т – тощие. Содержание летучих веществ в этом ряду убывает, а углерода возрастает.

Технологические процессы получения кокса

Технологический процесс коксохимического производства начинается с подготовки сырья и приготовления шихты. Наибольшее применение при составлении шихты для выработки металлургического кокса находят угли следующих марок: Г, К, Ж, ОС. Процесс подготовки сырья должен обеспечивать получение шихты заданного химического состава с учетом допускаемого содержания примесей и заданного размера угольных частиц.

Готовая шихта определенными дозами высыпается в бункеры загрузочного вагона, который доставляет ее в камеры коксовой батареи. Процесс коксования начинается сразу после подачи загрузочным вагоном отмеренной дозы шихты в камеру. Загрузочные люки закрываются, и включаются подогревающие устройства. Процесс коксования длится 14–17 часов.

45

Коксование – процесс переработки каменных углей при их нагревании до 900– 1100 0С без доступа воздуха. Несмотря на высокую температуру в обогревательных простенках печи (1300–1700 0С), уголь прогревается постепенно. Поэтому в коксуемой массе длительно находятся одновременно слой кокса, полукокса, пластической массы, сухой и влажный уголь. К концу процесса температура во всех слоях выравнивается, кокс формируется в виде монолита, который затем в процесс выгрузки растрескивается.

Цель пиролиза – отделение углерода от остальных веществ, содержащихся в углях. Продуктами коксования являются летучие вещества и твердый остаток – кокс. В ходе процесса коксования последовательно ведется отгон и сбор коксового газа, надсмольной воды и каменноугольной смолы, которые используются как сырье в химической промышленности.

По окончании процесса коксования нагревающие устройства выключаются, а к дверям камеры подводится выталкиватель, который выгружает коксовый пирог в тушильный вагон, а загрузочный вагон открывает загрузочные люки и производит загрузку новой дозы шихты. Выгруженный кокс подвергается тушению в среде инертного газа.

Производительность одной коксовой батареи составляет около 1500 т кокса в сутки. Методом коксования в мире перерабатывается более 500 млн. т каменного угля в год.

11.4.Продукты коксования

Врезультате коксования углей получают следующие продукты:

1.Кокс – продукт темно-серого цвета, пористость которого достигает 45–55 %, содержит 97–98 % углерода. Каменноугольный кокс является высококачественным бездымным топливом. В зависимости от назначения и размера выделяют следующие разновидности кокса:

•доменный кокс (диаметр более 40 мм);

•литейный кокс (диаметр от 25 мм);

•коксовый орешек (диаметр 10–25 мм) применяется для производства ферро-

сплавов;

•коксовая мелочь (диаметр менее 40 мм) применяется для агломерации;

•кокс, не пригодный для технических нужд из-за содержания серы, золы и низких механических свойств, используется в качестве топлива.

2. Обратный коксовый газ содержит 60 % водорода и 25 % метана, остальные 15 % – азот, углекислый газ, кислород, непредельные углеводороды. Служит сырьем для производства водорода и аммиака, а также применяется для подогрева воздушного дутья в доменных печах и для обогрева сталеплавильных и коксовых печей.

3.Сырой бензол состоит из бензола, толуола, сероуглерода, фенолов и др. Вещества, входящие в состав сырого бензола, широко применяются в производстве полимеров, красителей, лекарственных препаратов, взрывчатых веществ, ядохимикатов и др.

4.Каменноугольная смола является смесью ароматических углеводородов. Ее используют для производства красителей, химических волокон, пластических масс, в фармацевтической промышленности, а также для производства различных технических масел.

46

ГЛАВА 12 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ

12.1. Добыча и транспортирование нефти

Нефть – "черное золото" – маслянистая темно-коричневая жидкость со специфическим запахом является одним из важнейших полезных ископаемых и топливноэнергетических ресурсов.

По химическому составу нефть является сложной смесью углеводородов (до 90 %), а также содержит S, N2, O2. По содержанию серы нефти подразделяют на малосернистые, сернистые (до 3 %) и высокосернистые (до 5 %). Добываемая из скважин сырая нефть содержит растворенные в ней попутные газы, воду, водные растворы минеральных солей, механические примеси – песок, глину.

Большая часть нефти добывается через нефтяные скважины из резервуаров в земной коре, образуемых складками твердых пород. Для подъема нефти и сопутствующих ей газов и воды на поверхность применяют следующие способы:

1)фонтанный способ (компрессорная добыча нефти) – за счет энергии сжатого природного газа или воздуха, который подается компрессором в скважину и вытесняет нефть на поверхность, производительность этого способа 2–40 т нефти в сутки; этот способ применим в начальный период эксплуатации скважины, когда в пласте высокое давление;

2)глубинно-насосный способ – когда нефть откачивают с помощью гидропоршневых и др. насосов.

На последней стадии эксплуатации скважин в них производят закачку воды, в пласте создается высокое давление и нефть, как более легкий продукт, вытесняется на поверхность. Сырую нефть на специальных установках отделяют от воды и газов, сопутствующих нефтяным месторождениям, а затем по трубопроводам перекачивают в специальные нефтехранилища – огромные стальные резервуары. Отсюда нефть транспортируют на нефтеперерабатывающие заводы различными методами:

•перекачкой по трубопроводам на тысячи км;

•перевозкой в цистернах по железной дороге;

•перевозкой в танкерах (нефтеналивных судах) по морю.

12.2.Методы переработки нефти

Методы переработки нефти делятся на две группы: физические и химические. Физические методы переработки основаны на использовании физических

свойств компонентов (фракций), из которых состоит нефть. Наиболее распространенным физическим методом переработки нефти является перегонка. Перегонка (или дистилляция) – это процесс разделения смеси взаиморастворимых жидкостей на фракции, которые отличаются между собой по температуре кипения. При перегонке смесь нагревается до кипения и частично испаряется, после чего получают дистиллят и остаток. Однако, достичь необходимого разделения компонентов нефти с помощью одной перегонки невозможно. На установках первичной перегонки нефти однократное испарение и ректификация совмещаются.

Первичная перегонка нефти (рис. 12.1) включает следующие этапы:

1. Перед первичной перегонкой товарную нефть обезвоживают и обессоливают. Содержание солей в нефти снижают до 0,5–5 мг/л, а воды до 0,05–0,2 %.

47

2.Прямая перегонка (атмосферная ректификация). Процесс проводится при атмосферном давлении. Прямая перегонка проводится на установках трубчатого типа, которые включают трубчатые печи, ректификационные колонны, теплообменники, сепараторы, холодильники. Продуктами атмосферной ректификации нефти являются бензин, лигроин, керосин, дизельное топливо и остаток – мазут, выход которого достигает 55 % от исходной нефти. Мазут служит сырьем для вакуумной перегонки.

3.Вакуумная перегонка мазута проводится при давлении 5–8 кПа. В результате получают масляные дистилляты и остаток – гудрон (выход которого 27 %).

Таким образом, продукты первичной перегонки нефти – топливные фракции,

масляные дистилляты и остаток – гудрон. Топливные фракции – это бензины, лиг-

роины, керосины, газойль и мазут, они кипят при температурах от 150 до 400 оС. Масляные дистилляты – это фракции с температурой кипения от 350 до 550 оС – применяются для получения смазочных и специальных масел. Гудрон используется для производства битумов и кокса.

Химические методы переработки – термический и каталитический крекинги. Крекинг – это расщепление длинных молекул тяжелых углеводородов, имеющих высокую температуру кипения, на более короткие молекулы легких веществ с низкой температурой кипения. При крекинге различных фракций первичной перегонки

нефти – от лигроина до мазута, углеводороды, содержащиеся в нефти и нефтепродуктах, претерпевают химические превращения под влиянием высоких температур

идавления, и/или в присутствии катализаторов. В результате образуются новые вещества.

Термический крекинг (низкотемпературный крекинг) протекает при темпера-

турах 450–500 оС `и повышенном давлении 1,9–3 МПа, длительность процесса 90– 200 с. Этот вид крекинга используется для получения топлива из мазута и гудрона.

Высокотемпературный крекинг протекает при высоких температурах 530– 600 оС, давлении 0,12–0,6 МПа, длительности процесса 0,5–3 с. Этот вид крекинга используется для получения бензинов и непредельных газов из дистиллятных фракций.

Каталитический крекинг – это расщепление тяжелых углеводородов в присут-

ствии катализаторов Катализаторами служат глины типа бокситов, а также синтетические алюмосиликаты. Процесс идет при температурах 450–500 оС `и повышенном давлении. Преимущества каталитического крекинга:

1) высокая скорость процесса, которая в 500–4000 раз больше скорости термического крекинга;

2) снижение температуры крекинга;

3) увеличение количества и улучшение качества получаемых продуктов:

– увеличение выхода бензинов с высоким октановым числом и большей стабильностью при хранении;

– увеличение выхода непредельных газообразных углеводородов (крекинг газов), которые являются сырьем для основного органического синтеза.

12.3.Важнейшие нефтепродукты и их применение

Перегонка нефти производится в крупном масштабе для получения всех видов топлива и для получения широкого ряда химических веществ. Это ароматические углеводороды (бензол, толуол, нафталин), парафины, олефины. Самые распространен-

48

ные конечные продукты перегонки нефти – это этан и пропан, которые. широко применяются в химической и пластмассовой промышленностях (рис. 12.1).

Нефтяные топлива подразделяют на светлые (моторные), которые применяют для двигателей, и котельные. Котельное топливо применяют для сжигания в промышленных печах, в тепловых электростанциях. Моторное топливо делится на карбюраторное и дизельное.

Карбюраторное топливо включает в себя авиационные и автомобильные бензины, которые характеризуются октановым числом. Чем больше ОЧ, тем в большей степени может быть сжата горючая смесь в цилиндрах, что и определяет его экономичность.

Рис.12.1. Экономическая важность переработки нефти для народного хозяйства

Дизельное топливо включает в себя газойль и соляровые фракции. Производ-

ство этого вида топлива возрастает в связи с увеличением выпуска дизельных двигате-

49

лей. К важнейшим нефтепродуктам относятся также масляные дистилляты, которые представляют собой различные смазочные масла.

Смазочные масла уменьшают трение между деталями, защищают поверхность от износа, охлаждают трущиеся детали (при фрезеровании или сверлении). По применению они подразделяются на индустриальные, компрессорные, трансмиссионные и специальные масла, которые применяются не для смазки, а в качестве рабочей жидкости тормозных систем, в гидравлических устройствах, в трансформаторах и конденсаторах в качестве электроизоляционной среды.

Важнейшими эксплуатационными характеристиками масел являются их вязкость, температура застывания, химическая стабильность, смазочная способность, коррозионные свойства.

Консистентные смазки также относятся к смазочным маслам. Они представляют собой нефтяные масла, в которые добавлены загустители (мыла, твердые углеводороды или др.).

Из нефтяных масел получают сажу, которая широко применяется для производства резины в шинной промышленности. Сажу получают посредством сжигания нефтяных масел при недостатке воздуха.

Нефтяные битумы широко используются в дорожном строительстве. Их получают из гудронов – остатков вакуумной перегонки нефти. Битумы используют также в качестве электро- и гидроизоляционного материала (например, для аккумуляторных батарей).

При крекинге получают крекинг-бензины, крекинг-газы и крекинг-остаток

(смолистые и асфальтовые вещества). Причем, главная цель крекинга – это получение большого количества газов – этана, этилена, пропилена и др. легких углеводородов. На них имеется большой спрос, т. к. они, в свою очередь, являются сырьем для основного органического синтеза.

50