Минерально-сырьевого комплекса

Добыча всех видов полезных ископаемых в мире растет непрерывно, одновременно со спросом на них. В энергетическом обеспечении многих стран большую роль играет ядерное топливо. Хотя атомные электростанции мира дают пока менее 5% энергии, из недр планеты уже извлечено свыше 160000 тонн урановой руды и мировая потребность в ней постоянно растет. При таких темпах добычи создается угроза исчезновения всех видов полезных ископаемых, ибо в земной коре они вновь не создаются.

По оценке специалистов в недрах планеты запасов элементов, например, платиновой группы, золота, серебра, меди, олова, цинка и свинца, при существующих объемах добычи хватит всего на 20-40 лет. Только в Советском Союзе в 80-х годах в результате горных работ за год извлекалось 8 миллиардов тонн различных пород, что по объему превышает 3 миллиарда м³.

Огромна по своему объему мировая добыча нефти. Только чтобы поддержать давление в продуктивных пластах в скважины закачивается вода в объемах, сравнимых с расходом крупных рек. В земной коре происходят колоссальные изменения - формируется комплекс новых геологических процессов и явлений, которые требуют учета и решения возникающих проблем.

Особая роль в сложившихся условиях отводится химии, геохимии и геологии. На первый план сегодня выходит проблема комплексного использования минерального сырья, решение которой важно не только с экономической точки зрения, но и экологической. Экологический аспект проблемы приобретает особое значение.

При добыче нефти в РФ ежегодно теряется более 20 млрд. м³ попутного газа. Добывая миллионы тонн апатитовых руд, до сих пор сбрасываются в отвалы тысячи тонн нефелина, сфена, титаномагнетита и других минералов, из которых можно получить сотни тысяч тонн алюминия, кальцинированной соды, цемента, тысячи тонн титана и редкие элементы, например стронций, ванадий и др.

Важнейшей задачей минерально-сырьевого комплекса экономики становится всестороннее минералого-геохимическое исследование открытых месторождений еще до сдачи их в эксплуатацию. Отсутствие такого подхода к оценке месторождений приводит к тому, что они долгие годы эксплуатируются на какой-то один компонент или вид полезного ископаемого. В качестве примера можно привести сложившуюся практику на золоторудных месторождениях, когда считается богатой руда, в которой содержится десять граммов золота на одну тонну породы. Это приводит к тому, что огромное количество попутных и часто весьма ценных компонентов сбрасывается в отвалы.

Безусловно, создание комплексных схем переработки сырья требует создания новых и, как правило, дорогих технологий. Однако, эти затраты оправданы и быстроокупаемы.

Особое внимание в ближайшей перспективе необходимо уделить месторождениям Мирового океана и Антарктиды.

В Антарктиде открыты месторождения руд, содержащих медь, свинец, никель, уран, серебро, золото, хром и др., а также месторождения угля. Дно Тихого и Атлантического океанов покрыто железо-марганцевыми конкрециями. Безусловно, добывать полезные ископаемые из под толщи льда на Антарктиде или под многосотметровой толщей воды Мирового океана в настоящее время не только трудно, но и экономически затратно. Однако, это будущие источники сырья для человечества и уже сегодня необходимы усилия по разработке экономически целесообразных способов и технологии их добычи.

Среди базовых отраслей экономики любой промышленно развитой страны особое место занимает минерально-сырьевой сектор – отрасли промышленности, занятые разведкой, добычей и первичной переработкой полезных ископаемых.

Эффективность функционирования этих отраслей самым серьезным образом влияет на эффективность экономики в целом, т. е. минерально-сырьевой сектор является ключевым в решении проблем интенсификации экономики.

Минерально-сырьевой сектор в современных условиях призван обеспечить экономику необходимым по количеству, качеству и ассортименту сырьем и топливом при наименьших издержках и потерях. Достижение этой цели связано с решением сложной оптимизационной задачи, суть которой состоит в том, чтобы на основе минерально-сырьевой базы страны, вторичных ресурсов, импорта, внедрения энерго- и ресурсосберегающих технологий обеспечить оптимальное сочетание слагаемых обеспечения экономики топливно-сырьевыми ресурсами.

В сложившемся положении огромное значение имеет экономия первичного сырья за счет использования менее капиталоемких источников. Такая переориентация требует анализа и оценки роли каждого источника сырьевых ресурсов, его место в экономике и связи с другими источниками.

Общеизвестно, что эффективность использования сырья и топлива в российской экономике значительно уступает передовым западным странам. Это касается практически всех отраслей промышленности. Например, при применении фосфорных удобрений до растений доходит только 15% фосфора. Остальное теряется в процессе добычи, переработки, производства удобрений, их транспортировке, хранении, внесении в почву. Велики потери тепла из-за несовершенства теплоизоляции и вентиляции, плохого использования вторичных ресурсов, несовершенства утилизационных и регенерационных технологий.

Крупным источником сырья могут стать вторичные ресурсы, образующиеся на всех стадиях промышленного производства, начиная с добычи сырья и кончая использованием готовых продуктов. Эти ресурсы, рассматриваемые часто как отходы производства, способны образовывать вторую сырьевую базу. Причем, если первичную минерально-сырьевую базу создала природа, не считаясь с освоенностью районов месторождений, то вторичные ресурсы являются неизбежным спутником человеческой деятельности и находятся в обжитых районах. При использовании вторичных ресурсов необходимо учитывать и экологический аспект. Переработка отходов существенно уменьшает их количество и снижает уровень загрязнения окружающей среды. Учитывая возрастающие затраты на природоохранные мероприятия, экономическая эффективность использования вторичных ресурсов имеет перспективы для роста.

Интенсификация отраслей, производящих сырье, заключается в увеличении выпуска продукции на существующих производственных мощностях без их расширения, т.е. без дополнительных капиталовложений. Решение этой задачи связано прежде всего с комплексным использованием недр. В настоящее время, как правило, из месторождений полезных ископаемых разрабатываются только те компоненты, которые включены в производственную программу. Остальные компоненты зачастую идут в отвалы. Ориентировочные расчеты показывают, что комплексное использование недр может дать 25% продукции.

Уже ближайшее будущее требует кардиналь­ных решений в области использования минерально-сырьевых ресурсов и экологии. Теоретической предпосылкой таких ре­шений, их идеальной моделью являются понятия без­отходного и малоотходного производства. Сейчас под безотходной технологией пoнимaют такой принцип производства, при котором цикл «первичные сырьевые ресурсы – производство – потребление - вторичные сырьевые ресурсы» построен с рациональным использованием всех компонентов сырья, всех видов энергии и без нарушения экологического равновесия. Безотходное производство может быть со­здано в рамках комбината, отрасли, региона, а в ко­нечном счете — для всего народного хозяйства [26].

Безотходное производство может мыслиться лишь теоретически, поскольку законы природы не позволяют полностью превращать энергию в работу. Да и потери вещества не могут быть нулевыми. Довести их до нуля, пусть даже ценой огромных затрат, не­возможно уже потому, что системы улавливания после какого-то предела сами начнут «производить» но­вые отходы в большем количестве, чем те, для кото­рых они созданы. Более того, все без исключения промышленные химические реагенты не являются сто­процентно чистыми и содержат то или иное коли­чество примесей.

Понятие «безотходности» ставит цель: максимально приблизиться к теоретическо­му пределу. А цель, как известно, определяет и средства ее достижения. В данном случае это комплексная переработка сырья, разумное кооперирование, сочетание производств в рамках комбинатов и территориально-производственных комплексов. Понятие о безотходном производстве позволяет сформулировать требования к новым технологиям и новым аппаратам.

В определении безотходного производства учиты­вается стадия потребления, что накладывает ограни­чения на свойства производимых продуктов потреб­ления, влияет на их качество. Главные требования - надежность, долговечность, возможность возвращения в цикл на переработку или превращения в экологи­чески безвредную форму.

Зачастую при оценке того или иного процесса, раз­личных способов получения одного и того же продук­та не учитывают всей сырьевой цепочки. Рассмотрим, например, производство аммиака.

Реакция, использу­емая на большинстве современных аммиачных заводов, довольно проста и протекает при 450-500 °С и давлении около 30 МПа на катализаторе. Никаких отходов здесь в соответствии с уравнением реакции не должно обра­зовываться. Однако, это производство не является безотходным по­скольку и при производстве азота, и при получении водорода пока неизбежно образуется большое коли­чество отходов.

Азот выделяют низкотемпературной ректификацией воздуха. Но перед основной операцией воздух дол­жен быть предварительно обеспылен, осушен и очи­щен от СО₂. Осушающие реагенты рано или поздно уже невозможно будет регенерировать, и их придет­ся отправить в отвалы. Очистка от СО₂ требует применения щелочных растворов, которые также пе­реходят в сточные воды.

Водород чаще всего получают паровой конверсией природ­ного газа, которая описывается уравнениями:

Однако, исходные газы надо предварительно очистить от примесей соединений серы, а полученный водород — от остатков СО и СО₂. Ни один из ныне используемых способов очистки не гарантирует полного удаления примесей из газов, но каждый из них связан с затратами химических реа­гентов, иногда катализаторов и с образованием отхо­дов в той или иной форме.

Сам синтез аммиака — тоже на практике не безот­ходен. Современные агрегаты синтеза большой мощ­ности имеют воздушное охлаждение. Но даже при их использовании на каждую тонну продукта потребляется 50-60 м³ воды, часть которой требует предварительной очистки.

Подобным образом можно стадию за стадией рас­сматривать другие производства, убеждаясь, что по-настоящему безотходных производств пока не суще­ствует.

Оговорим, что термин «безотходное» в некоторых отраслях промышленности имеет иное содержание, отличающееся от приведенного выше. Так, в химиче­ской промышленности к безотходным относят произ­водства, в которых материальные ресурсы использу­ются на 90-98 % (для небольших производств при­нимаются меньшие цифры).

Реальная задача, стоящая сейчас перед промыш­ленностью, сельским хозяйством и транспортом, — свести наносимый природе вред до минимума, что для промышленности означает повсеместно перейти на малоотходные производства. При этом количе­ство отходов должно находиться на уровне, ниже ко­торого по техническим, экономическим или иным причинам опуститься уже невозможно, а сбросы не должны превышать предельно допустимых норм и оказывать какое-либо вредное воздействие на окру­жающую среду. Выбор глубины переработки сырья и «коэффициента безотходности» проводится с экономи­ческих позиций.

В большинстве химических производств затраты на сырье составляют значительную часть в себестоимости продукции. Так, в основной химии сырьевые затраты составляют 55 %, в азотной – 31,2 %; в производстве пластических масс - 71,5 %; в органическом синтезе – 61,4 %.

Окончательный выбор исходного сырья должен производиться с учетом затрат на всех основных пределах в технологической цепи сырье – продукт: добыча, обогащение (подготовка), транспортировка, собственно переработка в целевой продукт, выделение целевого продукта из продукционной смеси. Оптимальному использованию сырьевых ресурсов отвечает выполнение следующих условий организации производства: [1,6,7,12,17,23]

1) Изыскание альтернативных источников первичного сырья в производстве базовых продуктов химической промышленности.

2) Комплексное использование сырья.

3) Применение производственных отходов в получении химической продукции.

4) Регенерация сырья и реагентов.

5) Увеличение масштабов вовлечения возобновляемых сырьевых ресурсов в производстве химической продукции.

6) Использование бедных руд и концентрирование сырья.

Химическое сырье

Сырье – термин широкого значения. Под этим термином объединяются все природные материалы, которые используются для производства промышленных продуктов. Наличие или отсутствие того или иного сырья решающим образом влияет на возможности промышленного развития любой страны. Сырьевые ресурсы – важнейшее национальное богатство. Одной из главных задач народного хозяйства является бережное отношение к сырьевым запасам, поэтому наиболее рациональным является полное (комплексное) использование сырья, возможно, без всяких потерь и отходов. Несмотря на очень высокий технический и экономический уровень современной промышленности это удается редко и эта проблема в наше время является одной из самых актуальных для экономики страны.

Химическая технология связана с природным сырьем, т.е. с такими материалами, которые непосредственно получаются из различных природных источников. Особая роль предприятий химической промышленности и близких к ней отраслей заключается в том, что химические производства начинают длинную и сложную цепь переработки природных материалов в готовую продукцию непосредственного потребления. Большинство предприятий химической промышленности, как правило, производит не готовую продукцию, а только полупродукты, которые являются сырьем для дальнейшей переработки в других отраслях промышленности. С этой точки зрения химические производства являются сырьевой базой для других отраслей промышленности.

Сырье – термин не очень четкий и зависит от уровня развития производительных сил. В одном случае это полупродукт, в другом – отход производства, которые, в свою очередь, могут оказаться сырьем в том же или другом производстве. В то же время имеются все основания четко определить: сырье это необработанный природный продукт – объект переработки химическими способами.

Сырье может иметь различное происхождение. Минеральное сырье извлекается из недр земли. Этот вид сырья имеет наибольшее значение, так как обладает универсальностью, т.е. возможностью обеспечить промышленность любого назначения.

Второй вид сырья относится к растительному и животному происхождению. Это прежде всего древесина - материал, обладающий мощным ресурсом, продукты сельского хозяйства – хлопок, лен, джут, агава, картофель, корнеплоды, масляничные и др.; животного происхождения – шерсть, жир, рыба.

Следует рассмотреть сырьевую проблему в историческом и перспективном плане. Все виды сырья используются с древнейших времен. Производство металлов, кислот, части удобрений базируются на минеральном сырье. В то же время продукты органической технологии базировались в основном на сельскохозяйственном или древесном сырье. Однако уже в XX столетии в этом вопросе происходит коренная перемена. Увеличение мощностей химических предприятий вызывает значительное увеличение добычи сырья. Если в сфере минерального сырья это зависит только от капитальных и трудовых затрат, то для сельскохозяйственного и древесного сырья это связано со значительным вмешательством в структуру посевных площадей, в изменении, как правило, в худшую сторону, вопросов обеспечения населения пищевыми продуктами и уничтожением лесных массивов, изменением режимов рек и другими негативными явлениями в жизни отдельных стран. История сохранила не мало таких примеров. Так, развитие металлургии в Европе уничтожило значительные лесные покровы Центральной и Южной Европы. Эти леса были переработаны на металлургический кокс (в то время еще не был известен каменноугольный кокс). В Англии разведение овец для производства шерсти привело к превращению посевных площадей в пастбищные луга и обнищанию и голодному существованию сотен тысяч крестьян. В странах Центральной и Южной Америк, а затем в странах Юго-Восточной Азии разведение гевеи для производства каучука нанесло тяжелый урон сельскохозяйственному продовольственному производству. Эти примеры показывают, что в прошлом, в условиях еще недостаточно развитой промышленности массовое использование природного растительного сырья вызывало, в случае его неправильного, хищнического использования, тяжелые экономические потрясения для отдельных стран и народов. Очевидно, что при современном уровне производства использование этого вида сырья было бы просто невозможным. В то же время необходимость производства материалов, ранее базировавшихся на растительном сырье, является абсолютно необходимым. Например, без каучука практически невозможен технический прогресс. Следовательно, речь идет об изменении сырьевой базы химической промышленности.

За последние десятилетия были сделаны значительные открытия в области производства и применения новых материалов. Прежде всего это различные продукты органического синтеза – синтетический каучук, новые пластмассы, синтетические волокна, моющие средства и пр. Производство их базируется на нефти и природном газе. Значительные успехи в области химии позволили базировать на эти природные источники большинство современных химических производств. Такие производства как серная кислота, аммиак, большая часть удобрений, почти вся органическая технология перешли от разнообразных и мало обеспеченных источников сырья к одному – нефти и газу (нефть и газ могут рассматриваться как один материал из-за идентичности химических свойств и источников происхождения). Появление такого типа сырья решающим образом повлияло на развитие отраслей химической промышленности. Нефть и газ транспортируются по трубам на большие расстояния без особых трудностей. Размещение химических предприятий возможно практически в любой точке страны и даже за ее границами.

Синтетические методы получения различных продуктов значительно более эффективны, чем переработка растительного или животного сырья. Это можно увидеть из следующего примера.

Открытие Лебедевым метода производства каучука посредством превращения этилового спирта в дивинил с последующей полимеризацией последнего в каучук, позволило создать в СССР промышленность синтетического каучука. Производство одной тонны каучука требует не менее 9 тонн этилового спирта. Как известно, ранее сырьевым источником в производстве этилового спирта являлись крахмалсодержащие сельскохозяйственные продукты – зерно, картофель, сахарная свекла, сахарный тростник и пр.

На производство 1 т спирта необходимо было затратить:

- из картофеля 280 чел.-дней (выход 110-20 л спирта из 1 т картофеля)

- из зерна 160 чел.-дней (выход 330-340 л из 1 т зерна).

В то же время синтетический спирт требует для производства 1 т спирта только 10 чел.-дней. При этом 1 т этилена (исходный материал для синтеза спирта) заменяет 4 т зерна или 12 т картофеля. Преимущества синтетического способа очевидны. Однако дело не только в этом. Как бы хорошо не было организовано использование сельскохозяйственных площадей под различные культуры, требования промышленности могут быть настолько большими, что производство той или иной культуры может подавить производство других культур, необходимых для пищевых продуктов. В этом случае никакие технические достоинства сельскохозяйственного сырья не могут идти впереди требований, связанных с питанием населения, и такое сырье должно быть заменено минеральным.

Вернемся к примеру с синтетическим спиртом. Уже давно применяются более удобные и экономичные способы производства синтетического каучука, минуя этиловый спирт, непосредственно из продуктов переработки нефти. Некоторые виды сельскохозяйственного сырья сохранят еще долгое время свое место в промышленности. Это относится к таким как древесина – в производстве бумаги, фанеры, клетчатки для различных целей, хлопок для искусственных волокон, эфиров, текстиля, жиры для производства мыла и смазок, натурального каучука до сих пор не заменимого в производстве некоторых резиновых изделий. Надо иметь в виду, что правильная организация производства такого сырья может сочетаться с общей народнохозяйственной задачей страны и способствовать ее экономическому развитию.

В настоящее время мировое производство сельскохозяйственного сырья выражается в цифрах:

хлопок – около 15 млн. т

шерсть – около 2 млн. т

лен – около 0,9 млн. т

джут – около 2,5 млн. т

агава – около 1,0 млн. т

натуральный каучук – около 2,5 млн. т (преимущественно Юго-Восточная Азия)

Таким образом, решающим видом сырья в вопросах химической технологии выступает минеральное сырье. Добыча и подготовка к переработке минерального сырья представлены во всех странах крупным научно-хозяйственным минерально-сырьевым комплексом, ведущим поиски, установление запасов, добычу и подготовку к переработке минерального сырья.

Минеральное сырье – всевозможные руды, твердое топливо, нефть, газ, минеральные соли и другие многочисленные минералы располагаются в земной коре очень неравномерно. Эта неравномерность и разные глубины залегания минералов создают большие затруднения в организации поисков этих сырьевых источников и возможности их извлечения для использования. Некогда часть таких месторождений находилась на небольших глубинах и была легко доступна, но эти времена давно прошли и таких месторождений сейчас практически нет. Например, нефть, которую можно было черпать из колодцев, теперь добывается с глубины 3-5 и более километров. Угольные шахты углубились до 1000 метров и ниже. Препятствия возникают не только из-за трудностей извлечения нужных минералов из таких глубин, но и из-за трудностей поиска их на таких глубинах.

В настоящее время техника геологических разведочных работ располагает различными геофизическими методами широкого поиска полезных ископаемых. Эти методы позволяют охватывать в поисках большие площади земных пород. К таким методам относятся космическая разведка с помощью специальных спутников, способных замерять изменение плотности пород и по ним составлять соответствующие прогнозы наличия тех или иных минералов, сейсмическая разведка, основанная на скорости прохождения взрывной волны в породах с различным составом, методы измерения магнитных полей, прохождения радио волн и некоторые другие. Эти методы позволяют нащупывать очаги скоплений нужных материалов. В следующей стадии геологи производят разведочное бурение, которое позволяет точно установить наличие нужного минерала. Разведочное бурение, которое ведут полыми бурами, позволяет извлекать из недр земли так называемый «керн» - колонку грунтов по все длине скважины. Такая колонка демонстрирует состав горных пород в любой точке ствола разведочного бурения. Эти керны, собранные в специальных хранилищах, являются как бы справочной таблицей внутреннего строения верхней части земной коры. Кроме ответа на конкретный вопрос о наличии нужного минерала – цели поисков, они дают для будущих разведок как бы точную справку о наличии других, возможно нужных в будущем, сырьевых ресурсах. Наличие таких хорошо обследованных кернов, их постоянное пополнение дает бесценную информацию для работы геологов. Постепенно вся территория страны получает освещение и белые пятна медленно сходят с геологических карт. Однако такая работа еще очень далека от завершения, несмотря на очень широкие работы в этом направлении.

Открытие месторождения не означает еще, что оно может быть немедленно использовано. Необходимо установить запасы сырья, причем такие, которые могут быть извлечены при современном уровне техники. Разработать методы извлечения, установить состав сырья и реальные возможности получения из него продукции необходимого качества. Только после получения этих данных, месторождение может быть использовано. В геологии установлены определенные категории геологических запасов. Например, категория А – вполне доказанные и подготовленные к эксплуатации запасы, категория В – геологически обоснованные и достаточно разведанные запасы и категория С – запасы установленные геологическими изысканиями. Могут служить основанием для дальнейшей горно-геологической разведки.

Основной задачей в работе геологов-разведчиков и горняков является перевод из одной категории в другую, т.е. увеличение в конечном итоге категории А запасов, которые могут использоваться немедленно.

Способы добычи полезных ископаемых разнообразны.

а) Карьерная добыча. Представляет собой наиболее производительный способ добычи твердых ископаемых – углей, металлических руд и др. Предварительно вскрывается сверху слой пустой породы, а минерал извлекается с поверхности после механического дробления – взрывом, роторными машинами и пр.

б) Шахтный способ. В этом случае (чаще всего при глубоком залегании минералов) проходится достаточно широкий ствол (шахта), через который подается специальными подъемниками (лифтами) техника и люди. Выемка ведется через боковые выходы в пластах. Работа ведется под землей различными механизмами и взрывным способом.

Оба этих способа известны с древнейших времен. До сих пор оба способа сосуществуют и выбор того или иного определяется технико-экономическими соображениями.

в) Буровые способы добычи полезных ископаемых. Этот способ возможен только для жидких или газообразных минералов. Обычно нефть выкачивается из пластов за счет естественного или чаще искусственно созданного давления в пласте. Через отдельные скважины закачивается вода и вытесняет нефть в ближайшие скважины для транспорта на поверхность. Газы, находятся в пластах под давлением, поступают на поверхность за счет этого давления.

В ряде случаев твердые минералы переводятся в жидкое состояние в пласте. Например, элементарная сера за счет ее расплавления перегретой водой, растворимые минералы (например, соли калия, натрия) растворяются в пластах поданной сверху водой и извлекаются в виде раствора (рассол). Твердые минералы могут обрабатываться в пласте химическими реактивами (например, соли меди, аммиачные растворы, растворы серной кислоты и др.) и извлекаются в виде растворимых в этих реактивах соединений. Этот метод вошел в практику под наименованием геотехнология.

Извлеченное из недр минеральное сырье требует предварительной подготовки для использования его на предприятиях химических производств. Это вызвано следующими обстоятельствами.

Физическое состояние (размер кусков) может не удовлетворять возможностей производства. Следовательно, возникает необходимость механической обработки сырья: размол, рассев и т.п.

Большой объем балласта, например, в нефти много воды, в твердых минералах присутствуют сопутствующие, не нужные породы, существенным образом затрудняющие технологические приемы переработки сырья. В этом случае необходимо отделение нужной породы от сопутствующих минералов. Последняя проблема становится все более важной в горной промышленности. Некоторые виды сырья содержат нужный минерал в незначительных количествах (например, в случае руд цветных металлов). В то же время других руд нет и вероятно не будет, следовательно, необходимо перерабатывать такое сырье. Естественно, что переработка такого бедного сырья в технологических установках не будет эффективна или просто невозможна. В этих случаях нужный минерал концентрируют, применяя различные методы. Совокупность таких методов известна сейчас под термином «обогащение» сырья. Обогащение сырья занимает сейчас видное место на предприятиях не только горной промышленности, но и на предприятиях металлургической, химической и других предприятиях.

Обогащение производится различными методами – отсадкой минералов в жидкостях разной плотности, отсевом, магнитным или электрическим и др. полем.

Универсальным и хорошо освоенным промышленным способом обогащения является флотация. Сущность метода заключается в том, что тонко размолотый минерал смешивается с водой, в которую введены специальные вещества, способные избирательно вызывать способность отдельных минералов не смачиваться, в то время как другая масса смачивается. При пропускании через тонкую смесь воздуха, пузырьки последнего слипаются с не смоченными минеральными частицами, плотность такой объединенной частицы становится ниже единицы (минерал – воздух) и она всплывает. В идеальном случае, когда минерал состоит из двух компонентов, можно добиться очень высокой концентрации нужного минерала. Однако, на практике исходный материал состоит из многих пород, флотация проводится во много стадий, со значительными затратами воды, энергии и флотореагентов. Флотореагенты – вещества, обладающие обычно высокополярными свойствами, создают прочную пену, обволакивающую нужные частицы и смачивающие другие, и являются тем основным началом, на котором основана флотация. Задачей науки является подбор флотореагентов, действующих строго избирательно по отношению к каждой отдельной породе. Флотация развивается стремительно, точно так же как и поиски и подбор флотореагентов, многие из которых являются дорогими синтетическими веществами (высшие жирные спирты, ксантогенаты, эфиры спиртов и т.д).

Флотация получила широкое распространение, флотационные фабрики представляют собой блоки флотационных машин, число которых составляет сотни единиц. Мощность отдельных предприятий составляет до 100000 т в сутки. Эффективность процессов флотации очень велика. Например, медная руда с исходным содержанием меди 1,5% доводится до концентрации 35% меди с извлечением ее из сырья 93%. Или руда, содержащая 0,06% молибдена, позволяет получить из нее концентрат до 50% молибдена. Таким образом, флотация стала необходимым этапом в переработке сырья.

Как видно из изложенного, проблема получения и первичной переработки сырья играет одну из решающих основ химических и других предприятий, объединяемых химической технологией. В настоящее время экономику предприятий в основном определяет сырьевая составляющая, поэтому так важно при изучении вопросов химической технологии знать и точно определять место при этом того сырья, которое подлежит использованию.

Сырье – это основной элемент производства, от которого в значительной степени зависят экономичность производства, выбор технологии и аппаратуры и качество производимой продукции.

В химическом производстве на различных стадиях переработки можно выделить следующие материальные объекты: исходные вещества или собственно сырье, промежуточные продукты (полупродукты), побочные продукты, конечный целевой (готовый) продукт и отходы.

Полупродуктом называется сырье, подвергшееся обработке на одной или нескольких стадиях производства, но не потребленное в качестве готового целевого продукта. Полупродукт, полученный на предыдущей стадии производства, может быть сырьем для последующей стадии.

Побочным продуктом называется вещество, образующееся в процессе переработки сырья наряду с целевым продуктом, но не являющееся целью данного производства. Побочные продукты образующиеся при добычи или обогащении сырья, называются попутными продуктами.

Отходами производства называются остатки сырья, материалов и полупродуктов, образующихся в производстве и полностью или частично утративших свои качества.

Сырьем для химической промышленности служат продукты горно-рудной, нефтяной, газовой, коксохимической, лесной и целлюлозно-бумажной отраслей промышленности, черной и цветной металлургии. Все химическое сырье подразделяется на группы по происхождению, химическому составу, запасам и агрегатному состоянию. Классификация химического сырья представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1 Классификация химического сырья

Химическое сырье принято также делить на:

а) - первичное (извлекаемое из природных источников) и

- вторичное (промежуточные и побочные продукты промышленного производства и потребления, отходы)

б) - природное

- искусственное (полученное в результате промышленной обработки природного сырья).

Сырье для химического производства должно обеспечивать:

- малостадийность производственного процесса;

- агрегатное состояние системы, требующее минимальных затрат энергии для создания оптимальных условий протекания процесса;

- минимальное рассеивание подводимой энергии;

- минимальные потери энергии с продуктами;

- возможно более низкие параметры процесса (температура, давление) и расход энергии на изменение агрегатного состояния реагентов и осуществление химико-технологического процесса;

- максимальное содержание целевого продукта в реакционной смеси.

В химической промышленности в качестве сырья используются соединения более 80 элементов. Эти элементы, входящие в состав земной коры и которые являются основным источником химического сырья, распределены в ней неравномерно по составу, концентрации и географическому размещению.

Количественной характеристикой распространенности элементов в природе служит кларк - величина, выражающая в массовых или атомных процентах, или в граммах на тонну содержание данного элемента в земной коре. В таблице 2.1 приведены кларки наиболее распространенных элементов.

Таблица 2.1

Из таблицы 2.1 следует, что всего 9 элементов составляют более 98 % массы земной коры; на все остальные элементы приходится всего 1,87 %. Содержание углерода, представляющего основу жизни и составляющего основную часть горючих ископаемых, составляет только 0,35 % массы земной коры.

Естественно, что количество сырья в разведанных месторождениях, то есть запасы его на несколько порядков меньше, чем количество сырья, содержащегося в земной коре.

Возможность использования сырья для промышленного производства определяется его ценностью, доступностью и концентрацией полезного компонента.

Ценность сырья зависит от уровня развития технологии и задач, стоящих перед производством и существенно меняется со временем. Так, например, уран, являвшийся ранее отходом при получении радия, стал во второй половине XX столетия ценнейшим стратегическим сырьем.

Доступность сырья для добычи определяется географическим расположением запасов, глубиной залегания, разработанностью промышленных методов извлечения. Так, спецификой природных условий затруднена добыча ископаемого топлива в районах Крайнего Севера. Отсутствие эффективных методов (цианидного, ртутного) не позволяло в прошлом успешно извлекать золото из рассеянных месторождений.

Существенное влияние на возможность использования запасов сырья оказывает концентрация полезного элемента. Многие элементы при относительно высоком содержании в земной коре рассеяны, что затрудняет использование их соединений в качестве химического сырья.

Запасы основных видов сырья в бывшем СССР в % от мировых запасов выражались следующими цифрами: торф 60, калийные соли 60, фосфаты 33, древесина 33, ископаемые угли более 50, нефть 6-10, различное минеральное сырье 25. В настоящее время на долю РФ падает 45 % мировых запасов газа и 23 % ископаемых углей. Существенным недостатком сырьевой политики России является сохранение структуры экспорта, в которой 40,2 % составляет топливо и 10,5 % рудное сырье, и всего 4,1 % продукты переработки сырья, хотя известно, что стоимость продукции прогрессивно возрастает с углублением переработки сырья [23].

Высокая доля сырья в себестоимости химической продукции, быстрое истощение запасов сырья (мировая добыча минерального сырья за первую половину XX века выросла в 3,4 раза), удорожание процессов добычи его (за последние годы себестоимость добычи нефти выросла в 2 раза, угля в 1,5 раза, природного газа в 2,5 раза) выдвинули две задачи:

- разработку объективной оценки скорости исчерпания запасов химического сырья;

- рациональное использование химического сырья.

Количественной характеристикой скорости исчерпания запасов предложено считать «индекс использования резервов» (ИИР), который представляет процент расходования данного вида сырья в год. Чем выше ИИР, тем, очевидно, больше скорость расходования сырья, то есть

(2.1)

где: τ_{исчерп.} – время исчерпания запасов сырья в годах.

ИИР зависит от численности населения и возрастает с его увеличением. В таблице 2.2 приведены значения ИИР и соответствующее им время исчерпания ресурсов основных видов химического сырья, рассчитанные для численности населения 3,56·10⁹ человек (графа I) и 10·10⁹ человек (графа II).

Таблица 2.2