ХИМИЯЛЫҚ ӨНДІРІСТЕРДІҢ ШИКІЗАТЫ

Химиялық өндірістерде қажетті төрт элементтің болуы міндет, олар: шикізат, су, энергия және жұмыс күші. Осылардың ішінен ең негізгі өнімнің өзіндік құнын, сапасын және технологиялық процестің дәрежесін анықтайтын элемент – шикізат.

Шикізат - өндіріс өнімдерін өндіруге пайдаланатын табиғи заттар және жартылай өнімдер. өндіріс дамыған сайын шикізаттың түрі де, сандық-сапалық жағы да өзгереді. Кейбір химиялық өнімдерді өндіруге жартылай өнімді немесе басқа өндірістің қалдықтарын пайдаланады. Бастапқы шикізат та және өндірілген өнімде МЖСТ және ЖОСТ – стандарттарының талаптарына сәйкес болуы міндет.

1. ШИКІЗАТ ҚОРЫ ЖӘНЕ ТҮРІ

Химиялық өндірістердің шикізаттары әр түрлі белгімен топтастырылады. Жаратылыс тегіне байланысты – минерал, өсімдік және мал-хайуан шикізаттары. Химиялық құрамына байланысты – бейорганикалық және органикалық шикізаттар. Агрегаттық күйіне байланысты – қатты, сұйық (мұнай, тұздық) және газ күйіндегі (ауа, табиғи газ және мұнай өнімдерінің газдары) шикізаттар.

Минералдық шикізаттар – рудалық (кен) емес және жаңғыш шикізаттарға бөлінеді.

Рудалық (кен) шикізаттар – табиғи минералдар құрамында металл оксидтері және металл сульфидтері (Fe₃O₄, Fe₂O₃, Cu₂S, CuS, CuS₂, ZnS және т.б.) тағы басқа тау жыныстары (бос жыныстары – пустая порода) SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO т.б. болады. Құрамында әр түрлі металл қосындылары бар кендерді полиметалды кен деп атайды.

Кен емес минералдық шикізаттардың химиялық құрамы әр түрлі болады. Олар кейде жаратылыс күйінде қолданылады: құм балшық, асбест, слюда (қатпар тас) және басқалар, немесе химиялық өңдеуге түседі – сульфаттар, фосфаттар, карбонаттар, хлоридтер, алюмосиликаттар және т.б.

Қазып алынатын минералдар – жанғыш шикізаттар – шым тезек, қоңыр және тас көмір, тақтатастар, мұнай және табиғи газ – органикалық қосындыларға жатады, олар – шикізат ретінде және энергия көзі ретінде пайдаланады.

Химия өндірісінде өзі арзан және жеңіл түсетін шикізат ретінде су және ауаны кең пайдаланады.

Хайуан және өсімдік шикізаттары – жүн, тері, сүт, май, мақта, ағаш және т.б. бұлардың өздері екі топқа жіктелінеді: тағамдық азық-түліктер және техникалық өнімдер өндіретін шикізаттар.

Химиялық өндірістің шикізат қоры елімізде жеткілікті және қажеттілікті қанағаттандыруға мүмкіншілік толығынан бар.

Барлаушылар мәліметі бойынша фосфаттар, калий тұздары, натрий сульфаты, ас тұзы осылар сияқты кендер: темір қорғасын, титан, никель, маргенец және т.б. қорынан бірінші ондыққа кіреміз, жанғыш шикізаттар – көмір, шымтезек – қоры жер жүзіндегі қордың жартысы шамасында. Барлығынан мұнай мен газ қорыда алдыңғы қатардан орын алады (Қазақстан дүниежүзінің алғашқы он елінің ішіне енеді).

Химия өндірісінде өнімнің өзіндік құнын анықтағанда шикізаттың құны 60-70%-шасында болады, осыған тәуелді шикізаттың құнын төмендетудің проблемасын шешудің өзара байланысты жолдары мыналар: 1. Арзан бағалы шикізатты іздестіру және оны қолдану; 2. Концентрленген шикізатты қолдану; 3. Шикізатты кешенді түрде пайдалану; 4. Азық-түлік шикізаттың азық-түлік емес шикізатымен, өсімдік шикізатын минералдық шикізатымен алмастыру.

Бірінші проблеманы шешу жолдары: шикізат көзін өндіріс орындарына жақындату, яғни жергілікті арзан шикізатты пайдалану. өндіріс қалдықтарын негізгі өнім өндіргенде газ құрамындағы тозаңдар, сыртқа шығарылатын газдар және т.б. жаңа өнім өндіруге пайдалану, немесе тікелей қалдық шикізаттарды байытып негізгі шикізаттың концентрациясын арттыруға пайдалану. Шикізаттың бір түрін экономды шикізаттың екінші түрімен алмастыру. Мысалы, негізгі химиялық өндірісінің шикізаты көмірдің орнына мұнайды немесе табиғи газды қолданса өнімнің өзіндік құны төмендейді, себебі шахта әдісімен шығарылған және дайындалған көмірден (бірлік отын өлшеміне ауыстырғанда мұнайды шығару және оны дайындау 3, 5 есе, табиғи газды шығару және оны дайындау 12 есе арзан).

Көпшілік өндірістерде: пластикалық массалар, синтетикалық талшықтар, каучуктар, жуғыш заттар және т.б. өнімдердің өзіндік құнын төмендету мақсатпен арзан және жеңіл қол жететін табиғи газ және мұнай өнімдерін қолданады. Кокс газының қорының орнына табиғи газды қолданғанда аммиактың өзіндік құны екі есе төмендейді, осыған байланысты тыңайтқыштарда өзіндік құны төмендейді.

Мұнай өңдегенде өнетін газды этил спиртін өндіруге азық-түлік шикізаты нан орнына қолданғанда, спирттің өзіндік құны 3 есе төмендейді.

2. ШИКІЗАТТЫ БАЙЫТУ ПРИНЦИПТЕРІ

Байытылған, құрамында қажетті компоненттер концентрацияланған, шикізатты рационалды өңдеу процесіндегі маңызды өте үлкен. Байытылған шикізатты қолдану нәтижесінде өнімнің өзіндік құны төмендейді, сапасы артады, техникалық процестердің қарқындылығы артады және шығыны төмендейді және т.б. Тасу шығынында қажетті компонент концентрациясына пропорционал төмендейді.

Концентрлі шикізатты оны байыту нәтижесінде алады. Байыту әдістері құнды компонентті басқа қоспалардан бөліп алу олардың физикалық, физика-химиялық және химиялық қасиеттерінің ұқсас еместіктеріне негізделген. Байыту әдістері әр түрлі және агрегаттық күйіне байланысты қатты, сұйық және газ шикізаттардың байыту әдістері бір-біріне ерекше болады.

Қатты минералдық шикізат тау жыныстарының құрамында минералдар күйінде болады, тау жынысын ұсатып, минералдардың тау жынысымен байланысын үзіп, ұатылған масса байытылуға түседі. Байыту нәтижесінде концентрат (құнды компонентпен байыған фракция) және бос жыныс – қалдықтар алынады. Қатты шикізатты байытуға көбінесе механикалық әдістерді – дүңгірлекпен елеу, гравитациялық, электрмагниттік және электрстатистикалық сеперациялау, тағы да физика-химиялық әдіс –флотациялау әдісін қолданады.

Дүңгірлекпен елеу – шашу қатты жыныс құрамындағы минералдың беріктілігінің, морттылығының, тұтқырлығының тау жынысының аталған қасиеттерінен өзгеше болуына негізделген. Мортты қатты заттар оңай ұсақталынады. ұсақталған шикізатты дүңгірлек-елекпен елегенде, дүңгірлек-елек торының көздерінің мөлшеріне байланысты бірнеше фракцияға бөлінеді. Дүңгірлек елек өнімділігі тор тесігінің шамасына пропорционал. Мысалы фосфорит жынысын елегенде фосфор концентраты және бос жыныс алынады.

Гравитациялық байыту (ылғалды және құрғақ) ауа немесе сұйық ортада ұсатылған заттардың бөлшектерінің төмен түсу жылдамдылығының бөлшек тығыздығына немесе бөлшек мөлшеріне тәуелділігіне негізделген. Көбінесе ылғалды байыту су ортада орындалады. Су ортада алынған пульпа үш камераға бөлінген су классификаторына келіп тұрады: 1-ші камерада ірі және ауыр бөлшектер, 2-ші камерада орташа және 3-ші камерада ұсақ және жеңіл бөлшектер тұнады, тым ұсақ бөлшектер (бос жыныстар – пустая порода) су ағынымен кетеді.

Гидравитациялау (ылғалды) байытуға гидроциклон аппараттарын қолданады.

Электрмагниттік байыту – ұсақталған заттар құрамындағы бөлшектердің магнит алғырлықтарының өзгешеліктеріне негізделген. ұсақталған шикізат магнит сеператорынан өткенде магнит өрісінен магнит алғырлықты және магнит алғырлықсыз екі фракцияға бөлінеді.

Электрмагниттік байыту әдісі көбінесе темір рудаларын – магнитті темір (магнетит), қызыл темір тас, қоңыр темір тас, темір колчедан және т.б. байытуға қолданылады, осы әдіспен шикізатты ұнталғанда сырттан қосылған темірлерді, темір жоңқасын қолдан бөліп алуға болады.

Электрстатистикалық байыту – ұсақталынған шикізат құрамындағы әр түрлі бөлшектердің электр өткізгіштігінің өзгешеліктеріне негізделген. Электрстатистикалық сеператорларда магнит өрісінің орнына жоғары вольтті тоқ түзеткіштерінің теріс полюсіне жалғасқан электродты темір құбыр ортасына орнатады. Құбыр жермен жалғастырады. Құбыр арқылы жоғарыдан ұсатылған шикізат төмен қарай өткенде электр өткізгіш (күкірт және мыс колчеданы, қорғасын жылтыры, алтын, күміс және т.б.) бөлшектер теріс зарядталынып жылжу құбыр қабырғасына қарай өзгереді Құбыр қабырғасымен жанасып бейтараптанады, электр өткізбейтін бөлшектер жылжу бағытын өзгертпей құбырдың төменгі шетінен бөлінеді (әктастар, гипс, құм, силикаттар, тақтатастар, барит және басқа минералдар).

Термиялық байыту –ұсатылған шикізат құрамындағы компоненттерінің балқу температураларының айырмашылығына негізделінген. Мысалы әктастарының немесе гипс құрамындағы сап күкірт шикізаты 150-200⁰ С қыздырғанда элементарлы күйінде бөлінеді.

Химиялық байыту – шикізат құрамындағы компоненттердің химиялық реагенттермен әрекеттесулерінің айырмашылығына негізделінген. Химиялық реакциялар нәтижесінде қоспа құрамындағы компоненттер тұнбаға тұнуы, газға айналуы, балқыған күйіне т.б. құбылыстарға ұшырауы мүмкін. Мысалы мыс колчеданын SiO₂ қатысуымен мыс штейні бөлінеді:

CuFeS₂ FeSiO₃ + CuS

Құрамында балласт күйіндегі органикалық қоспалары бар шикізатты күйдіру арқылы балластан тазартады және т.б. Сұйықтан құнды затты бөліп алуға экстракция әдісін қолданады – сұйық иә, қатты заттардың қоспасын тиісті еріткішпен бір иә, бірнеше құрам бөлімдерін бөліп алу әдісі.

Флотация – физика-химиялық байыту әдісі көп қолданылатын негізгі әдіс. Флотация ағылшынша “flotation” қалқып шығу деген сөз. Флотацияның технологиясы оңай, оның негізгі – кен мен бос жыныстың бөлшектеріне судың жұғу-жұқпау қасиеттерінің әр түрлі болуында. Флотация процесін жүргізу үшін кенді өте ұсақ етіп ұнтақтап, сумен араластырып пульпа (қойыртпақ) түрінде түрінде арнаулы ыдысқа құяды, суға екі полюсті органикалық азот қосады (1 т кенге 400 г есебінде). Бос жыныс бөлшектерінің сыртына су молекулалары адсорбцияланады (өйткені олар гидрофильдік заттар) кеннің, әсері күкіртті металл бөлшектерінің сыртына су молекулалары адсорбцияланбайды (өйткені олар гидрофобтық заттар). Пульпа құйылған флотация машинасының астыңғы жағынан сығылған ауа жібергенде, ауа көпіршіктері түзіледі. Сол ауа көпіршіктерінің сыртқы қабықшасына гидрофобты кен бөлшектері жабысады. Осындай ауаның көпіршігі жоғары көтеріліп пульпа бетінде концентрат түзеді (маймен адсорбцияласқан кеннің бөлшектері). Бөлшектеріне су сіңген (гидрофильді) бос жыныс ауырлап ыдыс түбіне шөгеді – флотация қалдықтары (флотационные хвосты) түзіледі. Көбікті сыпырып алып, сығып байытылған кенді алады.

Кен бөлшектерінің суланғыштығы қатты зат – сұйық – ауа шекарасына пайда болған жұғу бұрышына тәуелді. Гидрофобты бөлшектер сумен жанасқанда доғал бұрыш (1), гидрофильді бөлшектер сүйір бұрыш (2) түзеді. Гидрофобты бөлшектердің теңестіру күші су бетінде жоғары бағытталады да, гидрофильді бөлшектердің теңестіру күші су бетінен төмен қарай бағытталады. Осы себептен гидрофобты бөлшектер тығыздығы басым, көлем мөлшері үлкен болғанымен су бетіне қалқып шығады, гидрофильді бөлшектер су түбіне шөгеді. Теңестіру күштің бағытына сұйықтың беттік керілуі әсерін тигізеді. Сұйықтың беттік керілуі ылғый сұйық бетін азайтуға бағытталған, осы себептен сұйық беті азаю (түзелу) үшін доғал бұрышты бөлшектер сұйық бетіне қалқып шығады, сүйір бұрышты бөлшектер су түбіне шөгеді.

2-сурет. Жұғудың әсері.

Көпшілік табиғи кендер минералдарының гидрофобты немесе гидрофильдік қасиеттері бір-біріне жақын, айырмашылықтары тым аз, оларды бір-біріне жеке бөлу үшін суланғыштық қабілетін өзегерту керек.

Соңғы мақсатпен флотация процесін жүргізгенде пульпаға флотореагенттер қосылады.

Флотореагенттер атқаратын міндетіне тәуелді үш топқа бөлінеді.

1. Коллекторлар (жыйнағыштар);

2. Көбік түзушілер;

3. Депрессерлер (басу,-кеміту,-төмендетушілер).

Коллекторлар ретінде қолданылатын беттік активті заттар – биполярлы органикалық қосылыстар, мысалы, олеин қышқылы С₁₇Н₃₅СООН, нафтен қышқылы, ксантогенаттар:

R – O S P R – O SNa    

дитиофосфаттар және т.б.

1. Коллектор – беттік активті зат молекуласының полярля тобы ұсақталынған минерал бөлшектеріне адсорбцияланып полярсыз радикалы суға бағытталған гидрофобты қабықша түзеді. Гидрофобты бөлшектер көбік бетіне жабысып су бетіне қалқып шығады. Коллектор молекулалары адсорбцияланбаған ұсақ бөлшектер пульпада бастапқы күйінде қалып, бірте-бірте шөгіп – флотация қалдығын түзеді.

2. Көбік тұзушілер – минералданған көбік берік, тығыз және қозғалмалы болуы қажет. Осыдан ауа көбіктерін түзу үшін пульпаға көбік түзушілер ретінде таскөмір майларының кейбір фракцияларын, ағаш қарамайы, үлкен молекулалы спирттерді қолданады. Аталған күрделі қосылыстар ауа көбіктерінің сыртқы қабатына адсорбцияланған қабықша құратын заттар.

Флотореагенттер – коллекторлар және көбік түзушілер беттік керілуі және жұғу бұрышын өзгертеді (Сosө) яғни, фазалар шекарасында тепе-теңдікті өзгертеді және флотациялау процесінің жылдамдығын арттырады.

Қатты бөлшек судың жұғуы су – минерал адгезия (жабысу қатты иә, сұйық күйдегі екі зат жанасқан кезде, олардың жанасқан жерлеріндегі молекулалық байланыс. Адгезия, мысалы желімдеу, дәнекерлеу, бояу, металдарды пісіруге пайдаланады) жұмыс мөлшерімен анықталады: (W_а•с-қ)

W_{а с-қ} = s_с-г+s_қ-г+s_с-қ,

Мұндағы: s_с-г, s_қ-г, s_с-қ – тиісті фаза шекарасындағы меншікті беткі қабат бос энергия.

Гидрофобты бөлшектің ауа көбігіне жабысуы минерал-ауа адгезия жұмыспен анықталады W_{а.қ -r}= s_с-г (І+Сosө).

Минерал - ауа агрегат тығыздығы, сол көлемдегі пульпа тығыздығынан аз болғандықтан, агрегат беткі қабатқа қалқып шығады.

Егер флотация процесінің нәтижесінде минерал-концентрат және флотация қалдығына бөлінсе – жай немесе ұжымдық флотация деп атайды. Минералды жеке жынысқа бөлуге таңдамалы, немесе селективті флотация процесін жүргізеді, ол үшін флотация процесін арнаулы бірнеше рет қайталайды, әр түрлі таңдамалы қасиетті флотореагенттерін қолданады.

Депрессерлер – (төмендеткіштер) пульпаға қосылған коллекторлардың тигізетін әсерін төмендететін, бастапқы флотореагент, яғни бөлшектердің гидрофильдігін арттыратын заттар. Олар: әк, сілті металдардың циан тұздары.

Флотация тиімділігін реттегіштер қосып, ортаның рН өзгерту арқылы көтеруге болады.

Флотация процесін жүргізетін машина екі түрге бөлінеді: камерадағы пульпаны механикалық әдіспен араластыратын және пневматикалық (қысылған ауамен) әдіспен араластыратын камералы машина.

Газ қоспалары – газ күйіндегі газдардың белгілі бір түрін бөліп алу, қоспа құрамындағы газдардың қайнау, сұйыққа айналу температурасының, ерігіштілігінің айырмашылыына негізделінген. Мысалы кокс газының құрамында Н₂. Осы кокс газының құрамынан әр газдың өзіне тән температурада жеке сұйық күйінде бөлінеді: көмірсутектер, көмір оксиді, оттек және азот, сутек газ күйінде жеке қалады (сұйылту температурасы – 196⁰С). Газдарды байыту әдісінің көп қолданатын екінші түрі – сорбциялық әдісі газдардың сұйыққа немесе қатты заттарға (белгілі жағдайда – төменгі температура және жоғары қысым) таңдамалы сорбциялануына негізделінген. Сорбцияланған газды температураны көтеріп, қысымды төмендетіп жеке күйінде десорбциялап босатып алады. Мысалы көмірқышқыл газы және күкіртті сутек этаноламинде (NH₂-CH₂-CH₂-OH) таңдамалы түрде адсорбцияланады, көмірқышқыл газын 40-45⁰С температурада адсорбциялап, 120⁰С температурада десорбциялайды.

Сұйық ертінділерді байыту – еріткіштерді буландару, сұйықты қатыру, қоспаларды тұнбаға тұндыру немесе газ фазасына бөлу әдісіне негізделінген. Мысалы, суды буландыру ерітіндіден минерал тұздар, сілтілер, қышқылдар және т.б. алынады. Қыс мезгілінде табиғи тұздарды суықта қатыру әдісімен концентрлейді.

Дата добавления: 2015-09-03