Способы прямого производства стали и бескоксовой металлургии.

Из многочисленных способов прямого восстановления железа, не работоспособность на сегодняшний день по причине большей себестоимости получаемой стали, но считающиеся наиболее перспективными и прогрессивными являются способы восстановления в «кипящем» слое и получения губчатого железа. И, наконец, практически целесообразный по себестоимости производства, но не относящийся к способам прямого восстановления, это метод бескоксовой металлургии, заключающийся в производстве высокометаллизованных окатышей, содержащих до 95% железа с последующей электроплавкой. Естественно все эти новые технологии черной металлургии требуют хотя бы общей их характеристики и излучения.

Сущность способа восстановления железа в «кипящем» слое иллюстрировано на рис.5.21.

Мелкоизмельченная обогащенная руда или концентрат 1 из бункера 2 подается на решетку 3 пода печи, через которую под давлением 0,15 Мпа пропускают водород (или другой газообразный восстановитель). Под давлением водорода частицы руды оказываются во взвешенном состоянии, образуя «кипящий» слой 4. Границы кипящего слоя определяются следующим образом: верхняя - наивысшей скоростью газа, когда частицы не выносятся; нижняя – скоростью, когда частицы переходят во взвешенное состояние. Восстановленные частицы в виде железного порошка «переливаются» через порог 5 печи. Недостатком данного процесса является то, что зерна концентрата в процессе восстановления слипаются, что вызывает снижение температуры процесса и соответственно снижает скорость процесса восстановления. Производительность таких печей не превышает 200 т/сутки. Увеличению производительности агрегата способствует с одновременным повышением степени использования газа разделения процесса на 2 или более расположенных одну на другой степени с «кипящими» слоями, т.е ступенчато- противоточная организация процесса.

Губчатое железо получают в туннельных или шахтных печах (в капсулах). В карбидо- кремниевые капсулы загружается твердое тело и известняк, затем мелкоизмельченная руда, далее опять слой восстановителя и известняка. Капсулы устанавливают на вагонетки, подают в туннельную печь, там их выдерживают определенное время, а затем медленно охлаждают при температуре 1200°С. Полученное в виде труб губчатое железо дробят и измельчают до состояния порошка.

Методы бескоксовой металлургии. Наиболее экономичными и перспективным новым способом получения стали (минуя производство чугуна в доменных печах) является ее производство по схеме: Получение высокометаллизованных окатышей - плавки в электропечи. Сопоставление классического двухступенчатого цикла «доменная печь – кислородный конвертор» с одной стороны и нового варианта «металлизация - электроплавки» с другой, в отношении изменения содержаний кислорода и углерода показывает, что в первом из этих циклов осуществляется значительное «перевосстановлениие» металла, которого не происходит при второй комбинации процессов, где восстановление завершается уже в электропечи.

В настоящее время для крупномасштабного производства металлизированных железорудных материалов наиболее широко используют процессы, классификация которых представлена в таблице 5.2 Таблица 5.2

Способы металлизации железорудных материалов

Восстановитель	Тип восстановительного агрегата	Наименование процесса по наименованиям фирм
Газ	Стационарные реторты	«Охалата и ламина»
Шахтные печи	«Мидрекс» «Армко» «Пурофер»
Агрегат кипящего слоя	«Фиор» «Нью-Айрон»
Твердый	Вращающаяся печь	СЛ/РН «Круп»

Указанные различные процессы Металлизации отличаются друг от друга и в отношении гранулометрического состава перерабатываемых железорудных материалов.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили процессы металлизации, основанные на использовании газообразных восстановителей, а из способов, представленных в таблице 5.1 наибольшего внимания (судя по зарубежной литературе) находит способ «Мидрекс», схема которого представлена на рис. 5.22.

Процесс происходит следующим образом. Природный газ паровой каталитической конверсии, в результате получается восстановительный газ следующего состава: 53% Н; 34,5% СО; 4% СН; 2,5% СО; 5% НО. Температура газа, подаваемого на восстановление в шахтную печь 700-900°С. Для восстановления используется противоточная шахтная печь. Сверху в печь поступают кусковая железная руда или обычные железорудные окатыши, навстречу которым идет восстановительный газ. В верхней зоне печи происходит их восстановле­ние, а в нижней зоне - охлаждение. Высокометаллизованный материал соби­рается в нижней части печи, поступает на брикет-пресс и выдается чаще в виде металлизованных окатышей со степе­нью металлизации до 94%. На одну тонну полученного металлизованного материала расходуется 3,2 Гкал при­родного газа, 140 кВт.час электроэнер­гии и 1,1 м³свежей воды.

Наибольшее распространение получили модульные установки этого метода производительностью 0,4-0,5 млн.т высокометаллизованых окаты­шей в год.

 

5.2.2. Системы технологий в цветной металлургии.

Цветная металлургия - одна из важнейших отраслей народного хозяйства. Прогресс техники тесно связан с развитием систем технологии производства цветных металлов. Экономические подходы в производстве материалов требуют развивать цветную металлургию, совершенствовать добычу и глубокую комплексную перера­ботку полиметаллических руд, а также внедрять в производство, кроме пирометаллургических, гидрометаллургические, электрохимические, микробиологические и плазменные процессы; применяя глубокий вакуум, атмосферу инертных газов, элек­тронно-лучевые, экстрационно-сорбционные и так называемые автогенные процессы с использованием кислородного дутья.

Системы технологий в цветной металлургии весьма разнообразны. В них ис­пользуются как высокотемпературные, так и низкотемпературные, электролитиче­ские и др. виды процессов.

Наиболее распространенными цветными металлами являются: медь, алюми­ний, титан и магний. В связи с этим и рассмотрим их производство.

 

5.2.2.1. Производство меди.

Известны два способа производства меди из руд: пирометаллургический и гидрометаллургический. Пирометаллургическим способом получают 90% меди. Гидрометаллургический способ широкого применения не нашел. Этот способ использу­ется при переработке бедных и самородных руд.

Сырьем для производства в пирометаллургическом способе служат сульфид­ные медные руды, содержащие чаще всего халькопирит Cu FeS₂, называемый медным колчеданом, или др. сернистые минералы: борнит, халькозин и др. В этих рудах обычно находятся пирит - FeS₂, а иногда и сульфиды различных цветных металлов. Особенно часто в рудах содержатся соединения цинка, свинца, никеля, молибдена, а нередко серебро

Общая структурная схема полу­чения меди из сульфидных руд пироме-таллургическим способом представле­на на рис.5.23. Производство меди складывается из следующих основных операций: обогащения, плавки на штейн, конвертирования (продувки штейна) с целью получения черновой меди и последующего рафинирования, вначале огневым, а затем электролити­ческим методами.

Содержание меди в комплекс­ных рудах незначительно (часто 1-2%), и они перед плавкой почти всегда под­вергаются обогащению, которое по­зволяет методом флотации выделить из руды медный концентрат, содержащий 11-35% меди и попутно цинковый или пиритный концентрат, а также отде­лить пустую породу (хвосты).

Обогащенный концентрат медных руд, сначала обжигают для снижения со­держания серы, а затем плавят при t=l 550-1600°С в отражательной печи на медный штейн. Цель плавки железа от рудных примесей. Штейны содержат 16-60% Сu.

Медные штейны переплавляют в медеплавильном конверторе с продувкой воздухом, при этом происходят следующие реакции:

2CuS + З O₂ = 2Cu₂O+2SO₂
Cu₂S + 2Cu₂O = 6Cu +SO₂

В результате получают черновую медь, содержащую 1-2% примесей железа, цинка,никеля, мышьяка и др.

В дальнейшем черновую медь подвергают рафинированию (очистке), вначале огневому, а затем электролитическому. При огневом рафинировании в пламенных отражательных печах через черновую медь продувают воздух, кислород которого выжигает примеси. При электролитическом рафинировании в ванну с электролитом опускают аноды, в качестве которых служит подлежащая очистке медь с примесями (после огневого рафинирования), а катоды - тонкие (0,5-0,7 мм) листы чистой меди. При пропускании тока медь анодов сначала переходит в электролит в виде положи­тельно заряженных ионов, а потом осаждается на катодах, которые вынимают через каждые 10-12 дней по достижению массы 60-90 кг.
Примеси, находящиеся в аноде, частично растворяются в электролите, частич­но переходят в шлам - нерастворимый осадок (здесь обычно присутствуют и благо­родные металлы).

Электролитную катодную медь переплавляют в плавильных печах и разлива­ют в слитки различной, удобной для обработки давлением формы.

В полученной чистовой меди количество примесей может находиться от сотых до десятых долей процента.

5.2.2.2. Производство алюминия.

Алюминий был получен сравнительно недавно. Впервые он был выделен Х.КЭретедом в 1825 году. Начало его промышленного освоения относится к концу прошлого столетия. Толчком к этому послужила разработка в 1886 году способа его получения путем электролиза глинозема, растворенного в криолите. В СССР про­мышленное производство алюминия началось в 30-х годах XX столетия.

Производство алюминия не яв­ляется 'четко выраженным высокотем­пературным процессом, так как здесь задействован ряд различных по своему характеру процессов, все же происхо­дящих при высоких температурах.

Алюминиевая промышленность является сложным производством, включающим попутно производство криолита из плавикового шпата, про­изводство глинозема из алюминиевых руд и производство чистых углероди­стых материалов для получения анод­ной массы. Структурная схема получе­ния алюминия представлена на рис.5.24.

Из руд дня промышленного получения алюминия используют преимуществен­но бокситы, а также алуниты, нефелины и каолины. Химический состав бокситов выражается формулой Na₂ (K₂.)O× Al₂ O_3× 2Si O₂ Бокситы содержат в своем составе 30- 70% глинозема Al₂ O₃ 2-20% кремнезема, 2-50% оксидов железа Fe₂ O₃ и 0,1-10% оксидов титана Ti Al₂ O₂.

Производство глинозема может производиться 3-мя способами: щелочным, кислотным и электротермическим. Щелочной способ заключается в том, что алюми­ниевая руда подвергается воздействию какой-либо щелочи. Этот способ является наиболее экономичным. Кислотный способ сводится к тому, что алюминиевая руда подвергается действию соляной или серной кислоты, однако использование кислото­упорной аппаратуры удорожает способ. Электротермический способ заключается в восстановлении алюминиевой руды в электропечи, но качество его хуже.

Для получения алюминия недостаточно иметь только алюминиевую руду; тре­буется еще другой вид сырья - плавиковый шпат для получения криолита и других фтористых солей, необходимых в производстве алюминия. Нужны также чистые уг­леродистые материалы для получения анодной массы электролизера и др. электрод­ных изделий.
Металлический алюминий получают электролизом расплавленных солей, т.е. пропуская постоянных электрическими ток через расплавленный криолит, в котором растворен глинозем. Схема электролизера для получения алюминия представлена на рис.5.25.

Электролизер состоит из основного корпуса, футерованного внутри угольны­ми опоками; его подовую часть с помощью шин подведен отрицательный полюс ис­точника тока. Над корпусом помещен угольный анод, к которому с помощью шин присоединен положительный полюс источника напряжения. Если в электролизер за­лить расплав, состоящий из криолита и глинозема, опустить в этот расплав анод и пропустить через расплав постоянный ток большой силы и необходимого напряжения, то через определенное время на дне электроли­зера можно обнаружить расплавлен­ный алюминий под слоем расплавлен­ного электролита, состоящего из криолита NasAlFe (90%) и глинозема АЬОз (10%) при t=1ООО°С. Электролит под­держивается в расплавленном состоя­нии только за счет теплоты, выделяю­щейся при прохождении через него электрического тока.

 

 

Расплавленный криолит диссоциирует по схеме:

Na₃AlF₆ = 3Na⁺ +AlF^-3

 

 

Глинозем, растворенный в расплавленном криолите, диссоциирует на алюми­ний и кислородосодержащие ионы:

Аl₂ O₃ = 2А1+³ + 3O^-2

Все эти ионы принимают участие в переносе зарядов при пропускании тока, но не все из них разряжаются на электродах. На катоде в первуюочередь разряжаются ионы А1+³, так как они более положительны и в результате на дне ванны образуется слой металлического алюминия. На аноде преимущественно разряжаются ионы ки­слорода О², а выделяющийся кислород немедленно окисляет угольный анод, образуя газы СО. Электрические параметры электролизера таковы: сила тока до 100000 ампер, напряжение около 5 В.

Полученный на дне ванны алюминий называют алюминием-сырцом. Он со­держит металлические (Fe, Si, Cu, Zn и др.) и неметаллические (С, АlОз и др.) приме­си, а также газы (О:, Hi, CO и СО: и др.) Эти примеси, в дальнейшем удаляют, на­пример, хлорированием (продувкой хлором) жидкого алюминия-сырца в ковше. Об­разующийся при этом парообразный хлористый алюминий А1СЬ, проходя через рас­плавленный алюминий, обволакивает пузырьками частицы примесей и выносит их вместе с газами, растворенными в алюминии. После рафинирования хлором алюми­ний отливают в слитки и направляют потребителям.

Получаемый алюминий делят на три группы: алюминий особой чистоты, вы­сокой чистоты и технической чистоты (содержание примесей колеблется от тысячных до десятых долей процента).
5.2.2.3. Производство титана.

Титан впервые был открыт в 1791 г. но в достаточно чистом виде выделен только в 1925 году; а первый промышленный металл получен в 1948 году. Благодаря своим ценным свойствам, как конструкционного материала, рост его производства происходит такими бурными темпами, каких не знала даже рекордная в этом отно­шении алюминиевая промышленность.

По распространенности в земной коре титан среди металлов занимает четвер­тое место после алюминия, железа и магния. Содержание его по весу составляет 0,6%, т.е. в природе его больше, чем таких давно и широко применяемых металлов как медь, свинец,олово, цинк вместе взятые.

Широкое распространение в земной коре и прекрасные сочетания физических и химических свойств делают титан одним из лучших металлов настоящего и буду­щего.

Для производства титана используют рутил, ильменит, титаний и др. руды, содержащие 10-40% диоксида титана TiCl. После обогащения концентрат титановых руд содержит до 65% TiCl.

В настоящее время существует 4 способа производства титана: иодидный, металлокерамический, электролитический и тетрахлоридный.

Для ильменитовых концентратов, являющихся основным материалом для по­лучения титана и его соединений, наиболее часто применяют тетрахлоридный метод, упрощенная структурная схема которого представлена на рис,5.26.

TiO2 и сопутствующие оксиды железа раз­деляют восстановительной плавкой. В процессе плавки оксиды железа и титана восстанавливают­ся, в результате чего получают чугун (сопутст­вующий продукт) и титановый шлак (основной продукт), в котором содержится до 80-90 % ТiOз. Титановый шлак хлорируют, в результате чего ти­тан соединяется с хлором в четыреххлористый ти­тан TiCl₄. Затем четыреххлористый титан нагре­вают в замкнутой реторте при температуре 950-1000°С в среде инертного газа (аргона) вместе с твердым магнием. Магний отнимает хлор, пре­вращаясь в жидкий MgCl₂ , а твердые частицы вос­становленного титана спекаются в пористую мас­су, образуя титановую губку. После сложных про­цессов рафинирования и переплава из титановой губки получают чистый титан, содержащий деся­тые проценты примесей.

Как видно, весьма сложная металлургия титана и обусловливает относительно высокую его стоимость.
5.2.2.4. Производство магния.

В чистом виде магний был выделен в 1828 году. Широкое техническое приме­нение магний смог получить лишь после того, как был разработан электролитиче­ский способ его получения в 1883 г.

По распространенности в земной коре магний занимает третье место после алюминия и железа. В природе встречается только в связанном виде. Промышленное значение как сырье для производства магния в настоящее время имеют руды, металлосодержащая часть которых представляет собой минералы достаточно сложного состава: магнезит, доломит и карналлит, а также морская и озерная соленая вода, со­держащая бишофиг.

В настоящее время применяют два способа получения магния: электролиз хло­ридов магния и термическое восстановление магния из руд.

Так, например, при 1-м способе производства магния используют карналлит (MgCl₂×KCl×6H₂O) и отходы титанового производства. Карналлит подвергают обо­гащению в процессе которого отделяют КС1 и нерастворимые примеси путем перево­да в водный раствор MgCl и КСl. После получения в вакуум-кристаллизаторах ис­кусственного карналлита, его обезвоживают и электролитическим путем получают из него магний.

Магнезит и доломит вначале обжигают при температуре 850-900°С, а затем хлорируют.

В качестве электролита применяют расплав солей, состоящих из KG, NaCl, MgCl₂ и СаСl Температура ванны поддерживают в пределах 700-750°С.

В период электролиза хлорид магния разлагается. Магний выделяется в катод­ном пространстве жидкого электролита и, будучи более легким, чем он, всплывает на его поверхность, откуда перекачивается по шлангам в вакуумный котел. Хлор выде­ляется в анодном пространстве, его улавливают и опять используют в процессе для хлорирования сырья.

Полученный электролизом магний содержит примеси (хлористые соли метал­лов), ухудшающие его свойства, поэтому его рафинируют путем переплавления в ти­гельных электропечах в присутствии специальных флюсов, соединяющихся с приме­сями и уводящими их в шлак. После рафинирования магний разливают в чушки.

Второй способ - термическое восстановление делает возможным восстанавли­вать магний непосредственно из сырья. Он позволяет извлекать магний за счет более дешевого, чем электроэнергия топлива с применением более простой аппаратуры. Преобладающее место занимают сшгакотермический и карбодотермический виды. Оба они основаны на вытеснении магния из его соединений другими элементами. Восстановление в этих случаях идет соответственно по следующим реакциям:

2MgO + 2СаО + Si = 2СаО×SiO₂ + 2Mg
3MgO + СаС₂ = 3Mg + CaO + 2СО

В обоих случаях процесс ведут в закрытых ретортах под вакуумом (О Л атм) при тем­пературе 1100-1200°С. При этой температуре восстанавливаемый магний возгоняется и затем конденсируется в виде кристаллов в охлаждаемом кристаллизаторе.

В получаемом магнии примеси содержатся в сотых или десятых долях процен­та.

 

5.3. Высокотемпературные процессы в производстве
строитель­ных материалов.

53.1. Общая характеристика процессов,

Большинство строительных материалов содержат в своем составе силикаты, алюмосиликаты и другие соли кремниевой кислота, а также высокоогнеупорные ок­сиды алюминия, магния, кальция, бериллия, цинка и др. Их получают путем терми­ческой или термохимической переработки природного силикатного сырья. Про­мышленность силикатов, являясь главной частью промышленности строительных материалов, включает три основные отрасли: производство вяжущих веществ, стекла и керамики. Производство вяжущих веществ, например цемента, как и производство стекла будут описаны в соответствующих разделах ч.Ш соответствующего пособия по дисциплине «Системы технологий».

Сырьем для промышленности силикатов служат различные природные мате­риалы (глина, мергели, мел, известняк, доломит, кварцевый песок, кварцит, нефелин}. а также и вещества синтетического происхождения (сода, бура, оксиды различных металлов и др.)ъ

Основным сырьем для изготовления керамики являются глины и каолины. Важнейшим минералом, входящим в их состав, является каолинит Al₂ O₃ ×2SiO₂×2H₂ O. сюда также входят алюмосиликаты, оксиды железа, кальция, магния и т.д.

Сырьем для производства цементов служат известковые, мергелистые и глини­стые породы. В глинах содержатся необходимые оксиды - SiO₂; Al₂ O₃; Fe₂ O₃, а в из­вестняках - СаО. а также добавки в виде промышленных отходов.

Все процессы силикатной технологии состоят из нескольких стадий: подготов­ка сырья (обогащение, дробление, тонкий помол), смешение компонентов и состав­ление шихты.

В технологии цемента и керамики имеется много общего, поскольку физико-химические основы процессов, температурные режимы, сырьевая база и оборудова­ние предприятий во многом сходны. Для производства силикатных строительных материалов характерны типовые процессы и операции, к которым относятся не толь­ко однотипные механические процессы (дробление, размол, смешивание материалов), но и физико-химическая обработка, проходящая при высокой температуре с образо­ванием из шихты тех или иных минералов или их смесей.

Основной стадией производства всех силикатов является высокотемператур­ная обработка шихты, в результате которой последовательно происходят элементар­ные процессы удаления из сырья влаги и углекислого газа, диффузия реагентов, спе­кание, плавление и образование новых соединений, а также кристаллизация, возгон­ка и ряд других процессов.

При нагревании шихты в начальный период большинство процессов проходят в твердой фазе, поэтому для максимального ускорения стадии диффузии чрезвычай­ную важность имеет технологическая подготовка шихты. При дальнейшем нагрева­нии появляется некоторое количество жидкой фазы, что способствует резкому уско­рению диффузии и завершению химических превращений в результате процесса спекания. Спекание является заключительным этапом высокотемпературного обжига керамики, огнеупоров и цемента, в результате чего полностью формируется керами­ческое изделие ил синтезируются минералы цементного клинкера.

Существует несколько видов высокотемпературного обжига (спекание в твер­дой фазе и с участием жидкой фазы). При полном или частичном расплавлении ших­ты и охлаждении расплава получается стеклообразная фаза. Присутствие стеклооб­разной фазы в керамике обеспечивает ее высокую прочность, связывая отдельные минералы в прочный монолит. В производстве стекла и эмалей получение вещества в стеклообразном состоянии является целью технологического процесса.

5 3.2. Изготовление керамических изделий.

Это производство состоит из следующих стадий: подготовка сырья; приготов­ление керамической массы, формование изделий; сушка; обжиг; заключительная опе­рация нанесения рисунка или глазури.

Подготовка сырья была описана выше, а приготовление керамической массы происходит в шнеках - смесителях, мешалках, в смесительных бегунах, где сырье смешивается с некоторым количеством воды до получения массы определенной кон­систенции.

Формование изделий ведется в механических гидравлических прессах; тонкую и специальную керамику формуют методом литья жидкой массы (клинкера). Сушку отформованных изделий производят чаще всего в сушилках различных типов: ка­мерных, подовых, туннельных.

Обжиг является важной частью производства. Температурный режим строго контролируется и варьируется для различных видов керамики (например, для кирпи­ча температура обжига 1050-1100°С: для огнеупоров - 1350°С). Обжиг осуществляется в печах периодического или непрерывного действия. Такая печь представляет собой длинный канал (до 100 м), имеющий внутри рельсовый путь, по которому движутся плотно сомкнутые вагонетки - платформы с обжигаемыми изделиями. Печь имеет три зоны: подогрева, обжига и охлаждения. Нагрев осуществляется дымовыми газа­ми, поступающими противотоками к движению вагонеток.

 

5.4. Высокотемпературная переработка топлива.

5.4.1. Общая характеристика процессов переработки.

Термическая или «пирогенная» переработка топлива - это процесс переработ­ки твердого, жидкого и газообразного топлива, происходящий при высокой темпе­ратуре.

Процессы термической переработки топлива подразделяются на 3 группы.

Первая группа охватывает различные виды пиролиза (иногда этот процесс на­зывают сухой перегонкой). Сырье нагревают без доступа воздуха, вследствие чего входящие в его состав сложные вещества разлагаются на твердые (кокс, полукокс, древесный уголь и т.д.) и летучие продукты - смесь паров и газов. В результате сухой перегонки могут протекать два типа процессов:

1. физические высокотемпературные процессы, например, разделение сырой нефти или жидких топлив на фракции по температурам кипения, и

2. химические (глубокие деструктивные) высокотемпературные превращения исход­ных топлив с получением ценных топлив, химической продукции и горючих га­зов.

Роль и характер отдельных видов пиролиза неоднозначны. Количество и качество продуктов, получаемых при пиролизе различных топлив неоднозначны. Температур­ные условия проведения процессов пиролиза также отличаются: например, сухая пе­регонка древесины протекает при температуре 400-500°С, полукоксование бурых уг­лей при температуре 500-600°С, а коксование каменного угля при 1000°С. Нефть и нефтепродукты перерабатываются многими технологическими способами (см.ч.1. разд. «Способы переработки нефти»), среди которых: первичная фракционная пере­гонка; пиролиз-процесс, происходящий при температуре 650-750°С и атмосферном давлении; термический процесс нефтепродуктов; термический риформинг бензина и др. Общая характеристика различных процессов высокотемпературной переработки топлива приведена в таблице 5.3.

 

Таблица 5.3.

Высокотемпературные процессы переработки топлива.

Наименование процесса	Сырье I	Условия процесса	Конечные продукты
Сухая перегон­ка	Древесина	400-5004:	Древесный уголь, ацетон, мети­ловый спирт, уксусная кислота
Полукоксова­ние	Торф	500-600«С	Торфяной полукокс, смола, фе-; нол, горючий газ
Коксование	Каменный уголь	650-750	Кокс, коксовый газ, аммиак, фе­нол, бензол, толуол, нафталин и др. органические вещества
Пиролиз неф­тепродуктов	Керосин, керо-сино-газойлевые фракции	650-750	Ароматические углеводороды, кокс, пиролиз-газ, богатый эти­леном, пропиленом и т.д.

 

Термический крекинг нефте продуктов	Мазут, соляровые фракции	470-540°С, давление до 6 МПа	Бензин, дизельное топливо, крекинг-газ, нефтяной кокс, органические вещества.
Термический реформинг нефтепродуктов	Низкокачественный бензол	550-560°С, давление до 5-6 МПа	Высокооктановый бензин, некоторое количество кокса и газа
Крекинг газов	Метан, этан, пропан,бутан	900-1000°С	Этилен, пропилен, водород, ацителен и др.

 

Ко второй группе термической переработки топлива относят процессы гази­фикации - превращение органической массы малоценного, многозольного топлива в горючий газ путем неполного окисления воздухом, кислородом или водяным паром. Газификация подвергается в основном твердое топливо и очень редко жидкое. Про­дуктом газификации является генераторный газ, резко отличающийся между собой по составу и теплотворной способности. Главный горючий компонент таких газов -оксид углерода СО.

К третьей группе относят гидрирование тогашв и гидрогенизацию, при кото­рой под давлением в среде водорода при высокой температуре ив присутствии ката­лизаторов происходят химические превращения, связанные с обогащением исходных веществ водородом. Процессом гидрирования подвергаются как твердые топлива, так и жидкие (например, гидрокрекинг-процесс).

5.4.2. Коксование каменного угля.

Основной продукт этого производства - кокс, применяется для доменного и литейного производства. Доля химических продуктов, получаемых при коксовании, составляет 50% в сырьевой базе промышленности органического синтеза.
Лучшим сырьем для получения кокса являются коксующиеся угли, за­пасы которых очень ограничены. Смешивая различные сорта угля, близ­кие по свойствам к коксовым, состав­ляют шихту, которую загружают в ка­мерную коксовую печь. Схема этой пе­чи представлена на рис.5.27. Совре­менная камерная коксовая печь пред­ставляет собой обогреваемую камеру размером 14X0,4X4 м, футерованную огнеупорным динасовым кирпичом и вмещающую свыше 15 т шихты.

Камерные печи группируются в коксовые батареи (см. рис.5.28.) Одна батарея имеет до 70 камер. Чисто печей в батарее таково, что последовательной их загрузке кокс выдается почти непрерывно. Горячий коксовый газ, прогревая стенку камеры, поддерживает в ней температуру в пределах 1 ЮО-1200°С. Уголь выдерживают в печи без доступа воздуха 14-17 часов, т.е. до тех пор, пока он не спечется в сплошную мас­су, называемую «коксовым пирогом». Летучие продукты коксования по газопроводу отводятся для дальнейшей переработки.

Когда кокс готов, с помощью особых механизмов снимают двери камер и вы­гружают его коксовыталкивателем в тушильный вагон и отвозят на специальную площадку,где гасят водой или инертными газами. Летучие продукты коксования, содержащиеся в коксовом газе, покидают печь при 700-800°С в виде парогазовой сме­си, из которой при последовательном охлажде­нии выделяется каменно­угольная смола, надсмольная вода, сырой бензол и газы (аммиак, сероводород и др.).

Из одной тонны шихты при коксовании получается 730 кг кокса, 30 кг каменно­угольной смолы, 80 кг надсмольной воды, 10 кг бен­зольных углеводородов, 3 кг аммиака и 140 кг сухого кок­сового газа.

Полученные продукты разделяют на фракции, из них многостадийной переработ­кой получают несколько сотен органических веществ. Так, каменноугольная смола содержит свыше 300 веществ, причем около 50-60% от мас­сы смолы составляют высоко­кипящие продукты с большой молекулярной массой. Смолу подвергают разгонке на фракции, из которых за тем выделяют индивидуальные вещества, такие как фенол, нафталин, антрацен, пи­ридин и др.

Остаток после перегонки смолы - пек используют для изготовления пластмасс, электродов электропечей, в дорожном строительстве.

Надсмольная вода содержит растворенный аммиак и различные соли аммо­ния, образующиеся в результате взаимодействия аммиака с другими компонентами коксового газа при его охлаждении. Переработка надсмольной воды заключается в выделении из нее аммиака при нагревании ее паром и обработке известковым моло­ком. Аммиак используется затем для получения сульфата аммония в сатураторах. Фенолы, содержащиеся в надсмольной воде, отгоняются, а затем извлекаются рас­твором гидроксида натрия.

Сырьевой бензол представляет собой сложную смесь разнообразных индиви­дуальных химических соединений, широко применяемых в производстве полимеров, красителей, взрывчатых веществ, моющих средств, лекарственных препаратов. Сы­рой бензол разделяют разгонкой по температурам кипения на различные фракции: сероуглеродную, бензольную, толуольную, ксинольную, тяжелый бензол.

Из фракций сырого бензола ректификацией выделяется сероуглерод (CS:) и чистые органические вещества: бензол, толуол, изомерные кислоты.

Коксовый газ содержит водорода до 60% и метана до 28%, остальное - азот, кислород, оксид и диоксид углерода и тяжелые углеводороды. После извлечения из коксового газа наиболее ценных компонентов его оставшуюся горючую часть ис­пользуют для нагрева коксовых печей, а также как бытовое топливо и сырье для по­лучения водорода. Объемная теплота сгорания коксового газа составляет 16700-19000кДж/м³

5.5. Высокотемпературные процессы в химической
промышлен­ности.

В настоящее время в химической промышленности на смену высокотемпера­турным энергоемким процессам приходят более современные ресурсосберегающие (каталитические, биохимические и др.) процессы. Поэтому эти процессы применяют­ся лишь для получения таких веществ, как соляная кислота, фосфор, карбид кальция и др.

Производство соляной кислоты состоит из двух стадий. 1-я стадия заключается в непосредственном соединении хлора и водорода в контактной печи из жароупор­ной стали. При выходе они соединяются с образованием пламени. Так как процесс экзотермический, температура реакции достигает 2400^СС Q: I 2HQ + Q. На 2-й стадии газообразный хлористый водород улавливается водой в поглотителях различной конструкции. В качестве товарного продукта получают 31-34%-ную соля­ную кислоту.

Белый фосфор получают из фосфорсодержащего природного сырья (фосфори­ты, апатиты) путем плавления его с песком и коксом в электропечах ванного типа с угольными электродами по реакции:

Саэ(ГО4>2 + nSiO2 + 5С I SCaOnSiQr + 2Р + 5СО -§- Q

Фосфор возгоняется в процессе производства, проходит из печи по газоходу и кон­денсируется затем под водой. Фосфор применяется для производства фосфорного ан­гидрида, фосфорной кислоты, зажигательных средств, ядохимикатов, фармацевтиче­ских препаратов и т.д.

Производство карбида кальция осуществляется в электропечи при 2000° с само­зажигающимися угольными электродами и угольным подом печи. В состав шихты для получения карбида кальция входит антрацит в смеси с коксом и негашеная из­весть. Карбид получается по реакции:

СаО + ЗС 2 СаС₂ + СО - Q

и образуется в печи в жидком состоянии, вытекает через специальное отверстие (лет­ку), охлаждается во вращающемся барабане, застывает, а затем дробится на куски. Главное применение карбида кальция - производство ацетилена.

Расход электроэнергии в электротермических процессах весьма значителен: до 3000 кВт-ч и более на 1 т продукта.

 

Раздел 6. Электрохимические процессы.
6.1. Значение и сущность электрохимических процессов.

Технология электрохимических производств рассматривает процессы, осно­ванные на непосредственном переходе электрической энергии в химическую, без промежуточного превращения энергии в теплоту.

В задачи электрохимических производств, которые являются весьма обшир­ными и многообразными традиционно входило: получение и рафинирование цвет­ных и благородных металлов из руд; получение щелочных, щелочноземельных и дру­гих легких металлов: получение металлических сплавов: получение хлора и щелочей, кислорода и водорода: получение неорганических солен и окислителей: защита ме­таллов от коррозии. декоративные и специальные покрытия металлов, гальванопла­ стическое изготовление копий и др. изделий: получение химических источников тока. Следует отметить, что технологические процессы, которые могут быть проведены электрохимическими методами, в большинстве случаев могут быть осуществлены и другими химическими, а в ряде случаев и физическими методами. Выбор технологии должен решаться на основе сравнительного техно-экономического анализа, который учитывает экономику