ПЕРЕРАБОТКА ПРИРОДНОГО СЫРЬЯ

Иркутский государственный технический университет
Сборник научных трудов студентов,
магистрантов, аспирантов
и молодых ученых
Института металлургии и
химической технологии
им. С.Б. Леонова
ПЕРЕРАБОТКА ПРИРОДНОГО
СЫРЬЯ
1
Иркутск
2014
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Сборник научных трудов студентов, магистрантов, аспирантов
и молодых ученых Института металлургии и химической технологии
им. С.Б. Леонова
«ПЕРЕРАБОТКА ПРИРОДНОГО СЫРЬЯ»
Иркутск 2014 г.
2
СОДЕРЖАНИЕ
Т.А. Бузикова, Н.В. Немчинова. Шлаки металлургических
плавок……………………………………………………………………...
7
М.А. Ермолаев, Н.В. Немчинова. История алюминиевой
промышленности…………………………………………………….......
10
А.О. Перепелкина, Т.С. Минеева. Исследование процесса сгущения
рудных пульп……………………………………………………………..
14
И.С. Куликов, А.А. Тютрин. Состояние Российского рынка
алюминия………………………………………………………………….
17
М.С. Леонова, Н.В. Немчинова. Возврат в процесс пыли
кремниевого производства в качестве сырьевой составляющей
шихты……………………………………………………………………….
21
В.А. Михалев, А.А. Тютрин. Минерально-сырьевая база
алюминиевой промышленности………………………………………...
24
М.П. Кузьмин, М.Ю. Кузьмина, А.С. Журавлѐва. Окисление
алюминия и его сплавов на воздухе…………………………………….
27
М.П. Кузьмин, М.Ю. Кузьмина, А.С. Журавлѐва. Оценка влияния
условий литья на величину усадочных раковин алюминиевых
чушек………………………………………………………………………...
29
А.А. Пьявкина, Н.В. Немчинова. Оптимизация состава анодной
массы………………………………………………………………………...
33
Г.Т. Рахимов, С.С. Бельский. Применение алюминия и его
сплавов………………………………………………………………………
35
Р.Н. Набиулин, Т.С. Минеева. Способы вскрытия упорных
золотосодержащих руд и концентратов………………………………...
38
О.Е. Бельская, С.С. Бельский. Перспективы развития солнечной
энергетики на основе кремния………………………………………….
42
А.Э.
Бараускас,
С.С.
Бельский.
Применение
методов
термодинамического
моделирования
для
изучения
технологических процессов………………………………………………
44
3
С.Н. Кастаев, С.С. Бельский. Изучение влияния примесей в кремнии
на его электрофизические свойства……………………………………..
46
А.К. Тимофеев, С.С. Бельский. Использование направленной
кристаллизации для очистки металлов………………………………...
49
О.Е. Бельская, С.С. Бельский. Сырье для получения меди…………….
52
А.С. Журавлѐва, М.П. Кузьмин, М.Ю. Кузьмина. Получение оксида
цинка электрохимическим методом…………………………………….
54
А.С. Журавлѐва, М.П. Кузьмин, М.Ю. Кузьмина. Совершенствование
пирометаллургического способа получения оксида цинка………….
56
А.С. Журавлѐва, М.П. Кузьмин, М.Ю. Кузьмина. Совершенствование
гидрометаллургического способа получения оксида цинка…………
58
А.В. Куриганова, О.В. Белоусова. Оптимизация способов извлечения
некоторых цветных металлов из сточных вод………………………...
60
П.А. Лобова, А.Н. Баранов, О.Д. Петрова, Е.М. Комова.
Микробиологическая коррозия на объектах нефтегазодобычи…….
62
Н.В. Немчинова, Т. Уламбаяр. Исследование технологии
производства металлических шаров для мельниц……………………
66
И.С. Шарафеева, Н.В. Немчинова. Роль кремнезема в
промышленности…………………………………………………………...
69
Н.И.
Днепровская,
Е.В.
Янчуковская.
Исследовательские
направления модернизации технологии пиролиза твердых
бытовых отходов…………………………………………………………...
72
А.В. Болдаков, С.Г. Дьячкова. Перспективы и направления
применения метана в качестве химического сырья…………………..
76
Д.И. Веренинов, В.Н. Сапрыгина. Обзор контактных устройств
ректификационных колонн………………………………………………
79
В.В.Готовский, С.А.Диденко, А.Л.Шевнин, Н.Д.Губанов. Установка
гидроподготовки
рафинатов
(rht)
каталитической
депарафинизации (msdw)………………………………………………….
80
4
Р.Б. Гуринович, Т.С. Савельева, Г.В. Боженков. Экономическая
оценка проектов с помощью программ Aspen process economic
analyzer и Aspen capital cost estimator компании aspen
tech…………………………………………….……………………………...
84
О.И. Дошлов, А.Б. Гритчин, К.А. Трезубов, И.О. Дошлов. Применение
полимерно-битумных вяжущих в дорожном, гражданском и
промышленном строительствах в восточной Сибири………………...
87
М.А. Иринчеев, О.И. Дошлов. Использование сернистого нефтяного
кокса в цветной металлургии и химической промышленности…….
91
И.А.
Калапов,
О.И.
Дошлов.
Особенности
получения
высококачественных полимерно-битумных вяжущих для дорог
восточной Сибири………………………………………………………….
94
Н.А. Коротов, В.Н. Сапрыгина. Повышение эффективности работы
действующих установок каталитического крекинга………………….
98
Т.П. Кравец, В.Н. Сапрыгина. Возможности перевода установок
каталитического
крекинга
на
утяжелѐнный
вакуумный
газойль……………………………………………………………………….
100
К.Е. Матренинский. Оптимальная крупность нефтяного кокса при
производстве кремния……………………………………………………..
103
А.Л. Резцов. Перспективы реконструкции окислительной колонны
в производстве нефтебитумов в ОАО «АНХК»………………………...
107
С.А. Шевнина, Н.Д. Губанов. Физико-химические и технологические
основы процесса очистки сульфидно-аммонийных сточных вод
(САСВ)……………………………………………………………………….
109
Э.С. Серегин. Технологическая основа для модернизации установки
ЭП-300………………………………………………………………………..
112
А.Н. Никитина, Т.А. Подгорбунская. Усовершенствование работы
установки АВТ. увеличение температуры нагрева нефти……………
115
Д.В. Медведев, В.Н. Сапрыгина. Сравнительный анализ
возможности применения растительных масел в производстве
товарных нефтепродуктов………………………………………………...
119
Н.Г. Сергеева, Е.В. Янчуковская. Перспективы производства
полиэтилена…………………………………………………………………
122
5
Ю.В. Придатченко, А.М. Рудых. Инновации в химической
технологии энергоносителей……………………………………………...
125
О.И.
Дошлов,
А.Е.
Ширяева.
Экологические
проблемы
мелкодисперного измельчения многокомпонентных продуктов
(АТУ) методом дезинтегрирования……………………………………...
128
О.А. Яковлева, Е.В. Янчуковская. Актуальность производства и
потребления метанола на газодобывающих месторождениях……….
131
М.А. Фефелов, С.Г. Дьячкова. Арболит, известный материал по
новой рецептуре…………………………………………………………….
134
А.Н. Юшманов, В.В. Висун, С.Г. Дьячкова. Проектирование
межцеховых и внутрицеховых коммуникаций с интегрированием
инновационной технологии трансферта………………………………...
135
А.А. Мельник, П.Р. Ершов, Е.А. Медунова, М.И. Капитонова.
Обучение конфигурированию на учебном стенде вторичной
функциональной аппаратуры СУВФ……………………………………
138
О.В. Лазарева, А.Н. Погодаева, Т.А. Марактаева. Оценка надежности
анализатора удельной поверхности……………………………………..
143
6
УДК 621.745.45
ШЛАКИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПЛАВОК
Т.А. Бузикова1, Н.В. Немчинова2
1
студент гр. МЦб-11-1 ИрГТУ, e-mail: buzik2009@mail.ru
2
д.т.н, профессор, заведующая кафедрой МЦМ ИрГТУ, e-mail:
ninavn@yandex.ru
В любом пирометаллургическом производстве, как правило, образуется
два продукта плавки – металл (и/или штейн) и шлак.
Шлаками называется расплав оксидов, получаемых из породообразующих компонентов шихты. Различают шлаки рудной плавки,
конвертерные и рафинировочные. Основной функцией шлаков плавильных
процессов является ассимиляция пустой породы руды и концентратов, что
позволяет сконцентрировать ценные металлы в форме штейнов и
металлических расплавов [1].
Шлак предохраняет металл от вредного воздействия газовой среды печи,
удаляет примеси.
Обычно шлак – побочный продукт или отход производства металла,
отправляемый в отвал. Однако в некоторых случаях основным продуктом
плавки, содержащим наиболее ценный компонент сырья, является именно шлак
(титановые шлаки,
получаемые
при
плавке
ильменитовых концентратов; ванадиевые шлаки,
образующиесяпри конвертировании ванадийсодержащего чугун).
Шлаки цветной металлургии представлены в основном оксидом железа
(II), диоксидом кремния и оксидом кальция. Суммарное содержание данных
оксидов достигает 80–90 % от общей суммы шлакообразующих компонентов.
В меньших количествах шлаки содержат Аl2O3, MgO, МnО, Fe3O4, Fe2O3,
оксиды цветных и щелочных металлов, а также Сr2O3, Р2O5, ВаО. Состав
шлаков изменяется в широких пределах, соответственно изменяются и физикохимические свойства расплавов [1].
Выплавка кремния относится к бесшлаковому производству, однако при
плавке образуется незначительное количество (до 5 % в мощных
руднотермических (РТП) печах, 2-3% - в печах малой и средней мощности)
данного обязательного продукта любого пирометаллургического процесса [2].
В качестве сырьевых материалов при плавке кремния используют:
1. кварцит – кремнеземсодержащий материал с содержанием SiO2 9799 %;
2. древесный уголь (берѐзовый, сосновый) - содержит на сухую массу
(обезвоженный) до 80% процентов твердого углерода, не более 4%
золы;
3. нефтекокс - твердый остаток пиролиза нефти, содержащий до 96%
твердого углерода, не более 0,6% золы;
7
4. каменные угли различных месторождений - обладают высокой
реакционной
способностью
и
значительным
удельным
электросопротивлением, однако содержание золы составляет до
6%;
5. древесная щепа - используется как восстановитель, так и для
увеличения газопроницаемости шихты.
С данными шихтовыми материалами в процесс поступают оксиды,
которые, имея высокое сродство к кислороду, не успевают восстановиться в
процессе электроплавки, вследствие чего и образуют шлак. В таком шлаке в
среднем содержится до 15 % Si, 33-47 % SiO2 и 6,5-25 % SiC, а также Аl2O3 и
CaO, что указывает на незавершенность восстановления кремнезема.
Шлак кремниевого производства состоит из тугоплавких компоненотов,
имеет плотность больше чем у кремния, поэтому шлак оседает на подину РТП и
образует подовую настыль (рисунок 1). Поскольку с шихтой поступает наряду с
основным кремнеземсодержащим материалом (кварцитом) и восстановителем
(углеродом) значительное количество алюминия, кальция, то состав подовой
настыли, %, в среднем, выглядит следующим образом: 18-44 SiO2, 20-67 СаО,
15-37 Аl2O3.
Si
шлак
Рис. 1. Шлак лѐточного отверстия руднотермической
печи (производство кремния)
Температура шлаков подовой настыли достигает 1600 С, шлаки
являются вязкими и тугоплавкими. При выпуске расплава кремния из лѐтки
печи с потоком захватываются примеси из подовой настыли в нижней части
РТП.
Попадание шлака в горн и далее в кремний при его выпуске может быть
следствием недовосстановления шихты в зоне максимальной температуры изза:
- недостатка углерода как восстановителя оксидов кремния и оксидов
других металлов;
8
- неравномерности загрузки порции очередной шихты и ее провалов,
- быстрого стекания расплава на подину РТП.
Недостаточному восстановлению кремнезема из шлака может также
способствовать снижение его активности в расплаве, нарушение контакта
между шлаком и восстановителем. Прекращение восстановления на подине
печи может быть только следствием недостаточного перегрева шлака,
находящегося под слоем легкого жидкого кремния [3].
Другим продуктом карботермии кремния является рафинировочный шлак
[4], получаемый в результате очистки технического кремния от основных
примесных элементов в ковше.
Окислительное рафинирование - это комплексная операция очистки
кремния, направленная на снижение содержания в кремнии основных примесей
(Al, Са, Ti), а также удаление включений шлака. На ЗАО «Кремний» ОК
«РУСАЛ» (г. Шелехов Иркутской обл.) - предусмотрено рафинирование
окисление металлов-примесей продувкой расплава воздухом.
При данном способе очистки в первую очередь окисляются примеси с
мéньшей упругостью диссоциации, поэтому барботированием кремниевого
расплава проводят рафинирование в основном от алюминия и кальция.
Из представленных зависимостей (рис. 2) видно, что после
рафинирования основная часть примесных элементов переходит в шлак.
Целенаправленная подача кварцевого песка (флюса) перед разливкой
позволяет коагулировать мелкие капли шлака на зернах данного флюса,
которые из-за бóльшей плотности, чем расплав кремния, соединяются с донным
шлаком.
Таким образом, изучение состава шлака позволяет установить
оптимальные параметры рафинирования с целью максимально возможного
перевода примесных элементов в данную фазу.
а
б
9
в
г
Рис. 2. Содержание примесей в кремнии до и после рафинирования (на примере
руднотермической печи РТП-6 ЗАО «Кремний»):
а – содержание Al, б – содержание P, в – содержание Ca, г – содержание Fe.
Библиографический список
1. Процессы и аппараты цветной металлургии: учебник для вузов/ С.С.
Набойченко [и др.]. – Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ–УПИ, 2005. – 700 с.
2. Немчинова Н. В., Клец В. Э. Кремний: свойства, получение,
применение : учеб. пособие. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008. – 271 с.
3. Катков О.М. Технология выплавки технического кремния: учеб.
пособие. – Иркутск: ЗАО «Кремний», 1999. – 244 с.
4. Тютрин А.А., Немчинова Н.В. О рафинировании кремния // Матер.
междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов «Актуальные
вопросы металлургии цветных металлов» (16-19 мая 2011 г., г. Красноярск). –
Красноярск: Сибирский федеральный ун-т, 2011. – С. 37-40.
УДК 669.71
ИСТОРИЯ АЛЮМИНИЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
М.А. Ермолаев1, Н.В. Немчинова2
1
студент гр. МЦб-14-1 ИрГТУ, e-mail: 777mixa1996@mail.ru
2
д.т.н., зав.кафедрой металлургии цветных металлов ИрГТУ,
e-mail:ninavn@yandex.ru
В настоящее время по объему производства алюминий занимает первое
место среди цветных металлов, и производство его постоянно расширяется. Но
с чего же начиналась и как развивалась алюминиевая промышленность?
В настоящее время Россия устойчиво занимает второе место в мире по
выплавке алюминия первичного, (производя его около трех млн тонн, что
составляет 14 % мирового производства. Всего в мире 187 действующих
алюминиевых предприятий, из них 11 - в современной России. При этом из 11
10
отечественных производителей алюминия четыре располагаются в
Восточной Сибири.
Объединенная компания РУСАЛ – крупнейший в мире производитель
алюминия. Основную часть продукции компании составляют первичный
алюминий, алюминиевые сплавы, фольга и глинозем. Активы ОК РУСАЛ
включают в себя весь комплекс предприятий, задействованных в цепочке
производства конечного продукта, – от горнодобывающих комбинатов до
алюминиевых и фольгопрокатных заводов. Это позволяет компании
контролировать все этапы производственного процесса, обеспечивая высокое
качество продукции [1].
Заводы и представительства РУСАЛа находятся в 19 странах на пяти
континентах. При этом основные производственные мощности РУСАЛа
расположены в Сибири (Братский и Красноярский заводы обладают
мощностями по производству 814 и 786 тыс. т алюминия, соответственно, и
являются крупнейшими в мире), что дает компании два важных преимущества:
доступ к возобновляемой и экологически чистой гидроэлектроэнергии и
близость к самому перспективному мировому рынку – Китаю [2].
Развитие алюминиевой промышленности в России
Рис.1. Выплавка алюминия на Волховском заводе
Датой рождения алюминиевой промышленности России считается 14 мая
1932 года, когда на Волховском заводе в Ленинградской области была получена
первая партия металла. Через год первую продукцию выпустил Днепровский
алюминиевый завод на Украине. Несмотря на то, что в последующие годы эти
предприятия постоянно наращивали объемы производства, полностью
удовлетворить растущие потребности экономики страны они не могли. В СССР
развернулось строительство новых предприятий. В 1939 году приступил к
работе Уральский алюминиевый завод, способный производить 70 тыс. тонн
глинозема и 25 тыс. тонн алюминия в год.
Великая Отечественная война дала толчок индустриальному развитию
восточных регионов страны. Столкнувшись с угрозой оккупации значительной
части территории государства, советское руководство распорядилось провести
беспрецедентную по масштабам эвакуацию промышленных предприятий.
Основное оборудование Волховского и Тихвинского заводов было
демонтировано и вывезено на Урал и в Западную Сибирь, где его использовали
11
для строительства Богословского и Новокузнецкого алюминиевых заводов. В
1943 году на НкАЗе был получен первый сибирский алюминий, а через два года
в День Победы – 9 мая 1945 года Богословский алюминиевый завод выдал свой
первый металл[1].
В послевоенные годы потребности советской экономики в стратегической
металлопродукции продолжали расти, что способствовало интенсивному
развитию алюминиевой промышленности. В 50-е годы были введены в
эксплуатацию Кандалакшский (1951 г.), Надвоицкий (1954 г.) и Волгоградский
(1959 г.) алюминиевые заводы, а также Белокалитвинское металлургическое
производственное объединение (БКМПО, 1954 г.), специализирующееся на
выпуске различной продукции из алюминиевых сплавов. В 1960 году состоялся
запуск Самарского металлургического завода – крупнейшего в Европе
производителя полуфабрикатов и готовых изделий из алюминия.
Постоянный поиск ученых обеспечил непрерывное совершенствование
производственных технологий. В итоге радикальная реконструкция
электролизеров, внедрение механизмов и ввод в эксплуатацию в 70 гг.
вычислительного
комплекса
для
автоматизированного
управления
технологическим процессом позволил превратить алюминиевый завод,
оснащенный самым старым в стране специализированным оборудованием, в
современное, отвечающее мировым достижениям предприятие.
Алюминиевая промышленность в своем размещении все в большей
степени отрывается от сырьевой базы и от потребителя металла.
Потребителями изделий из алюминия и его сплавов, помимо авиационной
промышленности, являются многие другие отрасли машиностроения транспортное, электротехническое, а также строительство. Большинство
потребителей алюминия размещается в европейских районах страны [3, 4].
Эта отрасль цветной металлургии претерпела наибольшие сдвиги в своем
размещении. Возникнув в годы первых пятилеток в европейской части страны у
источников дешевой электроэнергии на Днепре и Волхове, частично на
местном сырье, она перед войной и в годы войны переместилась на Урал
(Каменск-Уральский, Краснотурьинск), в Западную Сибирь (Новокузнецк). В
послевоенные годы она в силу своего тяготения к дешевым источникам энергии
опять получила развитие в европейских районах (Кандалакша, Волгоград). С
освоением дешевых источников топлива и гидроэнергии в восточных районах
туда переместилось строительство самых крупных предприятий отрасли
(Красноярск, Братск). Новые алюминиевые заводы также сооружаются в
Восточной Сибири (Саянский). Восточные районы дают стране алюминий.
В первые годы перестройки экономики России (начало 90-х годов) имел
место обвал производства промышленной продукции, прежде всего, в тех
отраслях, которые были основными потребителями алюминия.в 1995 - 1996
годы имело место максимальное падение объема потребления алюминия на
внутреннем рынке, а следовательно, и объема поставок металла. По сравнению
с 1990 годом они сократились до уровня 14% и 22%, при этом несколько возрос
12
объем экспорта металлопродукции (полуфабрикатов). В последующие годы по
мере подъема экономики страны потребление алюминия на внутреннем рынке
начало расти. В 2004 году объем потребления металла (с учетом импорта)
вырос в 2,4 раза к минимальному уровню. Тем не менее это составило всего
лишь 31% от соответствующего уровня 1990 года. Значительное количество
алюминия поступает в настоящее время в Россию в качестве готовой
продукции, прежде всего - автомобилей, сложной бытовой техники, продуктов
питания и лекарств, упакованных в алюминиевую фольгу, и др.
Рис. 2. Структура российского экспорта алюминиевой металлопродукции на
мировой рынок, тыс. тонн [3]
Российские алюминиевые компании располагают стратегическими
программами развития своего бизнеса как внутри России, так и заее пределами.
Реализация этих планов позволит увеличить производство алюминия в России
до 6 - 6,5 млн тонн в год. РУСАЛ ставит перед собой задачу стать самой
крупной в мире компанией по производству алюминия и достичь уровня
производства металла 5 млн тонн в год. С этой целью компания завершает
строительство Хакасского алюминиевого завода мощностью 300 тыс. тонн,
реализует проекты модернизации Краcноярского, Братского и Новокузнецкого
заводов, проектирует строительство алюминиевых заводов в привязке к
регионам Усть-Илимской и Богучанской ГЭС и Рогунской ГЭС. РУСАЛ также
подписал с Бюро государственных предприятий Нигерии (BPE) договор о
покупке
контрольного
пакета
акций
компании
AluminiumSmelterCompanyofNigeria (ALSCON), расположенной в нигерийском
штате Аква Ибом (AkwaIbom). Сделка позволит РУСАЛу увеличить объем
производства алюминия на 150 тыс. тонн в год [3].
Библиографический список
1. wikipedia.org/wiki/Алюминиевая_промышленность
13
2. http://www.rusal.ru/aluminium/history.aspx
3. http://allbest.ru/
4. Электрометаллургия алюминия / И.С. Гринберг, В.Г.Терентьев, В.И.
Чалых [и др.]. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. - 350 с.
УДК 66.065
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СГУЩЕНИЯ РУДНЫХ ПУЛЬП
А.О.Перепелкина1, Т.С.Минеева2
1
студент гр. МЦб-12-1 ИрГТУ, e-mail: anastasiya.perepelkina.94@mail.ru
2
к.т.н., доцент кафедры металлургии цветных металлов ИрГТУ, г. Иркутск email: kafmcm@istu.edu
Операции обезвоживания являются вспомогательными, но значение их в
гидрометаллургических схемах извлечения металлов из руд весьма велико.
Основными способами обезвоживания являются сгущение и фильтрация.
Сгущение заключается в частичном обезвоживании пульп путем ее
отстаивания.
При выборе продуктов для определения сгущаемости исходят из
предполагаемой технологической схемы переработки руды. Наиболее часто
сгущают следующие продукты [1]:
водные пульпы и хвосты флотации перед цианированием;
цианистые пульпы перед фильтрованием;
хвосты флотации в связи с необходимостью использования жидкой фазы в
качестве оборотных вод;
флотационные концентраты.
В лабораторных условиях сгущение проводят в цилиндрах емкостью 0,5
или 1 л. Для опытов берут свежую, полученную в процессе обработки руды
пульпу; плотность пульпы по содержанию твердого определяют заранее. Если
пульпа сильно разжижена и легко расслаивается, ее сгущают. В полученной
пульпе, называемой исходной, определяют массовое отношение жидкого к
твердому (R) по формуле
где
т.
- плотность твердой фазы, г/см3; V –объем пульпы, см3; Р – масса пульпы,
Значение Р определяют взвешиванием пульпы известного объема. После
этого приступают к приготовлению из исходной пульпы порций с отношением
жидкого к твердому (R) от 10 до 3. Для этого по формуле
вычисляют массу твердого в граммах (Т) в каждой порции, причем объем
порции V зависит от емкости используемых для сгущения цилиндров, а
14
значение R применяют для каждой порции в указанных пределах. Затем по
формуле
вычисляют объем исходной пульпы, необходимой для получения каждой
порции. Отмеривают нужные объемы исходной пульпы и частичным
обезвоживанием или разбавлением доводят их до объема на 100-150 мл меньше
емкости цилиндров, в которых проводится сгущение. Обезвоживать исходную
пульпу удобнее в мерных стаканах или цилиндрах, объем которых должен быть
больше объема цилиндров для сгущения. Полученные порции пульпы
переводят в цилиндры и корректируют объем. На цилиндры наклеивают
полоски миллиметровой бумаги со шкалой; значения которой возрастают
сверху вниз, а ноль шкалы должен совпадать с уровнем пульпы.
Содержимое
цилиндров
перемешивают
двух-трехкратным
перевертыванием или перфорированным диском на стержне. По окончании
перемешивания отсчитывают время осаждения. Через определенные
промежутки времени отмечают в рабочем журнале положение границы между
сгущающейся пульпой и жидкой фазой. Вначале положение границы отмечают
через промежутки времени, исчисляемые минутами, затем, когда осаждение
замедляется, время исчисляют часами. Наблюдения прекращают, когда
положение границы не изменяется в течении 2-3 ч.
По результатам наблюдения строят зависимость высоты осветленного слоя
от продолжительности сгущения (рис. 1), отражающую скорость осаждения.
На графике проводят три прямые, соответствующие трем зонам в сгустителе:
прямая АБ характеризует скорость осаждения в зоне свободного падения,
прямая БВ – скорость осаждения в зоне сжатия, прямая ВГ отражает состояние
сгущенного продукта. Точка Б (называемая точкой перехода) отмечает переход
от зоны свободного падения к зоне сжатия. Такой переход происходит через t
(ч) сгущения, объем пульпы V1 (миллиметры) в этот момент определяют
непосредственно по градуировке цилиндра, а отношение жидкого к твердому
(R1) - по формуле
Рис. 1 Определение показателей сгущения пульпы в цилиндре
15
Скорость осаждения
(м/ч) в зоне свободного падения вычисляют п формуле
где h1 – высота слоя жидкой фазы в точке Б, м.
Удельную площадь сгущения П
определяют по формуле
Аналогично получают значение П для всех порций пульпы в цилиндрах и
максимальные значения принимают за искомое.
Показатели сгущения зависят от температуры пульпы, в связи с чем
целесообразно провести сгущение при различных температурах (обычно от 10
до 25-30° С) [2].
При изучении сгущаемости пульп часто испытывают различные
коагулянты и флокулянты. Методика испытаний флокулянтов имеет ряд
особенностей. Расход флокулянтов обычно не превышает 20-30 г/т; вводить в
пульпу эти реагенты следует в виде сильно разбавленных растворов (0,1 или
0,05%). Иногда флокулянт вводят в пульпу двумя или тремя порциями.
Значительное влияние на показатели сгущения оказывают продолжительность
и интенсивность перемешивания флокулянта с пульпой. Перемешивание
должно быть таким, чтобы за минимальное время распределить флокулянт по
всему объему пульпы. Сгущенную с флокулянтом пульпу нельзя использовать
в повторных опытах по оценке ее сгущаемости.
При сгущении с флокулянтом в цилиндр по заданной метке заливают
пульпу. После непродолжительного отстаивания декантируют жидкую фазу в
количестве, равном объему приготовленной к введению в пульпу порции
флокулянта. Затем наливают в цилиндр раствор флокулянта, быстро закрывают
цилиндр кружком из мягкой листовой резины и, прижимая рукой кружок,
перевертывают цилиндр 1 или 2 раза вверх дном, ставят цилиндр на стол и
наблюдают за осаждением до полного завершения сгущения.
Во многих случаях флокулянты увеличивают скорость осаждения в зоне
свободного падения, но сгущенный продукт получается менее плотным, чем
без флокулянта. Потому, если сгущение в производственных условиях
предполагается проводить с получением достаточно плотного продукта,
флокулянт может оказаться бесполезным или даже вредным.
Эффективным флокулянтом для водных, известковых и известковоцианистых пульп золотосодержащих руд является полиакриламид (ПАА).
Расход его обычно составляет от 3-5 до 20 г/т руды. Для увеличения скорости
сгущения некоторых руд полезно использовать одновременно флокулянты
различного типа (анионные, катионные, катионно-анионные), а также
флокулянты в сочетании с коагулянтами [3].
16
В настоящее время известно много лабораторных способов оценки
сгущаемости пульп, однако ни один из них не обеспечивает получения данных,
которые можно было бы безоговорочно принимать для расчета промышленных
аппаратов. Более достоверные показатели получают при сгущении в
полупромышленных условиях на непрерывно действующих аппаратах.
Библиографический список
1. Плаксин И. Н. Металлургия благородных металлов – Иркутск:
Металлургиздат, 1958. – 367 с.
2. Зеленов В. И. Методика исследования золотосодержащих руд – М.:
Недра, 1978. – 300 с.
3. Вольдман Г. М., Зеликман А. Н. Теория гидрометаллургических
процессов – М.: Интермет Инжиниринг, 2003. – 458 с.
УДК 669.711
СОСТОЯНИЕ РОССИЙСКОГО РЫНКА АЛЮМИНИЯ
И.С. Куликов1, А.А. Тютрин 2
1
студент гр. МЦб-14-1 ИрГТУ, e-mail: farad96@mail.ru
2
к.т.н., доцент кафедры металлургии цветных металлов ИрГТУ, e-mail:
an.tu@inbox.ru
Одной из базовых отраслей экономики России является металлургия. Ее
доля в промышленном производстве страны составляет 16% – более трети из
них приходится на цветные металлы. Значительное место в российской
металлургии занимает алюминиевая промышленность. Алюминий сегодня - не
только один из самых распространенных в природе металлов, но и один из
самых ценных. Этот металл широко используется во многих отраслях: легкой
промышленности, производстве бытовой техники, точном машиностроении,
энергетике, химии, авиакосмическом машиностроении.
Алюминий – самый распространенный металл на Земле, его доля в
земной коре составляет до 8,8%. Благодаря своей химической активности
алюминий практически не встречается в свободном виде - для промышленного
производства подходят лишь немногие из содержащих его минералов и горных
пород. Процесс производства алюминия включает в себя добычу бокситов, их
переработку в глинозем и последующее производство алюминия.
Ограниченный доступ к коммерчески извлекаемым запасам бокситов и
истощение руд являются основным ограничением для развития алюминиевой
отрасли. Сегодня рынок алюминия по объему уступает лишь рынку стали, и
спрос на него постоянно увеличивается. Динамика мирового производства
алюминия за последние 40 лет подтверждает восходящий тренд (рисунок 1).
При этом выделяются 3 периода отсутствия роста выпуска алюминия – 1981-85
гг., 1991-95 гг. и 2008 – 2009 гг. Остальные периоды имеют ежегодный рост от
3 до 9% [1].
17
Россия является вторым по величине производителем первичного
алюминия в мире после Китая и крупнейшим экспортером металла на рынки
США, Европы и Азии (таблица 1).
Потенциал роста выпуска на алюминиевых заводах России за счет
увеличения загрузки мощностей и улучшения технологических параметров
производственного процесса в настоящее время практически исчерпан.
Большинство заводов работают с превышением проектных мощностей. Велико
материально-техническое
и
технологическое
отставание
российской
промышленности от среднемирового уровня. Поэтому, для сохране-
Рисунок 1 - Динамика мирового производства алюминия
2000-2011 гг. тыс. т. Источник: International Aluminium Institute.
ния Россией одного из лидирующих положений в мировой алюминиевой
отрасли, необходимо принятие срочных мер по реконструкции и модернизации
алюминиевых заводов [2].
Таблица 1 – Мировое производство первичного алюминия в распределении по
основным странам-продуцентам в 2010г. Источник: составлено автором по
данным геологической службы США USGS[3]
СТРАНЫ
ПРОИЗВОДСТВО тыс. тонн
Китайская Народная Республика
16800
Россия
3850
Канада
2920
Австралия
1950
Соединенные Штаты
1720
Бразилия
1550
Индия
1400
Объединенные Арабские Эмираты
1400
Бахрейн
870
18
Норвегия
ЮАР
Исландия
Мозамбик
Венесуэла
Аргентина
800
800
780
550
440
400
Алюминиевая отрасль отличается жесткой конкуренцией и высокой
концентрацией. На долю шести крупнейших в мире производителей алюминия
приходится более 40% мирового производства крылатого металла (рисунок 2)
[4].
Рисунок 2 - Крупнейшие компании производители алюминия,
данные на 2013 г.
Объединенная компания «Российский алюминий» – лидер мировой
алюминиевой отрасли. Продукция экспортируется клиентам в 70 странах мира.
В состав компании входят предприятия по добыче бокситов и нефелиновый
руды, производству глинозема, алюминия, сплавов, фольги и упаковочных
материалов на ее основе, а также энергоактивы. На долю Объединенной
компании приходится около 12,5% мирового рынка алюминия и 16%
глинозема,
что
обеспечивается
производственными
мощностями,
позволяющими RUSAL производить 3,9 млнтонн алюминия и 10,6 млн тонн
глинозема в год. Компания создана в марте 2007 года в результате объединения
19
РУСАЛа, СУАЛа и глиноземных активов Glencore. В UC RUSAL работает
100 000 человек. Объединенная компания присутствует в 17 странах мира на 5
континентах.
Алюминиевая промышленность всегда регулировалась небольшим
количеством очень крупных компаний в связи с высокой капиталоемкостью
производства.
Эти
компании,
как
правило,
контролируют
весь
производственный цикл, включая добычу бокситов, переработку их в глинозем,
производство первичного алюминия и металлопродукции из него. Позиции
компании на рынке в значительной степени зависят от надежности поставок
сырья. Данная тенденция не обошла стороной и Россию – 75% производимого
алюминия в стране принадлежит ОК РУСАЛ.
В условиях глобализации изменения структуры мировой алюминиевой
промышленности идут таким образом, чтобы минимизировать затраты на
добычу, переработку, транспортировку сырья и производства металла. Для
этого предприятия для переработки сырья строятся вблизи рудников.
Электролизные же производства строятся вблизи дешевой электроэнергии.
Прогнозы по рынку алюминия делать трудно, так как производство,
складские запасы и цены не сбалансированы, а подъем рынка объясняется не
только ростом мировой экономики, но и действиями крупнейших
инвестиционных фондов. Кроме того, прогнозирование рынка затруднено
некоторым замедлением экономик Европы и Китая, которые являются
абсолютными лидерами потребления металла. В перспективе алюминий,
бесспорно, останется одним из наиболее ликвидных металлов на мировом
рынке, что позволит сохранить достаточно динамичный рост производства.
Библиографический список
1. Мировой рынок алюминия. Обзор рынка алюминия [Электронный
ресурс], URL: http://www.ereport.ru/articles/commod/aluminum.htm
2. Гринберг И.С., Зельберг Б.И., Чалых В.И., Черных А.Е.
Электрометаллургия алюминия. - С-Пб.: Изд-во МАНЭБ.- 2005.- 427 с.
3. USGS. 2011 Minerals Yearbook. Aluminium [Электронный ресурс], URL:
http://minerals.usgs.gov
4. Русал. Производители алюминия. [Электронный ресурс], URL:
http://www.rusal.ru/aluminium/manufacturers.aspx
20
УДК 669.782
ВОЗВРАТ В ПРОЦЕСС ПЫЛИ КРЕМНИЕВОГО
ПРОИЗВОДСТВА
В КАЧЕСТВЕ СЫРЬЕВОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ШИХТЫ
М.С. Леонова1, Н.В. Немчинова2
1
магистрант гр. МЦМ -14 ИрГТУ, e-mail: leonova_ms@mail.ru
2
д.т.н., зав. кафедрой металлургии цветных металлов ИрГТУ,
e-mail: ninavn@yandex.ru
Технический кремний – один из немногих видов промышленной
продукции, который до рецессии мирового производства имел тенденции к
росту производства и потребления. Кризисные явления в мировой экономике
последних лет и связанное с этим снижение потребления алюминия, и
соответственно, кремния металлургического качества увеличили потребление
кремния химической промышленностью с 40 до 60 % мирового производства, в
том числе и для получения особо чистого кремния, пригодного для получения
солнечных элементов [1].
Производство технического кремния сопровождается большим
количеством пылевых выбросов. Пыль - это унос из горна электропечи трех
видов продуктов. Во-первых, дисперсных продуктов химического реагирования
в шихте (типа Si и SiO2), полученных по реакции диспропорционирования:
SiO2- продукт окисления паров Si и SiO; CaO – продукт окисления паров
кальция; Al2O3- продукт дипропорционирования и окисления Al2O, AlO.
Во-вторых, мелких частиц компонентов шихты из колошникового слоя,
образованных после контрольного грохочения и отделения мелочи. В
результате переизмельчения при дозировке, транспортировке и загрузке шихты
в печь.
В-третьих, продуктов измельчения компонентов шихты в горне кварцита
и особенно углеродистых материалов в ходе восстановления и разукрупнения
реагирующих частиц при осадке и опиковке шихты.
Все эти дисперсные и мелкие частицы выдуваются реакционными газами
в момент их попадания в горн или их образования и в виде запыленных газов
выносятся на колошник, где разбавляются подсасываемым воздухом, при этом
бесполезно сгорают CO,CH4,H2 и др. углеводороды и, наконец, эта смесь
вытягивается из газосборного зонда по системе газоходов на газоочистку [2].
Выход пыли колеблется в широких пределах (от 300 до 1 000 кг на 1
тонну товарного металла) и представляет сложную проблему для цехов
кремния. До настоящего времени плохо решены вопросы эффективного
выделения пыли из газов, сортировки пыли по каким-то полезным признакам,
ее хранения, ликвидации и реализации как товарного продукта, не говоря о
разработке мер по снижению ее выхода при плавке. Печная пыль сильно
осложняет цехам кремния проблему сохранения окружающей среды, которая
21
обостряется и может явиться решающей в процессе снижения мощностей цехов
по этому признаку [3].
Усредненный состав пыли кремниевого производства ЗАО «Кремний»
приведен в таблице 1.
Таблица 1
Химический состав пыли
Хим.
Ком.
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
Cсв.
Na2O
SO3
P2O5
K2O
TiO2
SiC
Сод,
%
85,41
0,46
0,30
1,50
1,24
6,09
0,08
0,16
0,12
0,31
0,02
5,03
Объяснение факта образования сфероидизированных частиц диоксида
кремния, как попутного продукта в производстве, может быть достигнуто на
базе всестороннего исследования физико-химических закономерностей
высокотемпературных процессов карботермического восстановления данного
металлоида из кремнезема [4].
Результаты исследований пыли кремниевого производства, проведенные
при помощи просвечивающего электронного микроскопа, представлены на рис.
2, 3.
Рисунок 2. Электронное изображение агломератов сфероидизированных частиц
SiO2 и углеродных нанотрубок
22
Рисунок 3. Электронное изображение сфероидизированных частиц SiO2
различного размера и связок углеродных нанотрубок
Детальное изучение термодинамических характеристик системы Si-O-C,
механизма взаимодействий, реализующихся в кремнеплавильной электропечи,
особенностей кинетики отдельных реакций в рассматриваемой системе может
дать понимание процессов, а также позволит разработать эффективные способы
извлечения и использования попутного продукта, который в настоящее время
является отходом.
В последние годы наблюдается активное исследование теоретических
аспектов физико-химических процессов, протекающих в реакционном
пространстве кремниевой рудотермической электропечи. Стремление к
сознательному управлению этими процессами в сложных производственных
условиях, а так же к повышению интенсивности протекания восстановительных
реакций и улучшению качества товарного продукта привело к обстоятельному
изучению их механизма, термодинамических закономерностей, кинетики и
способов интенсификации. Между тем, изученность системы Si-O-C нельзя
назвать достаточной. Более того, опубликованные материалы, посвященные
теоретическим вопросам о взаимодействиях в данной системе в значительной
мере
разноречивы.
Дискуссионными
являются
даже
макроэтапы
восстановительного процесса, не говоря уже о его элементарных стадиях. Такая
несогласованность выводов различных исследователей, вероятно, связана с
чрезвычайно сложным характером взаимодействий в процессе электроплавки
кремния, сопровождающихся образованием промежуточных продуктов твердого карбида кремния (SiC) и газообразного низшего оксида кремния (SiO),
а так же с трудностью постановки высокотемпературных экспериментов и с
различием используемых методик исследования.
23
В результате изучения свойств пыли производства кремния выявлено, что
на 85% она представлена сфероидизированными частицами SiO2, а
образующиеся объемы делают пыль перспективным источником для
производства продукции [5].
Библиографический список
1. Елкин К.С. Производство металлического кремния в России –
состояние и перспективы// «Цветные металлы и минералы 2014»: материалы
шестого междунар.конгресса (16-19 сентября 2014 г.). – Красноярск, 2014. – 2с.
2. Попов С. И. Металлургия кремния в трехфазных руднотермических
печах. – Иркутск: ИПО БГУЭП, 2004. – 237 с.
3. Катков О. М. Выплавка технического кремния: учеб. пособие: Изд-е –2,
Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1999. – 243 с.
4. Немчинова Н.В., Яковлева А.А., Леонова М.С. Распределение примесей
при рудно-термической выплавке кремния// «Вестник ИрГТУ 2013» – Иркутск:
Изд-во ИрГТУ, 2013. – 7 с.
5. Кондратьев В.В. Способы улавливания и характеристика пылевой фазы
производства кремния: монография – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. – 77 с.
УДК 669.711
МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВАЯ БАЗА
АЛЮМИНИЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
В.А. Михалев1, А.А. Тютрин 2
1
студент гр. МЦб-14-1 ИрГТУ, e-mail: big-dragons@mail.ru
2
к.т.н., доцент кафедры металлургии цветных металлов ИрГТУ, e-mail:
an.tu@inbox.ru
Благодаря уникальному комплексу физико-химических, механических и
технологических свойств алюминий стал одним из важнейших
конструкционных материалов, находящих широкое применение в современной
промышленности.
Алюминиевая отрасль отличается жесткой конкуренцией и высокой
концентрацией. Это во многом обусловлено высокими барьерами для
появления в ней новых игроков, связанных со спецификой процесса
производства алюминия [1]. Запасы бокситов, основного сырья алюминиевой
промышленности, очень ограничены – в мире всего семь бокситоносных
районов: западная и центральная Африка (основные залежи в Гвинее); Южная
Америка (Бразилия, Венесуэла, Суринам); Карибский регион (Ямайка);
Океания и юг Азии (Австралия, Индия); Китай; Средиземноморье (Греция и
Турция) и Урал (Россия) (рисунок 1). Основные месторождения бокситов
высокого
качества,
с
содержанием
глинозема
24
Рисунок 1 - Расположение основных бокситоносных районов в мире.
не менее 50%, уже поделены между крупнейшими участниками отрасли.
Другим компаниям остается либо приобретать глинозем на открытом рынке и
быть всецело зависимыми от рыночного колебания цен, либо объединять
усилия с владельцами месторождений [2].
Таким образом, около 90% запасов бокситов сосредоточены в странах
тропического и субтропического поясов – из них 73% приходится на Гвинею,
Бразилию, Ямайку, Австралию и Индию. Больше всего бокситов в Гвинее, при
этом они высокого качества, то есть содержат минимальное количество
примесей кремнезема. Эти страны и являются главными поставщиками
алюминиевого сырья (рисунок 2) [3].
Рисунок 2 - Крупнейшие производители бокситов
и объемы производства 2006г.
25
В качестве сырья для производства алюминия в России, в отличие от
других стран мира, используют не только бокситы, но и нефелиновые руды, из
которых производится 33% выпускаемого в стране металла. Балансовые запасы
бокситов в России составляют 1,44 млрд т, но активно используется лишь
половина запасов (716,2 млн т), заключенных в разрабатываемых и
подготавливаемых к освоению месторождениях; эти запасы составляют всего
2,7% мировых. Прогнозные ресурсы бокситов России по величине превышают
активно используемые запасы и составляют 923,3 млн т, или около 3,5%
мировых.
Наиболее богата бокситами Уральская бокситоносная провинция, она
заключает треть российских запасов, которые разведаны в месторождениях
осадочных бемит-диаспоровых бокситов в карбонатных породах. Все крупные
и средние разрабатываемые месторождения с высококачественными рудами –
Красная Шапочка, Кальинское, Новокальинское и Черемуховское –
сосредоточены в Североуральском бокситоносном районе провинции
(Свердловская область). Бокситы этих месторождений близки по качеству
рудам лучших мировых объектов; их кремневый модуль (отношение
Al2O3/SiO2) колеблется от 12 до 21, в бокситах Гвинеи – от 12 до 40. В то же
время рудные залежи располагаются на больших глубинах и отрабатываются
подземным способом в сложных горнотехнических и гидрогеологических
условиях. В Ивдельском бокситоносном районе Уральской провинции
известны только мелкие месторождения низкокачественных бокситов, а
месторождения Южно-Уральского бокситоносного района полностью
отработаны в 2000 г [2].
Российская минерально-сырьевая база традиционного алюминиевого
сырья характеризуется в целом низким качеством: запасы руд, сравнимых с
зарубежными, невелики и часто находятся в таких горно-геологических
условиях, которые делают их разработку нерентабельной. Государственным
балансом запасов РФ учитывается 57 месторождений бокситов, в том числе 18
– только с забалансовыми запасами. В распределенном фонде недр находится
17 объектов с наиболее качественными рудами. Висловское месторождение
высококачественных бокситов в Белгородской области не востребовано
недропользователями из-за большой глубины залегания руд. Остальные
объекты нераспределенного фонда недр – мелкие по запасам с
низкокачественными рудами.
Библиографический список
1. Гринберг И.С., Зельберг Б.И., Чалых В.И., Черных А.Е.
Электрометаллургия алюминия. - С-Пб.: Изд-во МАНЭБ.- 2005.- 427 с.
2. Русал. [Электронный ресурс], URL: http://www.rusal.ru/
3. USGS. 2011 Minerals Yearbook. Aluminium [Электронный ресурс], URL:
http://minerals.usgs.gov
26
4. Государственный доклад «О состоянии и использовании минеральносырьевых ресурсов Российской Федерации в 2009 году» [Электронный ресурс],
URL: http://www.mnr.gov.ru/
УДК 669.71
ОКИСЛЕНИЕ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
НА ВОЗДУХЕ
1
Кузьмин М.П. , Кузьмина М.Ю.2, Журавлѐва А.С.3
1
магистрант группы МЦМ–13 ИрГТУ, e-mail: mike12008@yandex.ru
к.х.н., доцент кафедры металлургии цветных металлов ИрГТУ, e-mail:
kuzmina.my@yandex.ru
3
магистрант группы МЦМ–13 ИрГТУ, e-mail: zhuravlyova-alina@yandex.ru
2
Алюминий в течение десятилетий является одним из наиболее широко
используемых материалов.
Область применения его обширна – от
производства упаковочных материалов для продуктов питания и изделий
медицинского назначения до производства строительных и теплоизоляционных
материалов, автомобильной и авиационной техники.
Однако при всех
достоинствах алюминий является мягким материалом и легко истирается.
Новые рынки сбыта откроются перед алюминием
в случае придания ему
твердой поверхности, стойкой против истирания. Повышение и так уже
достаточно высокой стойкости против коррозии расширит области применения
алюминия [1–7].
Алюминий химически активен (E0 AL3+/AL = -1,662B). Растворимость
кислорода в очень чистом алюминии составляет от 0,00015 до 0,0003% (масс.)
[1]. При окислении алюминия на нѐм образуется тонкая плѐнка оксида (5–10
нм), благодаря которой он имеет хорошую коррозионную стойкость на воздухе.
Оксидная плѐнка продолжает существовать и после электролитической
полировки металла.
В данной работе изучалась кинетика образования оксидной плѐнки на
поверхности алюминия при комнатной температуре на воздухе, а также в
интервале температур 350–600 °С. В качестве среды рассматривался как сухой,
так и влажный воздух.
По результатам экспериментов, посвященных кинетике роста оксидной
пленки на алюминии при комнатной температуре на воздухе можно сделать
вывод, что при отсутствии влаги рост пленки идет вначале очень быстро, а
затем значительно замедляется. Предельная толщина пленки в этом случае
составляет 2–3 нм. Присутствие паров воды благоприятствует росту оксидной
пленки. В этом случае рост пленки может продолжаться месяцы и даже годы, а
толщина образующейся пленки существенно возрастает. Установлено, что в
сухом воздухе окисление идѐт по обратному логарифмическому закону. Во
влажном воздухе в начале процесса алюминий окисляется по прямому
27
логарифмическому закону, а через 10 часов – по обратному. В процессе роста
плѐнки наблюдалось изменение еѐ электрических свойств, что, по-видимому,
можно объяснить изменением структуры. Эти результаты хорошо совпадают с
данными
полученными Хартом [3], изучавшем кинетику окисления
монокристалла алюминия при низких температурах в атмосфере сухого
кислорода и в кислороде, насыщенном на 80 % парами воды.
Измерения, проведѐнные при более высоких температурах, показали, что
до 300 °C толщина плѐнки на алюминии не превышала 20 нм, тогда как при
500–600 °C толщина плѐнки достигала примерно 200 нм. Затем процесс
окисления практически прекращался. Установлено, что в интервале 350–450 °С
реакция окисления алюминия в сухом воздухе отвечает параболическому
закону, а в интервале 500–600 °С – линейному. Данные эксперимента не
противоречат результатам, полученным при окислении алюминия в интервале
температур 300–550 °С в атмосфере чистого кислорода [3].
Структуру оксидной плѐнки, образовавшейся на алюминии при
окислении его на воздухе, исследовали рентгенографически. Можно
предположить, что оксидные слои на алюминии аморфны при комнатной
температуре. При более высоких температурах (в интервале 400–750 °С)
появляется γ–Al2O3 c кубической структурой.
Оксидные пленки на алюминии состоят из двух слоев. Внутренний слой,
прилежащий к металлу, компактен и его толщина зависит в основном от
температуры. При температурах окружающей среды толщина этого слоя
невелика. Внешний слой, наоборот, порист и его толщина зависит от
продолжительности реакции и от влажности окружающей атмосферы. Наличие
пористого слоя оксида на алюминии нежелательно, так как при этом возможно
ухудшение ряда его технологических свойств.
Результаты исследований планируется использовать при разработке
методов защиты от коррозии алюминиевой катанки, а также для
предотвращения образования толстых окрашенных плѐнок, ухудшающих
внешний вид поверхности некоторых алюминиевых сплавов.
Библиографический список
1. Дамаскин Б.Б. Электрохимия: учебники и учеб. пособие для вузов /
Б.Б. Дамаскин, О.А. Петрий, Г.А. Цирлина. – 2-е изд., испр. и перераб. – М.:
Химия, КолосС, 2006. – 672 с.
2. Лернер Л. // Цветные металлы. –2003. – N6. – С. 84–87.
3. Окисление металлов: в 2 т./под. ред. Ж. Бенара; пер. с фран. – М.:
Металлургия, 1969. – Т. 2. – 444 с.
4. Морачевский А.Г. Термодинамика расплавленных металлических и
солевых систем/ А.Г. Морачевский. – М.: Металлургия, 1987. – 240 с.
5. Юркинский В.П., Фирсова Е.Г., Махалова М.Ю. (Кузьмина М.Ю.),
Морачевский А.Г.// ЖПХ. – 1988. – Т.61. – N 1. – С. 54–60.
28
6. Анфилогова Л.А., Белоусова О.В., Кузьмина М.Ю., Богидаев С.А.//
Известия ВУЗов. Цветная Металлургия. – 2005. – N 2. – С. 17–21.
7. Троицкий И.А. Металлургия алюминия/ И.А. Троицкий. – М.:
Металлургия, 1993. – 398 с.
8. Кузьмина М.Ю. Электрохромные свойства оксидов титана / Кузьмина
М.Ю., Кузьмин М.П. // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. –
2011. – Т1. №1. – С. 115–120.
УДК 669.04
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ЛИТЬЯ НА ВЕЛИЧИНУ
УСАДОЧНЫХ РАКОВИН АЛЮМИНИЕВЫХ ЧУШЕК
Кузьмин М.П.1, Кузьмина М.Ю.2, Журавлѐва А.С.3
1
магистрант группы МЦМ–13 ИрГТУ, e-mail: mike12008@yandex.ru
к.х.н., доцент кафедры металлургии цветных металлов ИрГТУ, e-mail:
kuzmina.my@yandex.ru
3
магистрант группы МЦМ–13 ИрГТУ, e-mail: zhuravlyova-alina@yandex.ru
2
Обострившаяся при кризисе конкуренция производителей алюминия
вызывает необходимость улучшать те показатели качества продукции, которые
ранее не учитывались. Так, было обращено внимание на образование глубоких
усадочных раковин и сопутствующие им усадочных трещин на малогабаритных
алюминиевых чушках. Кроме внешнего вида, наличие данных дефектов влияет
на безопасность переработки продукции, так как при попадании влаги в
трещины при переплавке чушек может произойти выброс металла [1–4].
Целью работы является уменьшение размеров концентрированных
усадочных раковин, минимизация числа раковин, заканчивающихся пустотами
глубоко в теле чушки. Работа проведена на базе технологии и оборудования
ИркАЗа.
На литейном конвейере отобраны и отмечены пять новых изложниц,
которые были равномерно окрашены антипригарной краской в области логотипа
―irkaz-sual‖.
Отработана методика измерения температуры изложниц. Температуру
замеряли бесконтактным прибором «Termopoint» по двум точкам днища – с
одной и с другой стороны изложницы. При измерении температуры в данных
точках угол падения луча был близок к 90°C, что обеспечивало минимальную
погрешность измерения. Отработана методика замера глубины усадочных
раковин (Vр) при помощи линейки и щупа. При наличии 2 – 3 усадочных
раковин для замера выбиралась наиболее глубокая из них.
Исследование проводили в два этапа. На первом этапе выполнялась
серия однофакторных экспериментов по установлению зависимости
29
характеристик усадочных раковин от каждого из следующих факторов при его
фиксации на трѐх уровнях:
– скорость литья: 5±1 чушек/мин;
– температура металла при литье: 700±20 °С;
– температура изложниц: 380±35 °С.
В каждом опыте производили замер температур изложниц и
характеристики усадочных раковин (число и глубину).
Результаты экспериментов представлены на рисунках 1–3 и в таблицах 1–
3.
Глубина усадочных раковин, мм
17
16
15
14
13
12
11
10
3
3,5
4
4,5
5
5,5
6
6,5
7
Скорость литья, чуш/мин
Рисунок 1 – Зависимость глубины усадочных раковин от скорости литья
Таблица 1 – Глубина усадочных раковин при различных скоростях литья, мм
№ изложницы
4
12
12,5
13
13
12
12,5
1
2
3
4
5
среднее
Скорость литья, чушек в минуту
5
13,5
12,5
12,5
11,5
12,5
12,5
6,5
15,5
17
16
17
14
15,9
Примечание: средняя температура изложниц: 370 °С
Глубина усадочных раковин, мм
17
16
15
14
13
12
11
10
680
685
690
695
700
705
710
715
720
725
730
Температура литья, °С
Рисунок 2 – Зависимость глубины усадочных раковин от температуры литья
30
Таблица 2 – Глубина усадочных раковин при различных температурах литья,
мм
№ изложницы
Температура литья, °С
698
726
13,5
16 (трещина менее 1 мм)
14
14,5 (провал или каверна)
15,5
15,5 (трещина менее 1 мм)
16
15,5 (провал или каверна)
12
18 (трещина менее 1 мм)
14,2
16,1
683
13,5
13
12
14
13
13,1
1
2
3
4
5
среднее
Примечание: средняя температура изложниц: 380 – 400 °С.
15
Глубина усадочных раковин, мм
14,5
14
13,5
13
12,5
12
11,5
11
10,5
10
340
350
360
370
380
390
400
410
420
430
Температура изложниц, °С
Рисунок 3 – Зависимость глубины усадочных раковин от интенсивности
охлаждения изложниц
Таблица 3 – Глубина усадочных раковин при различной интенсивности
охлаждения (при изменении температуры изложниц), мм
№ изложницы
1
2
3
4
5
среднее
350
12,5
12,5
13
12
14
12,6
Температура изложниц, °С
380
13
12
13
12,5
13
12,7
420
15
13
16
14,5
14
14,5
Определили
зависимость
глубины
усадочных
раковин
(Vp)
малогабаритных алюминиевых чушек от способа покраски изложниц
противопригарной краской. Покраску производили тонким слоем водного
раствора каолина
Способы покраски изложниц и зависимость величины усадочных раковин
от каждого способа указаны в таблице 4.
Видно, что увеличение площади окраски увеличивает значение Vр.
Окраска области логотипа не влияет на величину Vр. Поэтому рекомендуется
31
красить только логотип, что также способствует возрастанию его стойкости и
срока службы изложницы в целом.
Таблица 4 – Зависимость величины усадочных раковин от способа покраски
изложниц
№
изложницы
Способ покраски
изложницы
1
2
3
4
5
Покрашена полностью
Покрашены стенки
Покрашен логотип
Покрашено днище
Не покрашена
Глубина усадочных раковин, мм
После
После
прохождения
прохождения
Среднее
изложниц 1
изложниц 2
круга
круга
14
15
14,5
14
15
14,5
12
14
13
14
15
14,5
13
13
13
Наблюдения показали, что в наибольшей степени глубину раковин
увеличивает толстый слой краски на донной части изложницы. В таком случае
нарушается заданная направленность затвердевания металла – снизу-вверх.
Последние порции жидкости остаются как в верхней, так и в средней части
чушки. Верхняя открытая усадочная раковина соединяется с небольшой
раковиной в глубине чушки с образованием глубоких каверн.
Был опробован другой способ формирования направленного
затвердевания – утепление верха чушки. Верх утепляли путѐм укрытия
листовым асбестом. Но, в данном случае значимых результатов не получили.
Видимо, это связано со слабым воздействием теплоотвода от верхней части
чушек на характер затвердевания. Подавляющая масса тепла отводится через
изложницу.
В результате проведения работы определены рациональные
технологические параметры, которые не уменьшают производительность литья
чушек, но в то же время обеспечивают низкий уровень усадочных дефектов.
Библиографический список
1. Степанов Ю.А. Технология литейного производства: учеб. для вузов /
Ю.А. Степанов, Г.Ф. Баландин, В.А. Рыбкин; под ред. Ю.А. Степанова. – М.:
Машиностроение, 1983. – 287 с.
2. Михайлов А.М. Литейное производство / А.М. Михайлов, Б.В. Бауман,
Б.Н. Благов; под ред. А.М. Михайлова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.:
Машиностроение, 1987. – 256 с.
3. Лернер Л. // Цветные металлы. – 2003. – N6. – С. 84–87.
4. Кузьмин М.П. Ликвация и повышение качества проб литейных
алюминиевых сплавов / Кузьмин М.П., Кузьмина М.Ю. // Вестник ИрГТУ. –
2013. – № 12 (83). – С. 156–162.
32
УДК 669.713.7(075.8)
ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА АНОДНОЙ МАССЫ
А.А. Пьявкина1, Н.В. Немчинова2
1
студент гр. МЦ -10 ИрГТУ, e-mail: pyavkinaa@mail.ru
2
д.т.н., заведующая кафедрой МЦМ ИрГТУ, e-mail: ninavn@istu.edu
Алюминиевая промышленность является крупнейшей отраслью цветной
металлургии. По объему производства и потребления алюминий значительно
опережает выпуск всех остальных цветных металлов. Высокие темпы прироста
производства обусловлены уникальными физико-химическими свойствами
металла, благодаря которым он нашел широкое применение в авиа – и
автостроении, транспорте, электронике, строительстве и прочих областях.
Алюминий в земной коре встречается преимущественно в виде
соединений с кислородом и кремнием, то есть в форме алюмосиликатов и
является самым распространенным металлом. К алюминиевым рудам относятся
бокситы, нефелины, алуниты и каолины. Основной промышленной рудой
являются бокситы.
Бокситы – сложная горная порода, содержащая гидраты окислов
алюминия, окислы железа, кремния, титана и ряду других элементов в виде
различных минералов. Бокситы содержать примерно – 50-60% Al2O3, 1-15%
SiO2, 2-25% Fe2O3, 2-4% TiO2, 10-30% H2O. Основным исходным материалом в
производстве алюминия является – глинозѐм Al2O3 [1].
Электролитическое
получение
алюминия
осуществляется
в
электролизерах. Основными конструктивными элементами электролизера
являются: катодное устройство, анодное устройство, ошиновка и механизм
перемещения анодного устройства [2].
Аноды алюминиевых электролизеров должны удовлетворять целому ряду
требований. Основные из них:
– высокая электропроводность;
– стойкость против разъедания их криолито-глиноземным расплавом;
– устойчивость к воздействию высокой температуры;
– достаточная механическая прочность;
– низкая стоимость;
– низкая зольность.
Эти требования резко ограничивают выбор материалов для изготовления
анодов. Наиболее подходящими по физико-химическим свойствам являются
углеродистые материалы.
Основная роль в производстве алюминия в России остается за
электролизерами с самообжигающимися анодами с верхним токоподводом,
преимущества которых перед обожженными заключается в более низкой
стоимости анодной массы (исключаются дорогие операции прессования и
обжига анодов), а также в отсутствии огарков (использование их в
производстве затруднено, а стоимость высока). На большинстве российских
33
заводов (в том числе и на крупнейшем - ОАО «РУСАЛ Братск» ОК «Русал»
(ранее Братский алюминиевый завод) - металл получают в электролизерах с
непрерывным самообжигающимся анодом (рис. 1).
9
10
8
7
6
11
5
4
3
2
1
1
1 – стойка; 2 – анод; 3 – газосборный колокол; 4 – анодный кожух; 5 – анодный
штырь; 6 – алюминиевая штанга штыря; 7 – зажим; 8 – домкрат основного механизма;
9 – электродвигатель основного механизма подъема анода; 10 – электродвигатель
вспомогательного механизма подъема; 11 – горелка.
Рисунок 1. Электролизер с самообжигающимся анодом с ВТ (продольный разрез)
Исходным продуктом для анодов является анодная масса, которая
состоит из твердого материала и связующего вещества. Твердые материалы
представляют собой основу будущего анода, а связующее, коксуясь при
высокой температуре, связывает частицы твердых материалов в монолитный
блок. В качестве твердых материалов применяют нефтяной и пековый кокс, а
роль связующего вещества играет каменноугольный пек [2].
Каменноугольный пек получается как остаток при перегонке
каменноугольной смолы. Основные свойства пека:
– постоянная температура размягчения;
– показатель вязкости при температуре 180°C;
– содержание летучих веществ, не растворимых в толуоле;
– коксовый остаток.
Свойства пека зависят от природы и качества исходного материала для
получения смолы, условий ее получения и способа перегонки.
Для достижения высоких показателей электролиза анодная масса должна
отвечать следующим требованиям: в жидкотекучем состоянии иметь
оптимальные пластичность и вязкость; не расслаиваться; не вытекать из-под
анода при его подъѐме; не прилипать к поверхности анодного кожуха.
34
В зависимости от содержания связующего анодная масса может быть
«жирной» и «сухой». Преимущество «сухой» анодной массы заключается в
том, что количество пека в ней меньше и составляет 25-27%, что на 2-4%
меньше, чем в «жирной». Меньшее количество пека означает лучшее качество
анода (съѐм угольной пены сокращается на 15-20 кг/т), меньший расход
электроэнергии (падение напряжения в аноде уменьшается на 80 мВ), а степень
выделения бенз/а/пирена и других вредных выбросов в атмосферу сокращается.
При выпуске каждой тонны алюминия в окружающую среду
выбрасывается от 9,3 до 19,8 кг смолистых веществ, наибольшую опасность
представляет бенз/а/пирен. Выбросы увеличиваются в 1,5-1,6 раза при
перестановке штырей.
В настоящее время снижение выбросов с поверхности анода
обеспечивается применением в качестве связующего в производстве анодной
массы пеков с высокой температурой размягчения, а из лунки анода –
использованием подштыревой анодной массы, которую загружают сразу после
извлечения штыря [4].
Библиографический список
1. Лакерник М.М., Севрюков Н.Н. Металлургия цветных металлов. – М.:
Металлургиздат, 1957. – 535 с.
2. Электрометаллургия алюминия: учеб. пособие / И.С. Гринберг, Б.И.
Зельберг, В.И. Чалых [и др.]. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. – 404 с.
3. Гринберг И.С. Технология самообжигающихся анодов электролизеров
для производства алюминия: учеб. пособие. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1996. –
107 с.
4. Шахрай С.Г., Коростовенко В.В. Сокращение выбросов смолистых
веществ при электролитическом производстве алюминия // Известия вузов.
Цветная металлургия. – М.:МИСиС, 2012 – № 6. – С. 60-63
УДК 546.62
ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
Г.Т. Рахимов1, С.С. Бельский2
1
студент гр. МЦб-14, ИрГТУ, e-mail: rahimov1995@mail.ru
2
к.т.н., доцент кафедры металлургии цветных металлов, ИрГТУ, e-mail:
bss@istu.edu
В настоящее время алюминий и его сплавы используют практически во
всех областях современной техники. Важнейшие потребители алюминия и его
сплавов - авиационная и автомобильная отрасли промышленности,
железнодорожный и водный транспорт, машиностроение, электротехническая
промышленность и приборостроение, промышленное и гражданское
строительство, химическая промышленность, производство предметов
народного потребления.
35
Большинство алюминиевых сплавов имеют высокую коррозионную
стойкость в естественной атмосфере, морской воде, растворах многих солей и
химикатов и в большинстве пищевых продуктов. Конструкции из алюминиевых
сплавов часто используют в морской воде. Морские бакены, спасательные
шлюпки, суда, баржи строятся из сплавов алюминия с 1930 г. В настоящее
время длина корпусов кораблей из сплавов алюминия достигает 61 м.
Существует опыт алюминиевых подземных трубопроводов, сплавы алюминия
обладают высокой стойкостью к почвенной коррозии. В 1951 году на Аляске
был построен трубопровод длиной 2,9 км. После 30 лет работы не было
обнаружено ни одной течи или серьѐзного повреждения из-за коррозии [1].
Алюминий в большом объѐме используется в строительстве в виде
облицовочных панелей, дверей, оконных рам, электрических кабелей.
Алюминиевые сплавы не подвержены сильной коррозии в течение длительного
времени при контакте с бетоном, строительным раствором, штукатуркой,
особенно если конструкции не подвергаются частому намоканию. При частом
намокании, если поверхность алюминиевых изделий не была дополнительно
обработана, он может темнеть, вплоть до почернения в промышленных городах
с большим содержанием окислителей в воздухе. Для избежания этого
выпускаются специальные сплавы для получения блестящих поверхностей
путѐм блестящего анодирования - нанесения на поверхность металла оксидной
плѐнки. При этом поверхности можно придавать множество цветов и оттенков.
Например, сплавы алюминия с кремнием позволяют получить гамму оттенков,
от серого до чѐрного. Золотой цвет имеют сплавы алюминия с хромом [2].
В промышленности используются также и алюминиевые порошки.
Применяются в металлургической промышленности: в алюминотермии, в
качестве легирующих добавок, для изготовления полуфабрикатов путѐм
прессования и спекания. Этим методом получают очень прочные детали
(шестерни, втулки и др.). Также порошки используются в химии для получения
соединений алюминия и в качестве катализатора (например, при производстве
этилена и ацетона). Учитывая высокую реакционную способность алюминия,
особенно в виде порошка, его используют во взрывчатых веществах и твѐрдом
топливе для ракет, используя его свойство быстро воспламеняться.
Учитывая высокую стойкость алюминия к окислению, порошок
используются в качестве пигмента в покрытиях для окраски оборудования,
крыш, бумаги в полиграфии, блестящих поверхностей панелей автомобилей.
Также слоем алюминия покрывают стальные и чугунные изделия во избежание
их коррозии.
По масштабам применения алюминий и его сплавы занимают второе
место после железа (Fe) и его сплавов. Широкое применение алюминия в
различных областях техники и быта связано с совокупностью его физических,
механических и химических свойств: малой плотностью, коррозионной
стойкостью в атмосферном воздухе, высокой тепло - и электропроводностью,
пластичностью и сравнительно высокой прочностью. Алюминий легко
36
обрабатывается различными способами - ковкой, штамповкой, прокаткой и др.
Чистый
алюминий
применяют
для
изготовления
проволоки
(электропроводность алюминия составляет 65,5% от электропроводности меди,
но алюминий более чем в три раза легче меди, поэтому алюминий часто
заменяет медь в электротехнике) и фольги, используемой как упаковочный
материал. Основная же часть выплавляемого алюминия расходуется на
получение различных сплавов. На поверхности сплавов алюминия легко
наносятся защитные и декоративные покрытия.
Разнообразие свойств алюминиевых сплавов обусловлено введением в
алюминий различных добавок, образующих с ним твердые растворы или
интерметаллические соединения. Основную массу алюминия используют для
получения легких сплавов - дуралюмина (94% - алюминий, 4% медь (Cu), по
0,5% магний (Mg), марганец (Mn), железо (Fe) и кремний (Si)), силумина (8590% - алюминий, 10-14% кремний (Si), 0,1% натрий (Na)) и др. В металлургии
алюминий используется не только как основа для сплавов, но и как одна из
широко применяемых легирующих добавок в сплавах на основе меди (Cu),
магния (Mg), железа (Fe), >никеля (Ni) и др.
Сплавы алюминия находят широкое применение в быту, в строительстве
и архитектуре, в автомобилестроении, в судостроении, авиационной и
космической технике. В частности, из алюминиевого сплава был изготовлен
первый искусственный спутник Земли. Сплав алюминия и циркония (Zr) широко применяют в ядерном реакторостроении. Алюминий применяют в
производстве взрывчатых веществ. При обращении с алюминием в быту нужно
иметь в виду, что нагревать и хранить в алюминиевой посуде можно только
нейтральные (по кислотности) жидкости (например, кипятить воду). Если,
например, в алюминиевой посуде варить кислые щи, то алюминий переходит в
пищу, и она приобретает неприятный "металлический" привкус. Поскольку в
быту оксидную пленку очень легко повредить, то использование алюминиевой
посуды все-таки нежелательно.
Использование алюминия и его сплавов во всех видах транспорта и в
первую очередь - воздушного позволило решить задачу уменьшения
собственной ("мертвой") массы транспортных средств и резко увеличить
эффективность их применения. Из алюминия и его сплавов изготовляют
авиаконструкции, моторы, блоки, головки цилиндров, картеры, коробки
передач. Алюминием и его сплавами отделывают железнодорожные вагоны,
изготовляют корпуса и дымовые трубы судов, спасательные лодки, радарные
мачты, трапы. Широко применяют алюминий и его сплавы в
электротехнической
промышленности
для
изготовления
кабелей,
шинопроводов, конденсаторов, выпрямителей переменного тока. В
приборостроении алюминий и его сплавы используют в производстве кино - и
фотоаппаратуры, радиотелефонной аппаратуры, различных контрольноизмерительных приборов. Благодаря высокой коррозионной стойкости и
нетоксичности алюминий широко применяют при изготовлении аппаратуры
37
для производства и хранения крепкой азотной кислоты, пероксида водорода,
органических веществ и пищевых продуктов. Алюминиевая фольга, будучи
прочнее и дешевле оловянной, полностью вытеснила ее как упаковочный
материал для пищевых продуктов. Все более широко используется алюминий
при изготовлении тары для консервирования и храпения продуктов сельского
хозяйства, для строительства зернохранилищ и других быстровозводимых
сооружений. Являясь одним из важнейших стратегических металлов,
алюминий, как и его сплавы, широко используется в строительстве самолетов,
танков, артиллерийских установок, ракет, зажигательных веществ, а также для
других целей в военной технике.
Алюминий высокой чистоты находит широкое применение в новых
областях техники - ядерной энергетике, полупроводниковой электронике,
радиолокации, а также для защиты металлических поверхностей от действия
различных химических веществ и атмосферной коррозии. Высокая отражающая
способность такого алюминия используется для изготовления из пего
отражающих поверхностей нагревательных и осветительных рефлекторов и
зеркал. В металлургической промышленности алюминий используют в
качестве восстановителя при получении ряда металлов (например, хрома,
кальция, марганца) алюмотермическими способами, для раскисления стали,
сварки стальных деталей.
По масштабам производства и значению в хозяйстве алюминий прочно
занял первое место среди других цветных металлов [3].
Библиографический список:
1. Багров, Н.М. Основы отраслевых технологий [Текст] учебное пособие /
Н.М. Багров, - СПб.: Изд-во СПбГУЭФ, 2006, - 251с.
2. Горынин, И.В. Алюминиевые сплавы. Применение алюминиевых
сплавов [Текст] справочное руководство / И.В. Горынин, М.: 1978,-с.145.
3. Ключников, Н.Г. Алюминий [Текст] учебное пособие / Н.Г.
Ключников, А.Ф. Колодцев, М.: 2001,-с.67.
УДК 669.21.053.4
СПОСОБЫ ВСКРЫТИЯ УПОРНЫХ ЗОЛОТОСОДЕРЖАЩИХ РУД
И КОНЦЕНТРАТОВ
Р.Н. Набиулин1, Т.С. Минеева2
1
студент гр. МЦМ-10 ИрГТУ, e-mail: nabiulinrus@mail.ru
2
к.т.н., доцент кафедры металлургии цветных металлов ИрГТУ, e-mail:
kafmcm@istu.irk.ru
Вовлечение в переработку упорных сульфидных золотосодержащих руд и
концентратов является актуальной проблемой для мировой и российской
золотодобывающей промышленности. На долю таких руд по оценкам экспертов
приходится около 30 % мирового запаса золота. [1]
38
Основной проблемой переработки данного вида сырья по классической
цианистой технологии является низкое извлечение благородных металлов и
высокий расход реагентов.
В мировой практике разработаны различные способы вскрытия
«упорного» золота. Наиболее широко применяемыми из них являются
окислительный обжиг, автоклавное вскрытие и бактериальное окисление.
Окислительный обжиг
При окислительном обжиге золотосодержащие сульфиды окисляются и
превращаются в пористую, хорошо проницаемую для цианистых растворов
массу оксидов. Последующее выщелачивание огарка позволяет перевести
вскрытое золото в цианистый раствор.
Показатели окислительного обжига зависят от ряда параметров, из
которых наиболее важна температура. При недостаточно высокой температуре
обжига (ниже 500 °С) скорость окислительных реакций невелика и в огарке
может присутствовать заметное количество неполностью окисленных частиц
пирита. Цианирование такого огарка сопровождается значительными потерями
золота вследствие его недостаточно полного вскрытия. С повышением
температуры обжига окисление пирита протекает быстрее и полнее. Однако
при температурах, превышающих 900—950 °С, возможно частичное
оплавление огарка вследствие образования относительно легкоплавких
эвтектических смесей. Появление расплава ведет к спеканию материала и
получению
плотных
малопористых
огарков,
плохо
поддающихся
цианированию.
Установлено, что оптимальная температура обжига сульфидных
концентратов зависит от их вещественного состава и колеблется в пределах
500—700 °С.[1]
Недостатком данного способа вскрытия упорных концентратов являются
токсичные газовые выбросы диоксида серы в атмосферу и получение
высокотоксичного триоксида мышьяка, который пользуется ограниченным
спросом и поэтому подлежит «захоронению» в подземных хранилищах,
изолированных от действия грунтовых вод.
Бактериальное окисление
Альтернативой окислительному обжигу являются гидрометаллургические
способы вскрытия упорного сырья, одним из которых является бактериальное
окисление.
39
Бактериально-химическое вскрытие упорных золотосодержащих руд и
концентратов как метод подготовки их к цианированию относится к числу
наиболее "молодых" технологических разработок в золотодобывающей
промышленности. Метод основан на использовании установленного факта, что
в присутствии микроорганизмов, в частности, автотрофных бактерий типа
"Thibacillus ferrooxidans, T.f." (рисунок 1), золотосодержащие сульфиды железа
окисляются до конечных химических соединений (сульфат и арсенат железа,
серная кислота) без применения высоких
давлений и температур. Освобождающееся
при этом золото становится доступным для
выщелачивания цианистыми растворами.
Для обеспечения активной деятельности
бактерий, особенно в начальный период
биоокислительного
процесса,
в
выщелачивающую среду вводят серную
кислоту, питательные добавки и кислород Рис. 1 Строение клетки Т.
ferrooxidans: 1 — слизистая
(воздух). [1,2]
капсула; 2 — клеточная защитная
Обязательной
также
является стенка; 3—мезосомы (внутренние
предварительная адаптация бактерий к мембраны); 4 — клеточная
(внешняя) мембрана;
5
—
выщелачиваемому
сырью.
Применение цитоплазма; 6 — нуклеоид; 7 —
адаптированных штаммов микроорганизмов рибосома; 8— жгутик
является одним из существенных факторов
интенсификации
окислительных
бактериальных процессов и дает возможность осуществлять эти процессы при
достаточно высоких концентрациях в растворах меди, цинка, мышьяка,
серебра, железа (III) и других ингибирующих примесей [1] и производить
достаточно полное извлечение этих металлов из руд.
Скорость биологического окисления зависит от типа сульфидных
минералов. Так, например, арсенопирит окисляется бактериями быстрее, чем
пирит, а пирит, в свою очередь, — быстрее, чем марказит. Значение имеет и
кристаллография минералов: отмечено, что пирит в различных изоморфных
формах окисляется с разной скоростью.
С учетом этих обстоятельств бактериальное окисление в чановом
варианте предпочтительнее для обработки продуктов, в которых золото
ассоциировано с быстро окисляющимися сульфидами. Время обработки в этом
случае составляет 24—30 ч.
Другим технологическим вариантом бактериального окисления является
кучное выщелачивание с использованием специально подготовленных
площадок, на которых дробленая руда подвергается обработке в течение
нескольких месяцев.[2]
Автоклавное вскрытие
Развитие этого способа кондиционирования упорных руд обусловлено
двумя причинами: установлением новых норм ПДК на содержание диоксида
40
серы и триоксида мышьяка в атмосфере и высоким извлечением золота (по
сравнению с обжигом) при последующем цианировании.
Рис. 2. Четырехсекционный горизонтальный автоклав, футерованный кирпичом и свинцом: 1
— перемешивающее устройстно; 2— перегородка между секциями; 3 — погружная труба; 4
— блок обслуживания; 5 — люки; 6 — двигатель; 7— вал мешалки.
Автоклавное вскрытие применимо для переработки как флотационных
концентратов, так и непосредственно руд (с высоким содержанием
благородных металлов). Труднообогатимые руды, флотационное обогащение
которых сопровождается значительными потерями золота с хвостами, также
целесообразно подвергать прямому автоклавному выщелачиванию.
При автоклавном процессе концентрат обычно обрабатывают серной
кислотой для нейтрализации карбонатов кальция или магния, которые часто
присутствуют в золотосодержащих рудах. Если этого не делать до автоклавного
выщелачивания, кислота, выделяющаяся в автоклаве за счет окисления пирита,
будет разлагать карбонаты и генерировать в автоклаве СO2. В результате
парциальное давление кислорода уменьшится, а скорость окисления сульфидов
снижается.
Для
автоклавного
выщелачивания
применяют
горизонтальные
многокамерные автоклавы, футерованные кислотостойким кирпичом (рисунок
2). Процесс ведут при 430-500 К и давлении кислорода 0,2-0,7 МПа (общее
давление в автоклаве 1,8-3,2 МПа); эти условия практически исключают
образование элементной серы. Необходимая продолжительность автоклавного
выщелачивания обычно не превышает 1,0-1,5 ч. [3-7]
Извлечение в раствор мышьяка, железа и серы колеблется в широких
пределах и зависит от химического и минерального состава выщелачиваемого
сырья, температуры автоклавного окисления, плотности пульпы, кислотности
раствора.
Окисление
арсенопирита
и
пирита
протекает
с
большим
тепловыделением, поэтому процесс автоклавного выщелачивания можно
осуществлять автогенно, что благоприятно сказывается на экономике процесса.
Библиографический список
1. Лодейщиков В.В. Технология извлечения золота и серебра из упорных
руд / ОАО «Иргиредмет». – Иркутск, 1999. – 2 т. – 786 с.
41
2. Металлургия благородных металлов: Учебник. В 2-х кн. Кн. 1 / Ю.А.
Котляр, М.А. Меретуков, Л.С. Стрижко - М.: МИСИС., Издательский дом
«Руда и Металлы», 2005. - 432 с.
3. Автоклавная гидрометаллургия цветных металлов: учебник/ С. С.
Набойченко [и др.]. – Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, т.1, 2008. –375 с.;
т.2, 2009.–611с.; т.3, 2009.– 281с.
4. Conway M.H., Gale D.C //JOM. 1990. V.42, №9. P. 19-22.
5. Mason P.G. //JOM. 1990. V.42, №9. P. 15-18.
6. Набиулин Р.Н., Минеева Т.С. Автоклавное вскрытие упорных руд и
концентратов // Переработка природного сырья: сборник научных трудов
студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученных химикометаллургического факультета.- Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013.- С. 77-80.
7. Захаров Б.А, Меретуков М.А. Золото: упорные руды.-М.: Издательский
дом «Руда и Металлы», 2013.-452 с.
УДК 546.28
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ НА ОСНОВЕ
КРЕМНИЯ
О.Е. Бельская1, С.С. Бельский2
1
магистрант гр. МЦм-13-1, ИрГТУ, e-mail: bss@istu.edu
2
к.т.н., доцент кафедры металлургии цветных металлов, ИрГТУ, e-mail:
bss@istu.edu
Солнечная энергетика является одним из наиболее быстрорастущих
секторов мировой энергетики. Согласно прогнозу компании «Solar Plaza»,
ежегодный прирост продаж солнечных батарей и панелей в 2008-2012 гг.
составит 30-45 % [1].
Прямое преобразование солнечного излучения в электрический ток
осуществляется с помощью полупроводниковых фотоэлементов – солнечных
батарей [2], основными материалами для изготовления которых являются
кремний и арсенид галлия (GaAs). GaAs обеспечивает более высокий КПД
фотопреобразования – до 22 % (у Si – ≈ 17 %), но он существенно дороже
кремния. К тому же промышленное производство кремния в настоящее время
является более освоенным. По этим причинам он и является основным
материалом для изготовления солнечных
батарей [3].
Объем кремния, используемого для производства солнечных элементов,
составил в 2001 г. ≈ 4 000 т. К 2012 г. для обеспечения потребностей рынка
понадобится ≈ 50 000 т. кремния солнечного сорта.
В связи с устойчивым ростом спроса ведущие фирмы-производители
кремния, солнечных батарей и модулей расширяют производственные
мощности и выпуск указанной продукции.
42
В 2005 г. мировой выпуск солнечных батарей и модулей по данным
«Prometheus Institute» составил 1,8 ГВт, а в 2006 г. – 2,2 ГВт. Даже согласно
наиболее консервативным прогнозам в 2012-2013 гг. прирост оценивается в 37,
57 и 83 %.
Основное место в структуре выпуска в 2005 г. занимали изделия из
поликристаллического и монокристаллического кремния (соответственно 56,3 и
27,6 %), аморфного (6,9 %) и ленточного кремния (3,0 %); доля солнечных
батарей и модулей с использованием тонкопленочных технологий составляла
6,1 %.
Нехватка кремния является одной из наиболее серьезных сдерживающих
факторов роста мировой солнечной энергетики. На первых этапах развития
отрасли ее доля в мировом потреблении кремния составляла 5-10 %, а в конце
текущего десятилетия данный показатель увеличился ≈ до 50 % [1].
В настоящее время количество скрапа, используемого для производства
солнечных батарей, на рынке ограничено и составляет
≈ 3 000 т.
Дефицит кремния сказывается на увеличении его стоимости. Так, за период со
второй половины 2004 г. по конец 2005 г. контрактная цена
поликристаллического кремния увеличилась на 80 % и достигла
60
долл./кг, а в 2006 г. выросла до 80 долл./кг. Цена поликристаллического
кремния на рынке наличного товара уже в начале 2006 г. достигала 140
долл./кг. При этом «солнечная» индустрия потребила почти 35 % всего
проданного в 2006 г. поликристаллического кремния [4].
Что касается увеличения объемов производства технического кремния, то
эта задача вполне осуществима, однако качество получаемого в электродуговой
печи технического кремния даже после рафинирования не отвечает
требованиям, предъявляемым к кремнию для солнечной энергетики, и требует
более глубокой очистки.
Добиваться повышения чистоты рафинированного кремния необходимо
уже на первой стадии его производства (при карботермическом
восстановлении), при этом необходимо уделять особое внимание подбору
высокочистого рудного сырья и углеродистых восстановителей с низким
содержанием золы.
Для обеспечения потребностей в кремнии солнечного качества
необходима разработка такой технологии получения высокочистого кремния,
которая позволяла бы получать дешевый материал в достаточном для
потребителей количестве. Исследователи разных стран интенсивно работают в
этом направлении.
Библиографический список:
1. Бюллетень иностранной коммерческой информации, № 4-5 (92509251), 17.01.2008.
2. http://www.megatakt.ru/fex/2006s1/310/default.asp
3. http://www.radioradar.net/hand_book/documentation/sun_bat.html
43
4. http://www.electronics.ru/pdf/4_2007/1631.pdf
УДК 004.94
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ
А.Э. Бараускас1, С.С. Бельский2
1
студент гр. МЦб-12-1, ИрГТУ, e-mail: alena.barauskas@mail.ru
2
к.т.н., доцент кафедры металлургии цветных металлов, ИрГТУ, e-mail:
bss@istu.edu
Термодинамическое (ТД) моделирование приобретает все большее
практическое значение, так как технология промышленных процессов
усложняется, путь от постановки задачи до ее решения становится все длиннее,
и именно ТД методы призваны в значительной степени сократить затраты
технологов и исследователей.
Область применения методов ТД моделирования весьма обширна. Это
фазовые и химические равновесия в растворах, равновесия в геохимических
процессах, при переработке нефти, угля, процессы переработки газообразного
сырья и получения конденсированных материалов, разделение веществ и
рафинирование различных металлов и материалов, осаждение пленок из
газовой фазы, металлургические процессы. Термодинамику можно
использовать в качестве основы при проведении исследований для анализа и
установления связей между составом находящихся в равновесии фаз,
электрохимическими параметрами, изменением энтальпии, обусловленным
химическими процессами и фазовыми превращениями, давлением в системе,
удельной теплоемкостью, температурой фазовых переходов, плотностью,
коэффициентами сжимаемости, расширением и другими свойствами.
При ТД анализе преследуется цель произвести согласование отдельных,
связанных между собой измерений и получить наиболее полную картину
поведения данной системы в различных условиях.
С помощью основных ТД соотношений можно не только представить
исходные данные в компактном виде, но также обнаружить и устранить
несоответствия между ними или предсказать свойства системы, которые
невозможно наблюдать экспериментально. Фазовые равновесия в сложных
химических системах можно моделировать на основе анализа данных,
полученных для более простых подсистем. Если эти данные рассматривать
совместно, то можно делать предсказания относительно фазового равновесия и
ТД свойств очень больших систем. Возможность получения надежных
расчетных данных для таких больших систем весьма ценна, так как при
использовании материалов, состоящих из многих компонентов, возникают
большие проблемы. Экспериментальные исследования данных систем не
позволяют надеяться, что в ближайшее время удастся удовлетворительно
44
исследовать их в интересующих температурных и концентрационных
интервалах и при необходимых давлениях за короткий (оптимальный)
промежуток времени при минимальных капиталовложениях. В таких случаях
ТД анализ и последующие расчеты могут либо полностью разрешить проблему,
либо указать пути и области, в которых необходимо провести дополнительные
экспериментальные исследования.
Большое распространение получили методы, основанные на
вариационных принципах термодинамики. В качестве примера можно привести
принцип минимизации энергии Гиббса; минимизации потенциала Д.С.
Коржинского; методы, основанные на поиске максимума энтропии и
соответствующие равновесному состоянию системы. Данные подходы
обладают высокой универсальностью и могут быть применены для нахождения
равновесия многокомпонентных и многофазных систем.
Несмотря на многочисленные исследования, вопрос о химическом
механизме процессов окисления, в том числе и высокотемпературного, все еще
остается спорным. Наличие нескольких, во многом противоречивых
представлений, обусловлено сложностью самого процесса и затруднениями при
его экспериментальном изучении. В таких условиях модельный эксперимент
дает возможность с высокой точностью рассчитать ТД равновесия в
мультисистеме, качественно и количественно исследовать процесс со всем
многообразием протекающих при этом реакций. Определение равновесного
фазового и компонентного состава осуществляется в процессе минимизации
свободной энергии (энергии Гиббса) всей мультисистемы [1].
Целесообразность такого ТД анализа (с применением методов
минимизации свободной энергии Гиббса) определяется наличием достаточно
надежных, основных ТД свойств веществ, опираясь на которые можно сделать
обоснованные предположения о продуктах реакции. По мере накопления
соответствующих данных применение ТД анализа в современных
исследованиях получает все более широкое
распространение [2].
В настоящее время можно выделить три основных программных
комплекса (ПК), основанных на принципе минимизации свободной энергии (по
Д. Гиббсу) и отвечающих задачам моделирования физико-химических
процессов. Первым в 1973 г был разработан ПК «Селектор», позволяющий
использовать мультисистемы с любым набором фаз, превышающим реальное
их число, применять критерии равновесия при расчете фаз [3]. Данный ПК
предназначался
для
физико-химического
моделирования
процессов
минералообразования. ПК «Гиббс» предполагает использование различных
наборов ограниченного числа фаз, определение равновесного состава путем
последовательного перебора фаз (год создания – 1976) [4]. Определение
равновесного состава путем расчета в системе максимума энтропии,
ограничения на использование «фаз – растворов» электролитов, является
основной особенностью алгоритма минимизации и расчета равновесных
составов ПК «Астра», разработанного в 1982 г. [5].
45
ПК «Селектор» по сравнению с другими («Гиббс», «Астра») хорошо
адаптирован к моделированию металлургических процессов. Особенностью
данной программы было то, что она позволяла осуществить минимизацию
свободной энергии в ТД системе, включающей впервые (наряду с
газообразными и твердыми фазами) водный раствор электролита. На
сегодняшний день данный ПК является благодаря глубоким теоретическим
разработкам в течение более 30 лет наиболее универсальным и методически
обоснованным программным продуктом, получившим большую известность у
нас в стране и за рубежом.
Библиографический список
1. Чудненко К.В. Теория и программное обеспечение метода
минимизации термодинамических потенциалов для решения геохимических
задач / К.В. Чудненко // Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. доктора геол.минерал. наук. – Иркутск: ИрГТУ, 2007. – 54 с.
2. Стал Д. Химическая термодинамика органических соединений / Д.
Стал, Э. Вестрам, Г. Зинке. – М.: Изд-во «Мир», 1971. – 944 с.
3. Казьмин Л.А. Алгоритмы и программы / Л.А. Казьмин, О.А.
Халиулина, И.К. Карпов. – М.: ВИНИТИ-центр, 1975. – № 3. – С. 18.
4. Шваров Ю.В. Расчет равновесного состава в многокомпонентной
гетерогенной системе / Ю.В. Шваров // Докл. АН СССР, 1976. Т. 229. – № 5. –
С. 1224.
6. Синярев Г.Б. Применение ЭВМ для термодинамических расчетов
металлургических процессов / Г.Б. Синяев, Н.А. Ватолин, Б.Г. Трусов, Г.К.
Моисеев. – М.: Наука, 1982. – 96 с.
УДК 546.28
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРИМЕСЕЙ В КРЕМНИИ НА ЕГО
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
С.Н. Кастаев1, С.С. Бельский2
1
магистрант гр. МЦм-14-1, ИрГТУ, e-mail: Stanislav.Kastaev@rusal.com
2
к.т.н., доцент кафедры металлургии цветных металлов, ИрГТУ, e-mail:
bss@istu.edu
Для изготовления солнечных элементов на основе кремния возможна
концентрация примесей в нем ≈ 1017 ат/см3 [1]. КПД фотоэлектрических
преобразователей (т.е. способность эффективно преобразовывать солнечную
радиацию в электроэнергию) зависит от электрических свойств кремния,
используемого для изготовления солнечных элементов. А, в свою очередь,
электрические свойства кристаллов данного кремния в значительной степени
зависят от наличия примесей. К наиболее вредным примесям в кремнии
относятся Ti, Fe, V, B, Cr, Ni, P, Al, С, Mo, W, Ca, К, Li, As, O [1,2]. Влияние
металлических примесей на КПД солнечного элемента показано на рис. 1,
46
приведена зависимость нормализованного КПД (отношение КПД солнечного
элемента из кристалла с высоким содержанием примесей к КПД солнечного
элемента из высокочистого кристалла, выращенного по методу Чохральского)
от концентрации металлических примеcей. Видно, что наиболее сильно на КПД
влияют такие примеси, как Ti, V и Fe, в то время как Сu, Al и Ni начинают
оказывать заметное влияние лишь при концентрациях ≈1016 ат/см3. Cu, которая
обычно сильнее других примесей влияет на свойства полупроводниковых
приборов, в данном случае оказывается довольно безвредной. По всей
вероятности это связано с тем, что в солнечных элементах медь присутствует в
виде силицидов, в то время как другие металлы остаются в твердом растворе,
занимая узельные позиции в решетке [3].
В материале р-типа примеси, например, Ti и V являются наиболее
вредными. Однако одновременное присутствие в кремнии разных примесей
может приводить даже к улучшению его фотоэлектрических свойств. Так, медь
улучшает качество фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), содержащих
примесь титана [4]. Магний в концентрации 3·1012 – 3·1014 ат/см3 не вызывает
деградации ФЭП. В то же время алюминий, у которого лишь 10 %
концентрации обладают электрической активностью, имеет предельное
содержание 1016 ат/см3. Медь в виде выделений практически не влияет на ток
короткого замыкания (ток, который течет через солнечный элемент при
освещении).
Рис. 1. Зависимость нормализованного КПД от концентрации
металлических примесей
Одним из самых распространенных примесных элементов в
кремнии является углерод. Кремний, как технический после плавки, так и
рафинированный после ковша содержит значительное количество углерода в
виде карбида кремния (карборунда) и, в меньшей степени, в растворенном
состоянии. Образованию SiC способствуют высокие температуры
карботермического процесса (рис .2) [5].
47
Рис .2. Растворимость углерода в расплаве кремния
Фактическое содержание данной примеси даже в рафинированном
кремнии намного превышает теоретическую растворимость [5]. В зависимости
от концентрации углерода в кремнии, изменение параметра кристаллической
решетки от углерода до кремния графически выразится прямой линией с
небольшим изломом в точке, отвечающей содержанию 50 % углерода, что
соответствует химическому соединению SiC. Значение параметра твердого
раствора (α = 5,417Å) указывает на то, что 1,3 % атомов в решетке кремния
замещается атомами углерода (0,56 вес. % С).
Растворимость углерода в жидком кремнии во многом зависит от
температуры, и SiC выделяется при охлаждении жидкого кремния. По этой
причине содержание C в кристаллах кремния может колебаться от 0,03 до 0,1
%. Несмотря на то, что SiC удаляется с пылью при плавке (30-40 масс. % в
тяжелых фракциях пыли газоочистки) и шлаком при ковшевом рафинировании
(6,5-25 % в составе шлака [6]), часть его остается в кремнии, что требует, по
возможности максимального удаления карборунда из-за влияния (при высокой
концентрации углерода) на структурное совершенство кристаллов кремния и
даже на способность образовывать монокристалл.
В расплаве технического кремния не образуется нитрида кремния [5].
Однако примесь азота попадает в кремний при изготовлении поли- и
монокристаллических слитков; источником азота часто является футеровка из
нитрида кремния, а следовательно, покрытие внутренней поверхности тигля
данным соединением. Особого влияния на свойства кремния солнечного сорта
примесь азота не оказывает.
Такие примеси, как B, P оказывают на кремний солнечного сорта такое
же влияние, как и на электронный, однако концентрация этих примесей в
кремнии для ФЭП может быть значительно выше, чем в кремнии для
электронных приборов, и доходить до 1017–1018 ат/см3 [7].
48
Таким образом, степень чистоты кремния как базового материала для
изготовления ФЭП является одним из важнейших факторов для
работоспособности ФЭП, а изучение влияния примесей на электрофизические
свойства кремния позволяет определить необходимость удаления той или иной
примеси или наоборот «заражения» кремния той или иной примесью с целью
улучшения его электрофизических свойств.
Библиографический список
1. Рейви К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии / К. Рейви.
– М.: Мир, 1984. – 475 с.
2. Фалькевич Э.С. Технология полупроводникового кремния / Э.С.
Фалькевич. – М.: Металлургия, 1992. – 408 с.
3. Salama A.M., in: Semiconductor Chararacterization Techniques, ed. P.A.
Barnes and G.A. Rozgonyi, The Electrochemical Society, 1978. – Р. 334.
4. Kapur V.K. Silicon Purification / V.K. Kapur, U.V. Choudary // Pat. USA
4388286 (Dec. 1983).
5. Попов С.И. Металлургия кремния в трехфазных рудно-термических
печах / С.И. Попов. – Иркутск: ЗАО «Кремний», 2004. – 237 с.
6. Катков О.М. Технология выплавки технического кремния / Под общ.
ред. О.М. Каткова. – Иркутск: ЗАО «Кремний», 1999. – 244 с.
7. Pizzini S.G., Giarda L., Parisi A.,Solomi A., Concini G. // Proc. 14-th IEEE
Photovoltaic Spec. Conf. New York. IEEE Publ., 1980. – P. 902.
УДК 621.365
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
ДЛЯ ОЧИСТКИ МЕТАЛЛОВ
А.К. Тимофеев1, С.С. Бельский2
1
магистрант гр. МЦм-14-1, ИрГТУ, e-mail: ak.timofeev@inbox.ru
2
к.т.н., доцент кафедры металлургии цветных металлов, ИрГТУ, e-mail:
bss@istu.edu
Направленная кристаллизация из расплава позволяет совмещать в одном
технологическом цикле сразу три операции: очистку материала, легирование и
выращивание из него мульти- или монокристалла.
Используемые в настоящее время наиболее важные методы выращивания
полупроводниковых кристаллов были предложены и применялись их авторами
для разных целей:
1. Метод Чохральского, предложен в 1917 г. для исследования скорости
кристаллизации металлов;
2. Метод Бриджмена, предложен в 1925 г. для выращивания кристаллов
металлов (W, Sb, Bi, Te, Zn, Sn);
3. Метод Стокбаргера, предложен в 1936 г. для выращивания кристаллов
галогенидов щелочных металлов;
49
4. Метод зонной плавки в тигле, был разработан в 1928 г. Капицей для
очистки и выращивания кристаллов Bi, позднее в 1952 г. Пфанн предложил
использовать этот метод для очистки Ge;
5. Метод плавающей зоны, предложен в 1953-1954 г. такими учеными как
Кек, Голи и Эмес для очистки кремния.
6. Метод Накена-Киропулоса, предложен Накеном 1916 г. для
выращивания кристаллов салола и бензофенона, позднее Киропулосу в 1926 г.
удалось вырастить кристаллы галогенидов щелочных металлов [1].
Современные методы выращивания полупроводниковых кристаллов
являются результатом многолетнего опыта и их усовершенствования.
Выращивание монокристаллов кремния из расплава в промышленных
условиях осуществляют по методу Чохральского и бестигельной зонной
плавкой [2]. В процессе роста кристалла атомарные частицы соединяются друг
с другом, образуя твердую, хорошо упорядоченную фазу – кристалл. Рост
кристалла происходит, как правило, из жидкой (расплав, раствор) или
газообразной питающей среды.
Отличие направленной кристаллизации из расплава заключается в том,
что вдоль перекристаллизуемого материала устанавливается температурный
градиент, обеспечивающий направленный отвод тепла и направленное
продвижение фронта кристаллизации.
Задачами направленной кристаллизации, как правило, являются
перераспределение компонентов и улучшение кристаллической структуры. В
свою очередь первая задача распадается на две: разделение компонентов
(очистка, концентрирование, разделение фазовых составляющих) и создание
заданных концентрационных профилей (выравнивание состава, получение
электронно-дырочных переходов и т.д.). Проведение кристаллизации
направленно дает возможность контролировать и активно влиять на ход
указанных процессов. Эти прикладные задачи направленной кристаллизации
имеют первостепенное значение.
Если расплавить твердое двухкомпонентное вещество, а затем его
охладить, то после достижения определенной температуры из жидкой фазы
начнут расти кристаллы. В общем случае составы соприкасающихся фаз двухили многокомпонентной системы различны. Этот эффект лежит в основе
использования направленной кристаллизации для перераспределения
компонентов системы. Степень совершенствования кристаллической структуры
в значительной мере определяется условиями направленной кристаллизации, на
этом основано использование данного процесса для получения совершенных
кристаллов.
Из-за относительно небольшого различия составов сосуществующих
твердой и жидкой фаз для выполнения первой задачи используют
преимущественно
многократные
методы
кристаллизации.
Задача
совершенствования структуры кристалла выполняется в результате
однократной кристаллизации.
50
Метод зонной плавки для получения металлов высокой чистоты
предложил в 1952 г. В. Пфанн. Зонная плавка в связи с различной
растворимостью примесей в твердой и жидкой фазах, является одним из
наиболее эффективных и производительных методов глубокой очистки
монокристаллов. При его реализации возможно перед началом кристаллизации
расплавить весь материал с последующим перемещением через зону роста
(нормальная направленная кристаллизация) (рис. 1) или расплавлять не всю
твердую фазу кристалла (рис. 2), а получать только узкую расплавленную зону,
которую перемещают вдоль слитка. Методом зонной плавки осуществляют
многократные кристаллизации.
Рис. 1. Схема направленной кристаллизации
Рис. 2. Схема зонной очистки:
1 – продукт кристаллизации; 2 – нагреватель; 3 – расплавленная зона;
4 – исходный материал
При получении монокристаллов наиболее широко применяются
однократные методы нормальной направленной кристаллизации. Используются
горизонтальные кристаллизационные аппараты (метод Капицы) и вертикальные
аппараты с перемещением температурного градиента вдоль неподвижной
ампулы с материалом (метод Обреимова–Шубникова) или с перемещением
ампулы относительно неподвижного температурного градиента (метод
Бриджмена). Очень распространен вариант, когда температурный градиент
создается между двумя печами, разделенными тепловым экраном (метод
Стокбаргера). Кристаллизацию проводят с использованием затравки, сосуда,
остроконечного или капиллярного, с затравочным участком, способствующим
росту монокристалла. Температурный градиент может создаваться и в
направлении от внутренних областей материала к периферии, в результате чего
образуется крупный монокристаллический блок (метод Киропулоса).
Анализ литературных данных по видам и задачам направленной
кристаллизации свидетельствует об эффективном использовании направленной
51
кристаллизации для очистки металлов и формирования необходимой структуры
(столбчатой или монокристаллической).
Необходимо также подчеркнуть
дополнительные преимущества
направленной кристаллизации, когда перед процессом предварительно
расплавленный
объем
материала
подвергается
дополнительному
рафинированию
за
счет
вакуумной
сублимации,
дегазации
расплава и др. [1, 3].
Библиографический список
1. Мюллер Г. Выращивание кристаллов из расплава / Г. Мюллер. – М.:
Мир, 1991. – 149 с.
2. Фалькевич Э.С. Технология полупроводникового кремния / Э.С.
Фалькевич. – М.: Металлургия, 1992. – 408 с.
3.
Изучение
физико-химических
основ
рафинирования
металлургического кремния для последующего его использования в солнечной
энергетике: заключительный отчет о НИР // ИрГТУ, рук.: В.Э. Клѐц, исполн.:
Н.В. Немчинова [и др.]. – Иркутск, 2007. – 267 с. – № РНП 2.1.2.2382. – Инв. №
0220.0800897.
УДК 546.56
СЫРЬЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕДИ
О.Е. Бельская1, С.С. Бельский2
1
магистрант гр. МЦм-13-1, ИрГТУ, e-mail: bss@istu.edu
2
к.т.н., доцент кафедры металлургии цветных металлов, ИрГТУ, e-mail:
bss@istu.edu
Источниками получения меди являются руды, продукты их обогащения –
концентраты – и вторичное сырье. На долю вторичного сырья в настоящее
время приходится около 40% от общего выпуска меди.
Медные руды практически полностью относятся к полиметаллическим.
Монометаллических руд меди в природе нет. Возможными природными
спутниками меди, как и других тяжелых цветных металлов, являются
большинство элементов 4–6-го длинных периодов периодической системы
Д.И.Менделеева.
Ценными спутниками меди в рудном сырье являются около 30 элементов.
Важнейшие из них: цинк, свинец, никель, кобальт золото, серебро, металлы
платиновой группы, сера, селен, теллур, кадмий, германий, рений, индий,
таллий, молибден, железо.
Одновременное присутствие в медных рудах всех указанных элементов
не является обязательным, но все они в различных комбинациях могут
встречаться в тех или иных типах руд.
52
В тех случаях, когда медьсодержащие руды содержат заметные
количества других металлов – спутников, соизмеримые с содержанием меди, их
соответственно называют медно–никелевыми, медно–цинковыми и т.д.
В медном производстве используют все типы руд: сульфидные
(сплошные и вкрапленные), окисленные, смешанные и самородные. Однако
основным медным сырьем являются сульфидные вкрапления, запасы которых в
недрах являются наибольшими. Из сульфидных руд в настоящее время
выплавляют 85–90 % всей первичной меди.
Известно более 250 медных минералов. Большинство из них встречаются
редко. Наибольшее промышленное значение для производства меди имеет
небольшая группа минералов, состав которых приведен ниже:
Содержание меди, %:
Халькопирит CuFeS2 – 34,5
Ковеллин CuS – 66,4
Халькозин Cu2S – 79,8
Борнит Cu5FeS4 – 63,3
Малахит CuCO3 · Cu(OH)2 – 57,4
Азурит CuCO3 · 2Cu(OH)2 – 55,1
Куприт CuO – 88,8
Хризоколла CuSiO3 · 2H2O – 36,2
Самородная медь Cu, Au, Ag, Fe, Bi До 100%
В современной практике обычно разрабатывают руды с содержанием 0,8–
1,5 % Сu, а иногда и выше. Однако для крупных месторождений вкрапленных
руд минимальное содержание меди, пригодное для разработки в современных
условиях, составляет 0,4–0,5 %.
Наряду с медными минералами в рудах находятся в больших или
меньших количествах сульфиды других тяжелых цветных металлов (цинка,
свинца, никеля) и железа. Железо может присутствовать как в форме
самостоятельных, так и в виде комплексных сульфидов типа халькопирита и
борнита. Основными природными сульфидами железа являются пирит (FeS2) и
пирротин [Fe7S8(Fe4-xS)]. Ценность медных руд значительно повышается из–за
наличия в них благородных металлов и ряда редких и рассеянных элементов –
селена, теллура, рения, висмута и др.
Халькопирит, ковеллин, борнит и пирит относятся к так называемым
высшим сульфидам. Они содержат избыток серы сверх стехиометрического
содержания, соответствующего валентным соотношениям. При нагреве высшие
сульфиды диссоциируют с образованием низших (Cu2S и FeS) и выделением
паров элементарной серы. Так пирит термически разлагается по реакции
FeS2→FeS+1/2S2, что соответствует 50 %-ному удалению серы в газовую фазу.
53
Кроме рудных минералов в медных рудах содержится пустая порода в
виде кремнезема, глинозема, кальцита, различных силикатов и д.р. В практике
медного производства встречаются кислые руды, в пустой породе которых
преобладает кремнезем (SiO2) и основные руды со значительными
количествами известняка и других минералов основного характера.
Вследствие низкого содержания меди и комплексного характера руд в
большинстве случаев непосредственная металлургическая переработка их
невыгодна, поэтому их предварительно подвергают флотационному
обогащению.
При обогащении медных руд основным продуктом являются медные
концентраты, содержащие до 55 % Cu чаще (10–30 %). Извлечение меди в
концентраты при флотации колеблется от 80 до 95 %. Кроме медных, при
обогащении руд получают пиритные концентраты и иногда концентраты ряда
других цветных металлов (цинковый, молибденовый и др.). Отходами
обогащения являются отвальные хвосты. Флотационные концентраты
представляют собой тонкие порошки с частицами крупностью 74 мкм с
влажностью 8 – 10%.
Библиографический список
1. В.И.Смирнов, А.А.Цейдлер, И.Ф.Худяков, А.И.Тихонов. Металлургия
меди, никеля и кобальта (Альтернативный курс). ЧАСТЬ 1 Металлургия меди. –
М: Металлургия, 1964 г. – 458с.
2. Металлургия цветных металлов. Уткин Н.И. Учебник для техникумов.
М.: Металлургия, 1985. 440 с.
УДК 669
ПОЛУЧЕНИЕ ОКСИДА ЦИНКА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ
МЕТОДОМ
1
Журавлѐва А.С. , Кузьмин М.П.2 , Кузьмина М.Ю.3
1
магистрант гр. МЦм-13-1 ИрГТУ, e-mail: zhuravlyova-alina@yandex.ru
2
магистрант гр. МЦм-13-1 ИрГТУ, e-mail: mike.theone777@gmail.com
3
научный руководитель, к.х.н., доцент кафедры металлургии цветных металлов
ИрГТУ, e-mail: mike12008@yandex.ru
Оксид цинка широко используется в самых различных областях
промышленности, медицины и техники. Оксид цинка нашел широкое
применение в создании абразивных зубных паст и цементов, в терапевтической
стоматологии, в кремах для загара и косметических процедурах, в производстве
искусственной кожи и резинотехнических изделий. Оксид цинка применяют
при производстве стекла и керамики. Также оксид цинка обладает
фотокаталитической активностью, что на практике используется для создания
самоочищающихся поверхностей, бактерицидных покрытий для стен и
потолков в больницах. Порошок оксида цинка является перспективным
54
материалом в качестве рабочей среды для порошковых лазеров. Тонкие пленки
и иные наноструктуры на основе оксида цинка могут применяться как
чувствительные газовые и биологические сенсоры, а также как материалы для
спиновой электроники [1, 2].
В связи со значимостью материалов на основе оксида цинка, целью
работы является поиск наиболее совершенного и перспективного способа
получения оксида цинка высокого качества.
Анализ литературных источников показал, что способы производства
оксида цинка можно разделить на:
пирометаллургические (получение из металлического цинка и из обожѐнных
рудных концeнтратов или вторичного сырья, содержащих 30-60 % ZnO [3]);
гидрометаллургические (получение из растворов солей цинка [4]);
электрохимические
(получение
электрохимическим
окислением
металлического цинка [5]).
Все способы получения оксида цинка имеют достоинства и недостатки.
Однако преимущества электрохимических методов значительно преобладают
над их недостатками. К наиболее существенным достоинстам можно отнести
следующие:
проведение процессов, неосуществимых химическим путѐм, или достижение
более высоких выходов продукта;
проведение реакций окисления или восстановления без участия
неорганических окислителей или восстановителей, загрязняющих конечный
продукт, возможное рафинирование продукта;
управление скоростью и направлением процесса путем изменения условий
электролиза;
сокращение стадий процессов, количества основной и вспомогательной
аппаратуры и обслуживающего персонала;
улучшение санитарно-гигиенических условий труда работающих.
Основным затруднением в электрохимическом процессе получения
оксида цинка является возникновение пассивного состояния анодов при
повышении плотности тока (для увеличения производительности).
Дальнейшая работа будет направлена на разработку методов,
позволяющих снять пассивацию. Предполагаемым решением данной
проблемы, полученным в ходе исследований, могут стать следующие меры:
наложение ультразвука, вибрация анодов и катодов;
увеличение температуры и скорости циркуляции раствора в межэлектродном
пространстве;
применение нестационарных режимов питания электрическим током:
реверсирование, прерывание, импульсная подача тока, наложение переменного
тока.
Таким образом, анализ имеющихся литературных данных [3-5] показал,
что электрохимические методы обладают незначительными недостатками и
55
являются наиболее эффективными для производства оксида цинка высокого
качества.
Библиографический список
1. Угай Я.А. Общая и неорганическая химия учебник для вузов, 2-е
издание // М.: Высшая школа. – 2000. – 527 с.
2. Журавлѐва А.С. Структурные особенности тонких пленок Li0.06Zn0.94O,
полученных методом импульсного лазерного напыления / Журавлѐва А.С. //
Вестник ИрГТУ. – 2014. №9 (92). – С. 24-29.
3. Ермилов П.И., Индейкин Е.А. Пигменты и пигментированные
лакокрасочные материалы // Л.: Химия. 1987. – С. 66-68.
4. Ильина Л.А., Болотина Л.Э., Тугушева Р.Э Исследование пористой
структуры соосожденных образцов гидрооксидов Ni(II) и цинка//Изв. АН
СССР. Неорганические материалы. – 1990. – 26, №11. – С. 2327-2331.
5. Kitano M., Shiojiri M. Electrochemical reactions of Zn in water and growth
of ZnO particles // J. of Electrochemical Society. 1997. 144, №3. P. 809-815.
УДК 669
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО
СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ОКСИДА ЦИНКА
Журавлѐва А.С.1 , Кузьмин М.П.2 , Кузьмина М.Ю.3
1
магистрант гр. МЦм-13-1 ИрГТУ, e-mail: zhuravlyova-alina@yandex.ru
2
магистрант гр. МЦм-13-1 ИрГТУ, e-mail: mike.theone777@gmail.com
3
научный руководитель, к.х.н., доцент кафедры металлургии цветных металлов
ИрГТУ, e-mail: mike12008@yandex.ru
Многообразие физических и химических свойств оксида цинка делает
этот материал уникальным. Оксид цинка нашел широкое применение в
производстве порошковых лазеров, газовых и биологических сенсоров,
электрокабелей, искусственной кожи, стекла, керамики, в шинной,
лакокрасочной, нефтеперерабатывающей промышленностях, в терапевтической
стоматологии, а также в создании абразивных зубных паст, кремов для загара,
антисептических и косметических средств. Также оксид цинка является
перспективным материалом для устройств спиновой электроники [1, 2].
В связи со значимостью материала в самых различных областях
промышленности, техники и медицины, целью работы является поиск наиболее
совершенного и эффективного металлургического способа производства оксида
цинка высокого качества.
Анализ литературных данных [3 5] показал, что пирометаллургический
способ получения оксида цинка может удовлетворить современным
требованиям производства после разработки методов для снижения вредного
воздействия паров металлического цинка на окружающую среду.
Различают следующие пирометаллургические способы производства
56
оксида цинка:
прямые (из цинкосодержащего сырья);
косвенные (из металлического цинка).
Прямым пирометаллургическим способом оксид цинка получают из
обожженных рудных концентратов, содержащих примеси Pd, Сd, As, Fе, Mn, S,
Si, силикатов, которые сопутствуют цинку в полиметаллических рудах.
Предварительно обожжѐнные и очищенные от основной массы примесей
концентраты, содержащие 30-60 % ZnO, подвергают восстановительному
обжигу и отгонке металлического цинка в трубчатых печах («вельц-процесс»)
или шaхтных печах с электродуговым обогревом. Для восстановления оксидов
в шихту вводят уголь или кокс. При недостатке кислорода воздуха образуется
оксид углерода, который и восстанавливает оксиды металлов:
ZnО + СО Zn + СО2.
Используя различное парциальное давление паров металлов и их оксидов
при разных температурах, в восстановительной среде проводят отгонку цинка и
вместе c ним свинца, кадмия и oкcида свинца от других, имеющих более
высокие температуры возгонки, металлов, силикатов, сульфидов и остатков
угля. Пары отогнанных металлов в окислительной камере при избытке воздуха
окисляются. Полученные цинковые белила содержат до 10 % примесей и
имеют серый цвет. Повторным вельц-процессом их освобождают oт части
примесей и получают оксид цинка c частицами нужной формы и требуемой
дисперсностью, содержащий до 0,3 % Pb [3].
Косвенным пирометаллургическим способом получения оксида цинка
является окисление металлического цинка при температуре 1300-2500 0С.
Фунахаси и его коллегами [4] была предложена следующая методика синтеза.
Металлический цинк, загруженный в графитовый тигель, нагревают в
электрической печи до плавления. Затем подаѐтся азот, который смешивают с
испаряющимся цинком на металлической поверхности, нагретой до требуемой
температуры. Выходящий газ сжигается в потоке кислорода О2, при
температуре 1300-1600 °С. Образующийся оксид цинка охлаждают воздухом с
получением мелких частиц ZnO. Таким способом получают оксид цинка c
достаточно высокой удельной поверхностью (около 25 м2/г) и дисперсностью
(0,1-0,7 мкм.).
Пирометаллургический способ получения оксида цинка является
достаточно эффективным, простым в реализации. Он позволяет получать
материал в промышленном количестве и с требуемыми характеристиками.
Несмотря на все достоинства, этот способ имеет недостатки, связанные с
запыленностью производственных помещений мелкодисперсными реагентами
и возможностью выброса в атмосферу паров металлического цинка.
В связи с этим дальнейшая работа будет связана с разработкой методов
совершенствования пирометаллургических процессов и снижения их вредного
воздействия на окружающую среду.
57
Библиографический список
1. Угай Я.А. Общая и неорганическая химия учебник для вузов, 2-е
издание // М.: Высшая школа. – 2000. – 527 с.
2. Журавлѐва А.С. Структурные особенности тонких пленок Li 0.06Zn0.94O,
полученных методом импульсного лазерного напыления // Вестник ИрГТУ. –
2014. №9 (92). – С. 24 29.
3. Ермилов П.И., Индейкин Е.А. Пигменты и пигментированные
лакокрасочные материалы // Л.: Химия. 1987. – С. 66-68.
4. Заявка 1286919 Япония, МКИ4 С 01 G 9/03. Способ получения
мелкодисперсного оксида цинка / Ц. Фунахаси, Т. Хасимото, С. Эдзаки
(Япония). Опубл. 17.11.1989.
5. Эстрин И.А., Попандопуло Г.Д., Кочкин Д.М. Получение оксида цинка
из цинкосодержащих отходов // Лакокрасочные материалы и их применение. –
2000. №12. – С. 22-24.
УДК 669
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГИДРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО
СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ОКСИДА ЦИНКА
Журавлѐва А.С.1 , Кузьмин М.П.2 , Кузьмина М.Ю.3
1
магистрант гр. МЦм-13-1 ИрГТУ, e-mail: zhuravlyova-alina@yandex.ru
2
магистрант гр. МЦм-13-1 ИрГТУ, e-mail: mike.theone777@gmail.com
3
научный руководитель, к.х.н., доцент кафедры металлургии цветных металлов
ИрГТУ, e-mail: mike12008@yandex.ru
Оксид цинка широко используется в самых различных областях
медицины, промышленности и техники. Многообразие физических и
химических свойств таких, как анизотропная кристаллическая структура,
нестехиометрический состав соединения, наличие полупроводниковых свойств
при большой ширине запрещѐнной зоны, люминесцентные свойства,
фотопроводимость, фотохимические свойства, делает этот материал
уникальным и перспективным для широкого применения (для производства
электрокабелей, лазеров, сенсоров, кожаных и резинотехнических изделий,
цементов, лакокрасочной продукции, зубных паст и т.д.). Также оксид цинка
является важным материалом в создании быстродействующих устройств
спиновой электроники [1, 2].
В связи с высокой значимостью материала для практического
применения, целью работы является поиск наиболее совершенного
металлургического способа производства высококачественного оксида цинка.
Анализ литературных данных [3 5] показал, что гидрометаллургический
способ получения оксида цинка может удовлетворить современным
требованиям производства после внедрения процессов водооборота,
снижающих расход воды на единицу продукции.
58
Гидрометаллургический способ получения оксида цинка включает две
стадии:
1 осаждение из растворов солей цинка гидроксида или основного карбоната
цинка;
2 прокаливание последних.
В работе [3] оксид цинка получен осаждением из сульфатной соли (ZnSO4
250 г/л) или смеси с гидрооксидом натрия (334 г/л) при одновременном
сливании и непрерывном перемешивании при температуре 50 °С. Полученный
осадок отмывался от избытка щѐлочи горячей (90 100 °С) дистиллированной
водой, подсушивался на воздухе в течение 2 часов при 120 °С и только затем
окончательно отмывался от посторонних ионов. Получаемый таким способом
оксид цинка имеет удельную поверхность около 20 м2/г.
Используя ZnSO4 7Н20, раствор NaОH и порошок NH4HCO3, авторами [4]
осаждением получен коллоидный раствор основного карбоната цинкa. После
осаждения раствор промывался водой для удаления образовавшегося в ходе
реакции Na2CO3 и высушивался при 80 °С. Далее сухой карбонат цинка в
течение 1 часа подвергался прокаливанию при температурах 300 500 °С.
Размер частиц оксида цинка, получаемого по данному способу, составляет
10 20 нм.
Авторами [5] предлагается следующий способ гидрометаллургического
производства оксида цинка. Способ включает выщелачивание исходного сырья
из различного цинкосодержащего техногенного сырья раствором едкого натра в
присутствии оксида кальция (одновременно с извлечением ZnО в раствор
происходит очистка от кремнезема) и элементарной серы (одновременно
происходит очистка от оксида свинца), отделение осадка вредных примесей от
получаемого чистого цинкатного раствора, разложение последнего в
присутствии затравочного оксида цинка, выделение выпавшего осадка оксида
цинка, сушку и прокалку последнего с получением конечного продукта.
Описанный способ позволяет упростить процесс (одна стадия выщелачивания
вместо двух) и повысить степень извлечения ценного компонента в конечный
продукт на 5 7 % при сохранении качества последнего.
Наряду с достоинствами гидрометаллургии (возможность разделения
близких по свойствам металлов, более упрощенная по сравнению с
пирометаллургией переработка руды и низкий уровень загрязнения
окружающей среды вредными отходами), гидрометаллургический метод
получения оксида цинка имеет существенный недостаток
относительно
большой расход воды на единицу продукции.
Дальнейшая наша работа будет направлена на преодоление этого
недостатка, а именно на разработку технологии водооборота для внедрения на
гидрометаллургических предприятиях и в конечном итоге их перехода на
полностью бессточную технологическую схему.
59
Библиографический список
1. Угай Я.А. Общая и неорганическая химия учебник для вузов, 2-е
издание // М.: Высшая школа. – 2000. – 527 с.
2. Журавлѐва А.С. Структурные особенности тонких пленок Li0.06 Zn0.94 O,
полученных методом импульсного лазерного напыления / Журавлѐва А.С. //
Вестник ИрГТУ. – 2014. №9 (92). – С. 24-29.
3. Ильина Л.А., Болотина Л.Э., Тугушева Р.Э Исследование пористой
структуры соосожденных образцов гидрооксидов Ni(II) и цинка // Изв. АН
СССР. Неорганические материалы. – 1990. – 26, №11. – С. 2327-2331.
4. Jin C.-G., Zhu W.-C., Fang D., Li H. Preparation of ZnO nanocrystalline
particles // Fine Chemistry. – 1999. – 16, №2. – P.26-28.
5. Пат. 2179194 Российская Федерация, МПК 7C 22B 19/00 A, 7C 22B
19/34 B. Способ гидрометаллургического получения оксида цинка /Анашкин
В.С., Бухаров А.Н. (РФ). - №99102265/02; заявл. 05.02.1999; опубл. 2002.
УДК 669.2/8+628.316.12
ОПТИМИЗАЦИЯ СПОСОБОВ ИЗВЛЕЧЕНИЯ НЕКОТОРЫХ
ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ СТОЧНЫХ ВОД
А.В. Куриганова1, О.В. Белоусова2
1
магистрант гр. МЦм -14-1 ИрГТУ, e-mail: annakuriganova@mail.ru
2
доцент ИрГТУ e-mail: zvf1@istu.edu
Любая технология неизбежно связана с выбросами (отходами), вредными
для окружающей среды. Поэтому технологическая схема любого предприятия
должна заканчиваться системой очистных сооружений, задачей которых
является недопущение попадания вредных технологических веществ в
воздушный бассейн и гидросистему местности. Повышение эффективности
извлечения металлов из различных сред и соединений является одной из
наиболее главных экологических проблем. Потребность промышленности в
цветных металлах непрерывно возрастает, так как их использование во многом
определяет развитие стратегической и научно-технической базы России.
Применение известных способов получения этих металлов из традиционных
источников сырья не в полной мере отвечает все увеличивающимся объемам их
использования. Поэтому задача разработки новых эффективных способов
извлечения цветных металлов из отходов металлургических и химических
производств является актуальной [1].
Современные предприятия металлургической отрасли отличаются
полным циклом переработки природного минерального сырья. Разнообразие
перерабатываемого сырья, сложность и многостадийность производственных
процессов обусловливают большой выход технологических и сточных вод,
высокую степень их загрязненности катионами цветных и тяжелых металлов.
Поэтому технологические и сточные воды металлургических и химических
60
предприятий, шахтные, карьерные и рудничные воды являются
поликомпонентными техногенными источниками сырья, комплексная
переработка которых обеспечит рентабельность производства [2].
Источниками цветных и черных металлов являются сточные воды
металлургических и химических предприятий. Металлургические предприятия
используют 25% от всей потребляемой российской промышленностью воды.
Сброс сточных вод, загрязненных солями тяжѐлых металлов: меди, свинца,
кобальта, никеля, железа (II), в водоемы составляет ежегодно 1 млрд. м3. В
большинстве случаев загрязненная тяжелыми черными и цветными металлами
сточная вода попадает в поверхностные и грунтовые воды и становится
причиной массовой гибели биоресурсов в близлежащих водоемах. Объѐм
сбрасываемых сточных вод черной металлургии согласно экологическому
аудиту, приведенному в «Экологическом вестнике России» за 2013 год,
составляет около 12 млрд. м3 в год, из которых объем загрязнѐнных сточных
вод - 850 млн. м3. Объѐм сброса загрязнѐнных сточных вод цветной
металлургии превысил 537,6 млн. м3. Сброс недостаточно обработанных
производственных вод в естественные водоемы, массовое складирование
промышленных отходов также приводит к загрязнению почв и грунтов [3].
Многие предприятия Иркутской области используют экологически
ненадежные технологии, имеют низкий уровень механизации и автоматизации,
в результате чего содержание металлов в сточных водах очень высокое. При
этом они
не извлекаются из воды механически, не удаляются при
биологической очистке и такими традиционными методами водоочистки, как
коагуляция и флотация. Это обуславливает необходимость введения в
комплексную технологическую схему водоподготовки стадию сорбционной
доочистки. Сорбционный метод является наиболее эффективным и дешевым
способом. Это способ глубокого извлечения из сточных и промышленных вод
катионов цветных и черных металлов до предельно допустимых концентраций,
соответствующих нормам использования в рыбохозяйственных водоемах.
Перспективно использовать сорбенты, термически и радиоактивно устойчивые,
которые характеризуются высокими значениями емкости и удельной
поверхности при их незначительной стоимости. Сорбционный процесс является
хорошо управляемым и автоматизируемым, что является его несомненным
достоинством. Можно эффективно использовать углеродные адсорбенты с
высокой избирательностью и сорбционной емкостью не только для очистки
сточных вод, но и для извлечения ценных компонентов [4].
Решение проблем использования дополнительных источников сырья и
одновременного
снижения
степени
токсичности
и
количества
производственных техногенных отходов возможно только в промышленных
масштабах. Необходима разработка новых эффективных технологий
рационального использования природных ресурсов и защиты окружающей
среды. Одним из решений данной проблемы является применение сорбционных
и кристаллизационных технологий извлечения металлов из различных
61
техногенных объектов. С одной стороны использование данных технологии
позволяет решить проблему предельного извлечения цветных, черных, редких
металлов из низкоконцентрированных материалов металлургического
производства и нетрадиционных источников сырья, с другой - заметно снизить
давление на окружающую среду за счет уменьшения выбросов в гидро- и
геосферы [5].
Разработка
новых
эффективных
технологий
рационального
использования природных ресурсов и защиты окружающей среды определяет
дальнейшее совершенствование теории и практики наукоемких технологий
извлечения цветных и редкоземельных металлов из низкоконцентрированных
природных и техногенных материалов.
Библиографический список
1. Смирнов Д.Н., Генкин В.Е. Очистка сточных вод в процессах
обработки металлов. М.: Металлургия, 1989. – 78 с.
2. Кушни Дж.К. Удаление металлов из сточных вод. М.: Металлургия,
1987. – 45с.
3. Милованова A.B. Очистка сточных вод предприятий цветной
металлургии. М.: Металлургия, 1971. – 382 с.
4. Леонов С.Б., Минеева Г.Г., Жучков И.А. Гидрометаллургия. Ч.II.
Выделение металлов из растворов и вопросы экологии: Учебник. – Иркутск:
Изд-во ИрГТУ. – 2000. – 381 с.
5. Черемисина О.В., Теория и практика извлечения цветных, черных и
редкоземельных металлов из промышленных растворов, стоков, природных вод
и грунтов. СПб. СПГГИ (ТУ). – 2008. – 149 с.
УДК 620.193
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ НА ОБЪЕКТАХ
НЕФТЕГАЗОДОБЫЧИ
1
П.А. Лобова , А.Н. Баранов 2, О. Д. Петрова,3, Е.М. Комова4
1
аспирант кафедры металлургии цветных металлов ИрГТУ, e-mail:
polina.lobova@gmail.com
2
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры металлургии
цветных металлов ИрГТУ, e-mail: a_baranow@mail.ru
3
студент кафедры металлургии цветных металлов ИрГТУ, e-mail:
olga_19.24@mail.ru
4
аспирант кафедры металлургии цветных металлов ИрГТУ, e-mail:
ek.komova@yandex.ru
Коррозионное поражение металлической составляющей индустриальнопромышленного комплекса многообразно и зависит от технологических,
физико-химических и микробиологических факторов, которые нельзя
рассматривать изолированно друг от друга без совокупности всех признаков, в
62
той или иной степени влияющих на коррозионные процессы, и которые
требуют выработки мероприятий по их устранению [1]. Так, например
главенствующая
роль
на
Верхнечонском
нефтегазоконденсатном
месторождении (ВЧНГКМ) принадлежит микробиологической коррозии.
Естественная
скорость
коррозии
углеродистых
сталей
в
минерализованных водных средах является незначительной величиной и
достигает порядка десятых долей миллиметра в год. В присутствии
сероводорода скорость коррозии увеличивается до 1…1,5 мм/год, что
представляет уже реальную опасность для оборудования, задействованного в
технологических процессах добычи, подготовки и транспорта нефти. Если
одновременно с сероводородом в среде присутствуют углекислый газ, кислород
или другие компоненты, усиливающие агрессивность сероводорода, скорость
коррозии резко возрастает и достигает катастрофических значений – 6…8
мм/год. В средах, содержащих сероводород биогенного происхождения, наряду
с равномерной коррозией, часто наблюдают локальные поражения металла
вследствие образования на поверхности местных сульфидных отложений и
колоний микроорганизмов. При этом скорость коррозии в отдельных случаях
достигает 10 мм/год и более [2].
Основным агрессивным агентом, резко усиливающим разрушение
конструкций, является присутствующий в добываемой нефти сероводород –
продукт
жизнедеятельности
сульфатвосстанавливающих
бактерий,
развивающихся в пластовых флюидах нефти на поздней стадии развития. По
степени агрессивного воздействия на коррозионный процесс и разнообразию
форм проявления его разрушительного действия сероводород является
наиболее опасным из всех известных стимуляторов коррозии. В присутствии
сероводорода происходит проникновение атомов водорода в металл, что
снижает его механическую прочность [3]. Появляющиеся в результате коррозии
сульфиды железа различных структурных форм осаждаются на поверхности
железа и образуют на металле макрогальванические пары «железо – сульфид»,
в которых первое является анодом и ускоренно разрушается.
Рисунок 1. Образцы коррозии
63
Интенсивное применение пресной воды на ВЧНГКМ в процессе
поддержания пластового давления со временем привело к заражению
бактериями и появлению растворенного кислорода там, где ранее этот
агрессивный агент отсутствовал. Наличие и рост микроорганизмов в системе
«пласт – скважина – оборудование» вызывает ряд проблем при добыче нефти
[4]. К основным из них относятся: коррозия оборудования, снижение
приемистости скважин, ухудшение фильтрационных характеристик пород,
уменьшение нефтеотдачи пластов за счет закупорки коллектора скоплениями
живых и мертвых бактериальных клеток и продуктов их жизнедеятельности –
осадки кальция, серы, магния, железа; слизь и полисахаридные биообразования.
Колони
я
Планктонны
е формы
Адгезированны
е формы
Рисунок 2. Развитие микробиологической
коррозии в трубопроводе
Недооценка опасности бактериальной коррозии в нефтедобыче приводит
к преждевременному выходу из строя насосного оборудования, подземных
трубопроводов, поверхностных коммуникаций на ВЧНГКМ.
На рисунке 1 представлены образцы скорости коррозии, погруженные в
коррозионную среду трубопроводов, подвергающихся действию биокоррозии.
Как и указывалось ранее, сновной причиной неблагоприятной
коррозионной обстановки на ВЧНГКМ сегодня является высокая
биозараженнось сульфатвосстанавливающими бактериями (СВБ) промысловых
сточных вод.
На рисунке 2 изображен трубопровод в разрезе и показано образование в
нем
микробиологической коррозии. Бактерии могут быть представлены в системе
как в виде адгезированных форм, так и планктонных. С точки зрения коррозии,
адгезированные формы наиболее опасны. На рисунке 2 изображен трубопровод
в разрезе и показано образование в нем микробиологической коррозии.
64
Сероводород обладает агрессивными свойствами и способствует
разрушению металлических конструкций в результате электрохимической, а
также химической коррозии и водородного охрупчивания. Интенсивность
сероводородной коррозии возрастает с повышением парциального давления
сероводорода и концентрации сульфидов [5].
Поскольку в настоящее время сероводород в добываемой жидкости
отсутствует, мы предполагаем, что образование сероводорода и сульфидов в
подтоварной воде (определяются совместно) вызвано микробиологическими
причинами (деятельностью присутствующих в подтоварной воде сульфатвосстанавливающих бактерий (СВБ)).
Рисунок 3. Сульфат-редуцирующие бактерии
Сероводород, выделяемый микроорганизмами (СВБ), которые находятся
в агрессивной среде, вследствие химических реакций, под воздействием
энергетического поля металла адсорбируется поверхностью металла и по
дислокациям, т.е. несовершенствам металлических сплавов, диффундирует
внутрь металла (Рис.3). Наибольший вред СВБ наносят в условиях подземной
коррозии трубопроводов и при коррозии нефтегазодобывающего оборудования.
Библиографический список
1. Каменщиков Ф.А. Борьба с сульфатвосстанавливающими бактериями
на нефтяных месторождениях. / Ф.А. Каменщиков, Н.Л. Черных // - М. –
Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотичная динамика», Институт компьюторных
исследований, 2007. – 412 с.
2. Гуревич И.Л. Технология переработки нефти и газа. Часть первая. М.:
Изд-во «Химия», 1972.
3. Шангареев И.Р. Оценка скорости коррозии образцов-свидетелей в
скважинных условиях / И.Р. Шангареев, Р.А. Дмитриев, А.М. Созонов, А.И.
Маланин, Р.В. Авершин // Нефтяное хозяйство. – 2013. – №08 – С. 108-110.
4. Баранов А.Н. Защита металлов от коррозии / А.Н. Баранов, Б.Н.
Михайлов // учеб. пособие. – 3-е изд. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2012 – 152 с.
65
5. Wahab Al-Mithin A. Ультразвуковое обследование и анализ
пригодности к эксплуатации нефтепровода с интенсивной внутренней
коррозией / A. Wahab Al-Mithin, S. Safri, A. Pfanger // Нефтегазовые технологии.
– 2013. – № 7. – С. 80-86.
6.
РД
39-0147103-362-86
«Руководство
по
применению
антикоррозионных мероприятий при составлении проектов обустройства и
реконструкции объектов нефтяных месторождений»
7.
Rajagopal
S.
Микробиологическая
коррозия
на
нефтеперерабатывающих заводах и трубопроводах / S. Rajagopal, A.A. Gupta,
M.P. Singh, M.K. Upreti // Нефтегазовые технологии. – 2013. – № 4. – С. 67-69.
УДК 669.1
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ШАРОВ ДЛЯ МЕЛЬНИЦ
Н.В. Немчинова1, Т. Уламбаяр2
1
д.т.н., профессор, заведующая кафедрой МЦМ ИрГТУ, e-mail:
ninavn@yandex.ru
2
магистрант гр. МЦм-14-1 ИрГТУ, e-mail: turkhuu.ulambayar@yahoo.com
Шаровые мельницы широко используются при производстве
строительных материалов, при подготовке руд к металлургической переработке
и др.
Впервые в Монголии стали применяться мельницы фирмы Vertimill, что
можно отнести к инновационным технологиям. И исследования были
направлены на изготовление шаров для данных мельниц.
На рис. 1 приведены фото мельницы Vertimill.
Преимущества мельниц Vertimill:
- высокая эффективность и производительность,
- низкий уровень шума,
- низкие эксплуатационные расходы,
- меньше простоев,
- низкие затраты на монтаж,
- требуется меньше места для установки,
- простота конструкции,
- безопасность.
Требования к шарам для мельниц:
- длительность эксплуатации,
- износостойкость,
- высокая твердость,
- термостойкость при работе в мельнице,
- ударопрочность и др.
В табл. 1 приведены основные характеристики стальных шаров,
используемые в мельнице.
66
С
2,1-3,2
Таблица 1
Химический состав руды для производства шаров для мельницы
Mn
Si
Cr
S
P
Mo
Твердость
HRC
0,6-1,25
1
10-12
0,1
0,1
0,4-0,75
60-64
Рис. 1. Мельница фирмы «Vertimill»
На рис. 2 приведен общий вид шара для мельницы, полученный из
железной руды одного из месторождений Монголии. В табл. 2 показана
характеристика данных образцов шаров.
Рис. 2. Образец шара для мельниц для металлографического анализа
67
Таблица 2
С
Mn
1,7-3,5
0,9-1,5
Параметры шаров для мельницы
Si
Cr
S
P
Твердость Твердость
HB
HRC
0,9-1,8 2,0-3,8 0,15
0,15
401-500
42-51
Данные шары были изучены металлографическим методом анализа на
предмет наличия включений (рис. 2, увеличение х50).
Рис. 2. Результаты металлографических исследований образцов чугунных
шаров для мельницы «Vertimill»
Таким образом, разработана технология изготовления шаров из местного
сырья для мельницы фирмы «Vertimill». Параметры шаров удовлетворяют
требованиям эксплуатации.
68
УДК 546.28; 669.782
РОЛЬ КРЕМНЕЗЕМА В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
И.С. Шарафеева1, Н.В. Немчинова2
1
студент гр. МЦб-12-1 института металлургии и химической технологии
им. С.Б. Леонова ИрГТУ, e-mail: ira4340@yandex.ru
2
д.т.н., заведующая кафедрой МЦМ ИрГТУ, e-mail: ninavn@istu.edu
Кремний – один из самых распространенных элементов в земной коре;
он занимает второе место после кислорода. В природе существует огромное
число природных силикатов, в состав которых входит оксид кремния –
кремнезем [1].
На основе SiO2 люди научились производить множество материалов,
широко используемых в быту, строительстве, науке, промышленности и
архитектуре.
К числу силикатных материалов, имеющих большое промышленное
значение, относятся стекло, фарфор, глазури, эмали.
Производство
стекла
является
самостоятельной
отраслью
промышленности. В материалах, где преобладают кристаллические вещества,
стекловидная составляющая оказывает большое влияние на свойства материала
[2].
Обычное стекло представляет собой смесь силикатов в состоянии
переохлаждѐнной жидкости. Его получают сплавлением смеси карбоната
натрия (или сульфата натрия), известняка и песка, обычно с некоторым
количеством битого стекла того же состава, служащего флюсом.
Стекла в отличие от кристаллических тел изотропны, постепенно
размягчаются при нагревании с переходом, затем в капельножидкое состояние
и непрерывно изменяют при этом все свойства. Изотропность свойств
позволяет относить стекло к аморфным телам. Для стекол характерно также
стремление к кристаллизации в благоприятном для этого интервале температур.
Основной недостаток стѐкол – хрупкость; для увеличения прочности его
подвергают закалке, создают многослойные композиты и упрочняют методом
низкотемпературной ионообменной диффузии. Свойства стекол зависят не
только от их состава, но и от исходной максимальной температуры, скорости
охлаждения расплава и давления, влияющих на строение стекла.
Зеркальное стекло получают, разливая жидкое стекло на плоский стол и
прокатывая его в листы. Затем полученные листы полируют с обеих сторон.
Оконное и бутылочное стекло представляет собой прозрачный застывший
расплав смеси силикатов натрия, калия и кальция. На современных стекольных
производствах в качестве исходного сырья используют не природные
материалы, а чистые химические компоненты, соотношение которых можно
точно определить. Источником Si служит кварцевый песок без примесей
железа; Na - карбонат натрия; K-карбонат, хлорид или сульфат калия; Ca карбонат (известняк или кальцит). Можно вводить также дополнительные
69
компоненты: B (в виде борной кислоты или буры), чтобы понизить температуру
размягчения стекла; Mg (в виде оксида) - для увеличения жаростойкости; Pb (в
виде оксида или карбоната) - для увеличения показателя преломления и блеска
гранѐного стекла; Al (в виде полевого шпата) - для повышения химической
стойкости и иногда Zn (в виде оксида или карбоната).
Состав некоторых промышленных стекол приведен в таблице 1. Так как
все карбонаты, сульфаты и другие соединения превращаются в оксиды под
действием температуры в печи, то состав приведен в виде пропорций
различных оксидов уже в готовом стекле. Обычное оконное стекло имеет
алюмосиликатную тетраэдрическую решѐтку, в которую включены ионы
натрия и кальция, а также некоторое количество небольших по размеру
комплексных анионов [1].
Таблица 1
Состав некоторых промышленных стекол
Химический состав,%
Стекло
Оконное
71,0
0,5
12,0
3,0
9,5
4,0
Зеркальное 73,0
0,1
13,9
11,0
2,0
Хрусталь
54,0
4,0
4,0
3,0
1,0
34,0
Бутылочное 72,0
1,5
15,0
0,5
7,5
3,5
Химиколабораторн 84,0
1,3
3,8
0,4
10,5
ое
На рисунке 1 представлена диаграмма системы
. Система
содержит плавящийся ортосиликат
; силикаты
;
и
. Имеются также данные о наличии силиката
,
плавящегося при температуре 1122 .
Точка H – состав неравновесной эвтектики – тридимита с твердым
раствором
в
. Значительная часть составов системы
отличается большой легкоплавкостью [2].
Рис. 1 Диаграмма состояния системы Na2O – SiO2
70
Борная кислота легко образует высококонденсированные кислоты,
подобные кремниевым кислотам, и боратные стѐкла по свойствам
напоминающие силикатное стекло. Стекло пирекс служит для изготовления
химической стеклянной и жаростойкой посуды (это боралюмисиликатное
стекло, содержащее лишь
ионов щелочных и щелочноземельных
металлов). Такое стекло отличается от обычного стекла тем, что оно не
растворяется в воде и не трескается при резких сменах температур.
При промышленном производстве оконного и бутылочного стекла
используют огромные резервуары, футерованные изнутри блоками
огнеупорного оксида алюминия
. Химические, физические и оптические
свойства стекла можно изменять, чтобы получить изделия специального
назначения. Так, при введении компонента с большой атомной массой (свинца
или бария) увеличивается показатель преломления стекла.
Силикатное стекло - это настоящая пластическая масса. Его можно
формировать прессованием, дутьѐм, его можно вытягивать в волокна или
листы. Данный вид стекла можно окрасить, растворив в нѐм оксиды
переходных металлов: кобальт даѐт синий цвет, марганец - розовый и
фиолетовый, железо
- зелѐный, железо
- жѐлтый цвет.
Фарфор – глубоко остеклованный керамический материал, в котором
чрезвычайно мелкие частицы белого алюмосиликата связаны общей матрицей
натриево-кальциевого силикатного стекла. Исходными веществами для
получения фарфора служат чистая белая глина (каолин), кварцевый песок и
полевой шпат.
Качество фарфора зависит от выбора и очистки материалов. Чтобы
получить необходимую белизну, нужно исключить примеси железа. Большое
значение имеют пропорции в силикатной смеси натрия, кальция, калия и
алюминия, которые проверяют химическим анализом.
Глазури, которыми покрывают фарфор и гончарные изделия, а также
эмаль, которой покрывают кухонную посуду и ванны, состоят из легкоплавкого
стекла, содержащего пигменты или белые наполнители, подобные диоксиду
титана или диоксиду олова.
Стекловидные эмали – это специальные силикатные стѐкла, которые
наносят в порошкообразном состоянии на поверхность изделия и сплавляют
непосредственно на нем путем нагрева изделия. Эмаль, кроме декоративного
свойства, обладает и защитным, антикоррозионным свойством. Это позволяет
использовать еѐ для защиты чѐрных металлов от коррозии в ряде случаев
позволяет заменить дорогостоящие сплавы.
Натриевая и калиевая соли кремниевой кислоты растворимы в воде; эти
соли можно получить кипячением диоксида кремния с раствором гидроксида
натрия или калия, в котором он медленно растворяется. Получаемый
концентрированный раствор силиката натрия называется жидким стеклом
(ж.с.). Область применения ж.с. очень велика.
Его применяют для
изготовления кислотоупорного цемента и бетона, для пропитывания тканей,
71
приготовления огнеупорных красок и покрытий по дереву (антипирены),
укрепления слабых грунтов, в качестве клея для склеивания целлюлозных
материалов, в производстве электродов, при очистке растительного и
машинного масла.
Нами при изготовлении окомкованных композиций для получения
кремния в руднотермических печах используется ж.с. в качестве связующего. В
данном случае среди свойств ж.с. нас интересует избыток щелочи в составе и
его хорошие адгезионные свойства. Количество связующего – 10-15% в шихте,
состоящего
из
мелкофракционного
углеродистого
восстановителя,
элементарного кремния, измельченного кремнезема [3].
В дальнейшем планируется обработать результаты эксперимента методом
планирования 3-х факторного эксперимента.
Библиографический список
1. Немчинова Н.В., Клѐц В.Э. Кремний: свойства, получение,
применение: учеб. пособие. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ,2008. - 272 с.
2. Куколев Г.В., Химия кремния и физическая химия силикатов: учебник
для вузов – М.: Высш. школа, 1966. - 464 с.
3. Немчинова Н.В., Клец В.Э., Черняховский Л.В. Силикаты натрия как
связующее для брикетов в производстве кремния // Известия вузов. Цветная
металлургия. – М., 1999. - №2. – С. 14-18.
УДК 66.012+66.021.4+66.023.2
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОДЕРНИЗАЦИИ
ТЕХНОЛОГИИ ПИРОЛИЗА ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
Н.И. Днепровская1, Е.В. Янчуковская2
1
аспирант кафедры химической технологии ИрГТУ, е-mail: natalildyvip@mail.ru
2
к.т.н., доцент кафедры химической технологии ИрГТУ, е-mail: lenyan@istu.edu
Эколого-экономический анализ переработки ТБО показывает, что
современным требованиям в наибольшей степени соответствует технология
комплексной переработки. Для практического вовлечения ТБО в комплексную
переработку необходим обоснованный выбор комбинационных технически
прогрессивных решений и их системное объединение [1].
При этом за основу должен быть взят пиролиз, т.к. термическому
разложению подвергаются многие углеродсодержащие компоненты и
органические фракции отходов, составляющие до 85% всей массы ТБО,
резинотехнические изделия, древесные отходы, некоторые виды пластмасс,
отходы нефтеперерабатывающих и коксохимических производств [2].
Однако традиционные методы создания высоких температур
(электронагрев, нагрев газомазутными горелками) в пиролизных реакторах
зачастую не являются выгодными в технологическом и экономическом плане.
Поэтому актуален вопрос о привлечении дополнительных источников энергии,
72
к которым относится, в частности, электромагнитное излучение СВЧ диапазона.
Основная проблема термического разложения отходов заключается в том,
что среди множества разработанных технологий пиролиза и аппаратов для его
проведения российский опыт базируется на принципах и технологиях,
используемых в термической переработке твердого древесного и угольного
топлива.
Кроме того, традиционные способы подвода тепла в рабочую зону (через
теплопередающую стенку) ведут к частичному разложению продукта,
порождая экологические проблемы и ухудшая экономику химикотехнологических систем.
Так же полностью отсутствуют методики проектного расчета и
конструирования аппаратов, моделирования и оптимизации процессов
пиролиза применительно к утилизации ТБО. Нет методов оценки
технологической и эколого-экономической надежности предлагаемых
технологий, что снижает инвестиционную привлекательность сферы
утилизации ТБО в целом.
Внедрение технологий пиролиза с получением таких целевых продуктов,
как синтез-газ, пиролизный кокс, мазут, в РФ нерентабельно в виду их низкой
конкурентоспособности по сравнению с аналогичными продуктами,
полученными из первичного сырья; либо технологии пиролиза ТБО требуют
большой ресурсоэнергоемкости и значительных инвестиций, что препятствует
их внедрению в практику переработки отходов.
Решение названных проблем заключается в модернизации существующих
технологий
пиролиза
с
применением
современных
достижений
фундаментальной науки и компьютерных программных средств моделирования
и расчета технологических процессов [3]. Актуальными становятся следующие
исследовательские направления модернизации процессов пиролиза ТБО:
● проверка адекватности существующих моделей процесса и определение
взаимосвязи некоторых параметров (температура, давление, скорость нагрева,
способ нагрева и подвод дополнительной энергии из вне, степень измельчения
сырья, расход сырья и псевдоожиженность слоя, вид и физико-химические
свойства катализатора);
● изучение синергетических (либо антагонистических) эффектов,
возникающих при совместном пиролизе углеродсодержащих компонентов ТБО
и отходов производства (угольной, нефтеперерабатывающей, гидролизной
промышленности);
● моделирование процесса пиролиза, учитывающее влияние входных
параметров на результат и друг на друга (для случая пиролиза
многокомпонентной смеси), позволяющее провести технологические расчеты и
спрогнозировать технико-экономические показатели;
● разработка аппаратурного оформления процесса, которое позволит
оптимизировать технологию, интенсифицировать теплопередачу, уменьшить
73
гидравлические потери движущихся потоков, использовать меньшее число
аппаратов [5, 6].
Кроме того, следует учитывать, что полная замена термических печей
потребует колоссальных финансовых затрат, поэтому вариант модернизации
существующих установок более перспективен, так как затраты окупятся за
короткий срок.
В ООО «Инженерные Технические Системы» (г. Москва) при участии
кафедры химической технологии Иркутского государственного технического
университета и Российского химико-технологического университета им. Д.И.
Менделеева были проведены научные изыскания, целью которых является
создание инновационной технологии эффективной переработки твердых
бытовых отходов в конечные целевые полезные продукты.
Основная научная гипотеза в исследованиях базируется на следующих
положениях:
1. Отдельные компоненты и фракции ТБО, подвергаемые пиролизу в
чистом (сепарированном) виде, описываются модельными уравнениями и
зависимостями. Различные вариации этих уравнений позволят создать модель
пиролиза многокомпонентной смеси.
2. В мировой литературе остается малоизученным влияние
электромагнитного сверхвысокочастотного поля на различные термические
процессы. Особенность процесса пиролиза заключается в том, что волновое
воздействие в сочетании с традиционными методами высокотемпературного
нагрева переводит молекулы разлагаемого вещества в более возбужденное
состояние. В результате должно происходить усиление (синергетический
эффект) влияния температурного поля на отдельные параметры проведения
пиролиза и повышение выхода ценных продуктов, а так же повышение
экономических показателей.
3. Использование волнового воздействия в сочетании с естественным или
синтетическим катализатором ускорит процесс химического превращения
газообразных продуктов пиролиза в жидкие углеводороды ряда С6 - С10.
4. Математическое описание волнового воздействия на теплопередачу и
кинетику пиролиза позволит создать методику расчета и анализа
эффективности пиролиза многокомпонентной органической фракции ТБО.
Теоретическими задачами исследований при этом являются:
1. Сравнительный анализ кинетических, тепловых, гидродинамических
характеристик процесса пиролиза отдельных компонентов отходов
производства [4].
2. Создание методологии исследований - на основе обобщения и
математического анализа вышеуказанных характеристик.
3. Вывод критериев подобия для определения взаимосвязи определяющих
факторов
процесса
термического
разложения
многокомпонентной
органической фракции ТБО.
74
4. Планирование эксперимента по пиролизу с целью проверки
адекватности полученных критериев.
При выполнении экспериментальной части проекта поставлены
следующие задачи:
1. Проектирование и монтаж опытной установки пиролиза органических
отходов, позволяющей исследовать термодинамику и катализ процесса в поле
волнового излучения.
2. Запуск установки и проведение опытов по воздействию определяющих
параметров (например, таких как температура, давление, мощность волнового
излучения, расход и степень измельчения сырья, организация движения потока
сырья, тип и характеристика катализатора) на выход и состав конечных
продуктов.
3. Пробоотбор, физико-химический анализ и определение качественного
состава продуктов пиролиза, полученных при наилучших показателях
эксперимента [7].
4. Анализ отходящих газов пиролиза на содержание токсичных газов
(угарный газ, углекислый газ, бензапирен, диоксины), расчетная оценка
условий, при которых наиболее вероятно появление указанных газов.
5. Обработка результатов экспериментов методом статистического
моделирования, получение уравнений регрессии, проверка адекватности
уравнений модели, связывающих определяющие факторы и технологические
показатели.
Практическими задачами данного исследовательского проекта являются:
1. Создание обобщенной модели процесса пиролиза многокомпонентной
органической фракции ТБО с учетом уравнений, описывающих
экспериментальные результаты.
2. Использование критериальной модели пиролиза и опытных данных в
проектировании полупромышленной установки и реализации технологии
волнового каталитического пиролиза ТБО, направленной на получение
преимущественно синтез-газа и моторных топлив.
3. Разработка метода энергосбережения и интенсификации пиролиза ТБО.
Таким образом, разработав технологию нового типа, можно будет решить
многие проблемы утилизации твердых бытовых отходов.
Библиографический список
1. Гунич С.В. Перспективы развития пиролитической технологии
переработки органических компонентов твердых бытовых отходов в моторное
топливо / С.В. Гунич, Е.В. Янчуковская, Н.И. Днепровская // Вестник
Иркутского государственного технического университета. – 2011. - № 2. - с.
124—128.
2. Янчуковская Е.В. Перспективы технологии СВЧ-термолиза
органических компонентов твердых бытовых отходов/ Е.В. Янчуковская, Н.И.
75
Днепровская, С.В. Гунич// Успехи в химии и химической технологии: сб.
научн.тр. - Москва, 2012. - С. 114-118.
3. Днепровская Н.И. Разработка технологии СВЧ-термолиза твердых
бытовых отходов/ Н.И. Днепровская, Е.В. Янчуковская, Е.В. Сауло, Н.А.
Ищук// Переработка углеводородного сырья: сб. научн. тр. – Иркутск, 2012. –
С. 9-12.
4. Гунич С.В. Экспериментальное определение материального баланса
технологии СВЧ-термолиза твердых бытовых отходов/ С.В. Гунич, Е.В.
Янчуковская, Н.И. Днепровская// Перспективы развития технологии
переработки углеводородных, растительных и минеральных ресурсов: сб.
статей. – Иркутск, 2013. – С. 150 – 152.
5. Днепровская Н.И. Схема технологии переработки твердых бытовых
отходов СВЧ-термолизом/ Н.И. Днепровская, Е.В. Янчуковская// Переработка
природного сырья: сб. научн. тр. – Иркутск, 2013. – С. 59-62.
6. Днепровская Н.И. Интенсификация процесса высокотемпературного
пиролиза электромагнитным полем/ Н.И. Днепровская, Е.В. Янчуковская //
Перспективы развития технологии переработки углеводородных, растительных
и минеральных ресурсов: сб. статей. – Иркутск, 2014. – С. 170 – 172.
7. Гунич С.В. Состав углеродного остатка при утилизации
несортированных твердых бытовых отходов методом СВЧ-термолиза/ С.В.
Гунич, С.Г. Дьячкова, Е.В. Янчуковская, Н.И. Днепровская// Химическая
технология. 2014. № 9. С. 572-575.
УДК 547.211,261+ 661.9
ПЕРСПЕКТИВЫ И НАПРАВЛЕНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТАНА В
КАЧЕСТВЕ ХИМИЧЕСКОГО СЫРЬЯ
А.В.Болдаков1, С.Г. Дьячкова2
1
магистрант гр. ХТм-13 ИрГТУ, e-mail: boldakov@hotmail.com
2
доктор химических наук, профессор, e-mail: dyachkova@istu.edu
В Восточно-сибирском регионе сосредоточено свыше 54 трлн м3, или
около 21% начальных суммарных ресурсов газа. Степень разведанности
ресурсов газа в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке 8,6 и 11,3%
соответственно. Общая оценка прогнозных извлекаемых ресурсов газа в
пределах Иркутской области составляет 7,5 трлн. куб. м газа. [1,2,3]
В настоящее время природный газ используется в основном в
энергетических целях: как горючее для автотранспорта, тепловые
электростанции на природном газе наиболее экологически чистые, пропан бутановая фракция применяется в качестве бытового газа. В небольших
количествах метан используют в металлургической промышленности как
восстановитель. Однако степень химической переработки природного газа в
ценные продукты остается на низком уровне, а значительная часть попутного
нефтяного газа сжигается в факелах, что приводит к невосполнимой потере
76
ценного сырья и порождает сложные экологические проблемы в регионах
добычи [1,2].
По мере роста дефицита нефтяных ресурсов, являющихся основным
сырьем современной нефтехимии, все больший интерес привлекает
возможность перевода ряда базовых нефтехимических процессов на природный
газ, т. е. переход к газохимическим технологиям [3]. В настоящее время как
химическое сырье используется лишь малая доля (~5 %) добываемого
природного газа.
Основным компонентом природного газа является метан, содержание
которого в зависимости от месторождения колеблется от 55 до 95%. Например,
содержание метана в пластовом газе Ковыктинского ГКМ составляет около
90%. Метан можно также рассматривать как возобновляемое сырье. Он может
образовываться в процессе биохимической деструкции органического сырья.
Высокое содержание в природном газе, доступность и относительно невысокие
экономические затраты на выделение определяют
перспективность
использования метана в качестве прекурсора широкого ряда углеводородов, и
дают новый виток развития газохимии. Вместе с тем, высокая химическая
стабильность метана в термокаталитических реакциях делает газохимические
процессы более сложными и энергоемкими, требующими, как правило, более
высоких капитальных затрат по сравнению с аналогичными нефтехимическими
процессами.
Рис. 1. Использование метана в качестве химического сырья
Химические реакции на основе метана представляют огромный
практический и теоретический интерес, так как позволяют получать
77
органические соединения из природного газа практически без какой-либо
предварительной переработки и дают новые представления о природе С-С
связей в алифатических углеводородах, протекающих в ходе каталитических
процессов. В настоящее время на базе метана получают хлорсодержащие
растворители, сероуглерод, синильную кислоту. Пиролизом метана производят
ацетилен и этилен. Каталитическая конверсия метана водяным паром является
основным методом производства водорода и синтез-газа (смесь СО и Н2 в
различных соотношениях). В свою очередь, синтез-газ в процессе ФишераТропша может быть превращен в различные кислородсодержащие соединения
(метанол, формальдегид, ацетальдегид, уксусную кислоту, этиленгликоль),
олефины, индивидуальные углеводороды, моторные топлива и другие
продукты [4,5]. В довоенной Германии синтез моторного топлива по Фишеру и
Тропшу получил значительное развитие, но сейчас имеются лишь единичные
производства в ЮАР.
Особый исследователей и производителей в последнее время привлекают
следующие процессы на основе метана:
•
получение синтез-газа;
•
прямое каталитическое превращение метана в этилен окислительная конденсация метана;
•
прямое каталитическое окисление метана в кислородсодержащие
продукты - спирты и формальдегид.
Разработка новых и совершенствование существующих газохимических
процессов в последние годы становится особенно актуальным и является одним
из главных условий успешного развития мировой экономики.
Библиографический список
1. «Газификация без газа». Сибирский энергетик. Номер № 283 от 25 мая
2012 г
2. http://www.catalogmineralov.ru/deposit/irkutskaya_oblast
3. Коржубаев А.Г., Филимонова И.В., Эдер Л.В.-Технология нефти и газа,
2011, №4, с. 3-9,.
4. Аншиц А.Г.,. Воскресенская Е.Н.-Соросовский образовательный
журнал, 1999, № 9, с. 38-43.
5. Арутюнов В.С. Окислительная конверсия метана, Москва: Красанд,
2011. 240С.
78
УДК 66.048.3.069.833
ОБЗОР КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВ
РЕКТИФИКАЦИОННЫХ КОЛОНН
Д.И. Веренинов1, В.Н. Сапрыгина2
1
студент гр. ХТТ -10-1 ИрГТУ, e-mail: vereninovdimanche@mail.ru
2
к.х.н., доцент кафедры химической технологии ИрГТУ, e-mail:
saprvera@istu.edu
Эксплуатация устаревших контактных устройств в производстве, с одной
стороны нарушают технологический режим с другой ухудшают его качество.
Характеристики насадки ВАКУПАК рассмотрены в предыдущей работе
по производству трансформаторных масел [1].
В настоящее время насадка ВАКУПАК в ряде случаев обеспечивает
надежную работу колонн разного назначения, от вакуумной перегонки до
атмосферно-ректификационных колонн. Повышение эффективности новой
насадки достигнуто в результате увеличения удельной поверхности в единице
объема слоя насадки и повышения эффективности использования этой
поверхности путем оптимальной организации потоков контактирующих фаз.
По рабочим характеристикам насадка ВАКУПАК (рис. 1) близка к
зарубежной насадке Mellapack 125У. Фирма Sulzer рекомендует насадку для
колонн диаметром 200-12000 мм 12 типов[2]. Насадка ВАКУПАК разработана
совместно ВНИИнефтемашем и фирмой ―Apparate-und Anlagenbau Germania‖.
(Рис 2).
Рис 1.
Рис 2.
Рис3.
Среди регулярных насадок получили распространение сетчатые насадки к
которым относится и насадка, разработанная Г.М. Панченковым.
(Рис 3).
Насадка представляет сотканную из пучка металлических проволочек ленту,
поверхность которой гофрированна в форме шеврона с углом при вершине
120˚. Такую насадку в колонне устанавливают в виде рулонов высотой 100мм,
расположенных друг над другом и плотно прилегающих к стенке колонны.
В настоящее время Mellapack разработала центробежные тарелки которые
обеспечивает высокую интенсификацию как по газовой так и по жидкой фазе.
79
Большое сечение переточных труб и расположение их в центре завихрителя в
области вихря способствует достижению высокой пропускной способности
тарелки по жидкости 120 м2/(м2•ч) [3].
Таким образом, в настоящее время разработан целый ряд контактных
устройств, повышающих эффективность массообменных процессов в
ректификационных колоннах.
Библиографический список
1. Гредюшко М.Ю. Перспективы развития технологии переработки
углеводородных, растительных и минеральных ресурсов/ М.Ю. Гредюшко,
А.П. Машуков, В.Н. Сапрыгина //мат-лы IV Всерос. науч.-практ. конф. с
междунар. Участием (Иркутск, 24-25 апреля 2014 г.).- Иркутск: Изд-во ИрГТУ,
2014. – С. 191-192.
2. Ратовский Ю.Ю. Насадки ВАКУПАК и КЕДР для вакуумных колонн
установок АВТ / Ю.Ю. Ратовский, Ю.Н. Лебедев, В.Г. Чекменев // Химия и
технология топлив и масел.- 2004.-№ 1.-С.55-57.
3. Чекменев В.Г. насадка КЕДР /В.Г. Чекменев, Ю.Н. Лебедев, И,А,
Александров, В.Д. Косьмин //ХТТМ. – 2004. - № 1. – С. 53.
УДК 665.637.62
УСТАНОВКА ГИДРОПОДГОТОВКИ РАФИНАТОВ (RHT)
КАТАЛИТИЧЕСКОЙ ДЕПАРАФИНИЗАЦИИ (MSDW)
В.В. Готовский1, С.А. Диденко2, А.Л. Шевнин3, Н.Д. Губанов4
1
студент гр. ОХПм-13-1 ИрГТУ, e-mail: vasiliyvg@mail.ru
2
студент гр. ОХПм-13-1 ИрГТУ, e-mail: sdiden@mail.ru
3
студент гр. ОХПм-13-1 ИрГТУ, e-mail: a_shevnin@anhp.ru
4
к. т. н., доцент кафедры химической технологии ИрГТУ, e-mail:
gubanov_nd@istu.edu
Основная общемировая тенденция в области нефтяных моторных масел –
замещение базовых масел I группы по классификации API маслами II и III
групп, которые обладают лучшими эксплуатационными и экологическими
характеристиками и обеспечивают более надежную работу оборудования по
сравнению с маслами I группы.
В ОАО «АНХК» вырабатываются масла I группы по традиционной
технологии: деасфальтизация гудрона, селективная очистка деасфальтизата и
дистиллятов, депарафинизация рафинитов, гидрооблагораживание. С целью
создания
современного,
конкурентоспособного
производства
масел
планируется реализация мероприятий, включающих комбинированную
технологию производства базовых масел I, II и III групп.
Эти мероприятия предусматривают оптимизацию действующей
сольвентной технологии производства базовых масел I группы и внедрение
наиболее перспективных процессов: гидроподготовки (гидроконверсии)
80
рафинатов с последующими гидроизодепарафинизацией и гидродоочисткой
целевых масляных фракций. Фирма «Exxon Mobil» -лицензиар этой технологии
разработала базовый проект процесса, на основе которого рассматривается
проведение проектирования всего комплекса строительства новой
мощности [1].
Технология компании ExxonMobil, включающая гидроконверсию
рафината (RHT) и каталитическую изодепарафинизацию (MSDW), позволяет
получать масла, имеющие как низкую вязкость, так и летучесть.
Проектируемая на нефтеперерабатывающем заводе ОАО «АНХК»
установка гидрокаталитических процессов предназначена для производства
базовых масел групп II, III и III+ по классификации API [2].
В настоящее время на нефтеперерабатывающем заводе АНХК имеется
две вакуумные ректификационные колонны для смазочного масла, работающих
последовательно, для производства двух масляных дистиллятов (маловязкой и
вязкой фракций). Как показано на рисунке 1, в первой вакуумной
ректификационной колонне (K-10) происходит разделение атмосферного
кубового продукта на погон, кипящий в широких пределах (280-540°C), а во
второй
вакуумной
ректификационной
колонне
(K-11)
происходит
фракционирование этого погона на три узкие фракции (фракция
трансформаторного масла, низковязкая фракция и высоковязкая фракция).
Следует обратить внимание на то, что при имеющейся технологии средневязкая
фракция не производится, ее производство будет добавлено после
реконструкции K-11. Переработка низковязкого и высоковязкого дистиллятов
производится раздельно на установке селективной очистки фенолом и
установке депарафинизации с использованием метилэтилкетона/толуола для
получения базовых масел группы I по API.
Для
новой
установки
гидроподготовки
и
каталитической
депарафинизации рафината RHT-MSDW будет выполнена реконструкция
второй вакуумной ректификационной колонны (K-11) для производства
дополнительного дистиллята (средневязкой фракции) и улучшения
эффективности
разделения
всех
фракций.
На
новую
установку
RHT-MSDW будут подаваться только средневязкие и высоковязкие фракции.
Средневязкая фракция из реконструированной вакуумной ректификационной
колонны будет перерабатываться на существующей установке селективной
очистки фенолом, производя сырье для производства базового масла группы II 6
сСт и группы III 5 сСт. Имеющаяся высоковязкая фракция из
реконструированной колонны будет перерабатываться на существующих
установках
селективной
очистки
и
депарафинизации
метилэтилкетоном/толуолом с получением депарафинизированного масла и
гача. Полученные депарафинизированное масло и гач будут перерабатываться
отдельно
на
новой
установке
RHT-MSDW для производства базовых масел группы II 7сСт и группы III+ 5
сСт, соответственно.
81
Установка RHT-MSDW состоит из трех реакторов: гидроподготовки,
гидродепарафинизации и гидрофинишинга. В реакторе гидроподготовки,
использующем высокоактивный никель-молибденовый катализатор, происходит
гидрообессеривание и деазотирование, повышение индекса вязкости и
насыщение ароматических углеводородов. В реакторе гидродепарафинизации,
содержащем катализатор пред-депарафинизации и депарафинизации
происходит изомеризация парафина с целью снижения температуры
застывания. На последнем этапе, в реакторе гидрофинишинга, содержащем
катализатор специальный катализатор (MAXSAT) происходит насыщение
остаточных ароматических углеводородов с улучшением цвета и стабильности.
Рисунок 1. Конфигурация новой установки по производству базовых масел на
ОАО АНХК (показана реконструкция колонны K-11)
Для производства базовых масел групп II и III из средневязкого рафината
реактор гидроподготовки будет работать в двух разных режимах интенсивности
для получения различных характеристик индекса вязкости (100 и 120).
Высоковязкое масло после сольвентной депарафинизации будет проходить
процесс гидроподготовки и депарафинизации в установке RHT-MSDW.
Несмотря на проведенную депарафинизацию этого погона, требуется его
дополнительная депарафинизация, так как в самом реакторе гидроподготовки
образуются некоторые виды парафинов. Гач после этапа сольвентной
депарафинизации высоковязкого рафината пройдет процесс умеренной
гидроподготови и каталитической депарафинизации на установке RHT-MSDW с
целью получения масла группы III+ (индекс вязкости 140).
82
Проектная мощность установки будет основана на имеющейся
максимальной подаче сырья в объеме 223,2 килотонн в год. Имеющиеся
количество исходного сырья указан в таблице 1. Этот общий объем составляет
120% от объема, включенного в предложение от 2006 г. Имеющиеся ресурсы
сырья, вместе с эксплуатационным коэффициентом 95% обеспечат проектную
производительность в объеме 4610 баррелей за день работы, или 30,6
стандартных кубометров в час.
Таблица 1. Имеющееся количество исходного сырья по проекту установки
RHT-MSDW
Исходное сырье
Рафинат средней
вязкости
Рафинат средней
вязкости
Вязкое масло
депарафинированное
растворителем
Вязкий гач
Итого
Базовое
масло
группа,
стандарт API
тыс.
тонн/год
Плотность
при 15°C
(кг/ст.м3)
Объем/год
(ст.м3/год)
II
73,2
877,6
83,409
III
33,6
877,6
38,286
II
97,2
888,6
109,386
III+
19,2
223,2
826,4
23,233
254,314
Библиографический список
1. Ёлшин А.И. Инвестиционная деятельность – основа создания
современного высокоэффективного производства// Химия и технология топлив
и масел. 2008. №2. С.7-9.
2. Пат. № 2211855 Способ каталитической депарафинизации
углеводородного сырья и способ получения базовых смазочных масел с его
использованием. Барр Ги (FR), Дарнанвиль Жан-Поль (FR), ЮВ Лоран Жорж
(NL). ШЕЛЛ ИНТЕРНЭШНЛ РИСЕРЧ МААТСХАППИЙ Б.В. (NL)
83
УДК 66.012
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ
ПРОГРАММ ASPEN PROCESS ECONOMIC ANALYZER
И ASPEN CAPITAL COST ESTIMATOR КОМПАНИИ ASPEN TECH
Р.Б. Гуринович1, Т.С. Савельева2, Г.В. Боженков3
1
магистрант группы ОХПм-13-1, ИрГТУ, e-mail: rarenumber@gmail.com
2
магистрант группы ОХПм-13-1, ИрГТУ, e-mail: pts826@gmail.com
3
кандидат химических наук, доцент кафедры химической технологии ИрГТУ,
bgv74@inbox.ru
Деятельность специалистов нефте- и газодобывающей, а также
перерабатывающей промышленности во всем мире направлена на
усовершенствование технологического процесса и получение достоверных
предсказаний параметров. Для современного инженера все актуальнее
становится возможность нахождения оптимального способа осуществления
технологического процесса в сжатые сроки и с минимальной вероятностью
допущения ошибок. Кроме того, решения, принимаемые технологами, должны
соответствовать поставленным бизнес-целям и в тоже время обеспечивать
эффективность, безопасность и рентабельность работы предприятия. [1]
Реализация этих задач возможна с помощью программных продуктов Aspen
One Engineering, предлагаемых компанией Aspen Technology, существующей в
программной индустрии уже более 30 лет.
Наиболее ярким примером успешного применения программ,
разработанных данной компанией, является программный пакет Hysys,
построенный на основе надежных и проверенных методов расчета
технологических процессов. Уже более 25 лет Hysys применяется для
моделирования процессов добычи нефти и газа, нефте- и газопереработки.
Программа с одинаковым успехом работает в проектных и инжиниринговых
фирмах, в ПКО заводов, в научно-исследовательских институтах и на заводских
установках. [2]
Программные продукты Aspen One для инженерных расчетов и
моделирования позволяют точно оценивать различные варианты вложения
инвестиций уже на ранних этапах разработки проекта.
Все модели в программных продуктах Aspen One созданы на основе
знаний технологических процессов и объединяют в себе все предыдущие
инженерные инновации и достижения информационных технологий, и дают
надежные результаты, проверенные на реальных промышленных установках.
В настоящее время особый интерес приобретают программные продукты
экономической оценки компании Aspen Tech: одна из них Aspen Process
Economic Analyzer, позволяет выполнять экономический расчет на стадии
проектной документации с точностью 30-40%, вторая - Aspen Capital Cost
Estimator, предоставляет инженерам возможность экономически оценить
стадию рабочей документации с точностью до 10%. [3]
84
Aspen Process Economic Analyzer стал международным промышленным
стандартом для экономической оценки и документирования производственных
проектов. В отличие от конкурирующих пакетов, программы Aspen не
используют для оценки проектов ни наперед заданные зависимости цены
аппарата от его емкости, ни какие-либо зависимости стоимости возведения от
объема устанавливаемой аппаратуры. Технология основывает свои расчеты на
уникальном методе, когда оборудование, вместе со вспомогательными
конструкциями и устройствами, представлено в виде сложных "монтажных
моделей", основанных на методиках сборки и монтажа этого оборудования.
Применение Aspen Process Economic Analyzer предоставляет огромные
возможности:
На производстве:
- Улучшение согласованности методик при оценке затрат и создание
общей базы знаний по оценке затрат;
- Создание надежной базы для принятия решений по выделению средств
на этапах капитального строительства;
- Поиск наиболее выгодных альтернативных решений по проекту,
определение возможных проблем и зон риска на ранних стадиях подготовки
проекта;
- Активно управлять изменениями в проекте на локальном уровне,
недопуская пересмотра и срыва всего проекта.
На уровне компании:
- Стандартизация и интеграция процесса проектирования и избежание
дублирования усилий в течение всего срока разработки проекта;
- Создание корпоративной базы знаний для поддержки бизнес- и
инженерных решений;
- Улучшение точности смет путем использования принятой во всем мире
методологии и используемых во всем мире баз данных;
-Анализ альтернативных технологий, альтернативных компоновок
проектов, а также различных планов строительства с точки зрения
экономической эффективности;
- Качественное улучшение процесса принятия экономических решений,
выбор оптимальной стратегии финансирования и борьбы за бюджет уже на
ранних стадиях проектирования;
- Минимизация сметных ошибок как в большую, так и в меньшую
сторону;
- Экономическая оценка рисков по проекту на ранних стадиях;
- Увеличение производительности труда экономистов и осуществление
проверки большего количества альтернатив за то же время. [4]
Среди основных функций программы Aspen Capital Cost Estimator следует
отметить следующие:
- определение подробного перечня работ по проекту от концептуального
проектирования до шеф-монтажа;
85
- расчет человеко-часов по видам работ;
- расчет объемных и весовых характеристик оборудования;
- определение типов и количества необходимых материалов;
- составление плана-графика работ;
- определение количества монтажных материалов;
- распределение энергопотребления;
- определение геометрии площадок и строительных конструкций;
- планировка и детализация схем трубопроводов и КИП;
- формирование подробной оценки стоимости проекта.
Формирование отчетов в Aspen Capital Cost Estimator возможно в
нескольких вариантах:
1. Промежуточные сметы по отдельным аппаратам:
- проект и сметная стоимость по отдельным элементам оборудования;
- только прямые затраты.
2. Выгрузка генплана объекта;
3. Выгрузка схемы КИПиА;
4. Оценка проекта:
- интерактивный мастер отчетов позволяет выбирать формат отчѐта
(Excel , Crystal Reports, HTML);
- отчеты по прямым и косвенным затратам.
В настоящее время компания Aspen Tech ведет работу по формированию
региональных баз для России. Региональные базисы стоимостей отражают
стоимости продукции, ставок оплаты труда, конструктивные коды для региона.
Индексация определенных показателей позволяет вводить корректировки к
стоимости материалов и трудозатрат для соответствия конкретным условиям.
[2]
С начала 2014г. в ОАО «Ангарскнефтехимпроекте» ведется активная
работа по изучению и внедрению программ Aspen Process Economic Analyzer и
Aspen Capital Cost Estimator в произвоственную деятельность проектного
института.
Не смотря на то, что в настоящее время применение программных
продуктов экономической оценки компании Aspen Tech не в состоянии
заменить сметных расчетов в полной мере, данные программы необходимы на
ранних стадиях проектирования, т.к. позволяют значительно сократить время
на решение инженерных задач, повысить производительность и улучшить
качество инженерных расчетов на различных стадиях проектирования.
Библиографический список
1. Черепашков А.А., Носов Н.В. Компьютерные технологии,
моделирование и автоматизированные системы в машиностроении: гриф УМО
АМ: Издательский Дом «Ин-Фолио», 2009. — 640 с: ,илл.ISBN 978-5-90382622-3.
86
2. Атабегова Е. Семейство решений для экономической оценки от Aspen
Tech /Материалы семинара «Решения Aspen Tech для комплексного
проектирования и моделирования химико-технологических процессов в
области добычи, подготовки и транспортировки нефти и газа» в
ОАО «НК Роснефть», - Самара, 2013.
3. Shelby H., GlagolaJ., Tremblay D. Jump Start: Activated Economics in
Aspen HYSYS V8.4/ Aspen Technology Inc, - USA, 2013.
4. www.aspentech.com
УДК 665.77
ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ В
ДОРОЖНОМ, ГРАЖДАНСКОМ И ПРОМЫШЛЕННОМ
СТРОИТЕЛЬСТВАХ В ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ
О.И. Дошлов1, А.Б. Гритчин2, К.А. Трезубов3, И.О. Дошлов4
1
кандидат химических наук, профессор кафедры химической технологии
ИрГТУ, e-mail: doshlov125@mail.ru
2
студент 1-ого курса Института Металлургии и Химической Технологии
ИрГТУ, e-mail: sgb96@yandex.ru
3
студент 1-ого курса Института Металлургии и Химической Технологии
ИрГТУ, e-mail: iiikirill@yandex.ru
4
магистрант I года обучения кафедры обогащения полезных ископаемых и
инженерной экологии ИрГТУ, e-mail: doshlov@mail.ru
Впервые в Сибири создан технологический комплекс (рис. 1) для
получения полимерно-битумных вяжущих, которые используются в дорожном,
гражданском и промышленном строительстве для условий первой жесткой
климатической зоны: Восточная Сибирь, Дальний Восток, Монголия, Китай,
Федеральной дороги «Амур» и «Байкал».
Рис. 1. Технологический комплекс по получению композиционных вяжущих
(цех 7/9, ОАО «АНХК»)
87
Потоки:
I.
Гудроны различного происхождения;
II. Асфальт деасфальтизации жидким пропаном;
III. Крекинг-остатки;
IV. Подготовленное сырье;
V.
Окислительные битумы (дорожный и строительный);
VI. Эмульгатор;
VII. Вода, подкисленная;
VIII. Катионная битумная эмульсия;
IX. Спецкеросин;
X.
Гач;
XI. Битумный лак;
XII. Окислительный атактический полипропилен;
XIII. Модифицированные битумы;
XIV. Раствор полимера;
XV. БПМ;
XVI. Герметики.
Центральным научно-конструкторским бюро (ЦНКБ) оборонной
промышленности (г. Москва) по конверсионной программе изготовлена
установка по производству модифицированного битума ПС-100. В процессе
адаптации установки в структуру НПЗ она была модернизирована, создано
складское хозяйство и ряд новых дополнительных блоков. Монтаж этого
комплекса был произведѐн непосредственно на нефтеперерабатывающем
заводе в структуре битумного производства ОАО «АНХК», что является
первым опытом в Российской практике.
Ангарская нефтехимическая компания состоит из трех крупных заводов:
нефтеперерабатывающего, химического завода, завода масел. Поэтому имеется
большой выбор сырьевых компонентов и других реагентов для дальнейшего
расширения производства новых материалов. Преимуществом этого
комплекса является:
большой выбор сырьевых компонентов и реагентов и возможность их
маневра;
организация производства ПБВ по методу «передового образца» с
максимальным обеспечением постоянства свойств исходных сырьевых
компонентов битумных материалов;
возможность использования современной лабораторной и научноисследовательской базы комбината;
высокая квалификация обслуживающего персонала;
постоянный авторский надзор за работой комплекса.
На базе химического завода комбината в дальнейшем возможна
организация производства дорожных адгезионных присадок с использованием
целого ряда аминов, как промышленных отходов.
88
Создание в структуре нефтеперерабатывающего завода ОАО АНХК
принципиально
новой
технологии
получения
современных
и
конкурентоспособных продуктов на основе ПБВ является характерной
особенностью технической политики в интеграцию процессов экономического
развития регионов Сибири и Дальнего Востока [1].
Освоение производства ПБВ в перспективе позволит значительно
расширить ассортимент выпускаемой продукции битумного производства, в
том числе для укрепления грунтов и малопрочных каменных материалов в
дорожном и гражданском строительстве, производстве кабеля с улучшенными
эксплуатационными свойствами.
Применение в Восточной Сибири
На сегодняшний день 50% автомобильных дорог России не соответствует
требованиям по температуре хрупкости, эластичности, адгезионной
способности, износостойкости. Одной из причин происходящего является
использование дорожных материалов, не соответствующих климатическим
условиям их эксплуатации. В связи с этим становится актуальной проблема
подбора современных и долговечных материалов, имеющие более высокие
технические показатели.
Поэтому основной задачей проводимых исследований является
получение вяжущих для дорожного строительства на основе нефтяных
битумов, способных продолжительное время функционировать в жестких
климатических условиях без существенных потерь эксплуатационных свойств.
Выпускаемые на протяжении многих лет окисленные нефтяные битумы в
России производятся по устаревшей технологии и не обеспечивают достаточно
высокое качество дорожного полотна. [3]
Модифицирование битумов полимерами по двух стадийной технологии
позволяет существенно улучшить характеристики вяжущих. В приведенной
ниже таблице сравниваются основные эксплуатационные характеристики
вяжущих для дорожного строительства.
Сравнение характеристик битума и полимерно-битумных вяжущих
Характеристики
Битум дорожный
БНД 60/90
(ГОСТ 22245-90)
Полимерно-битумное
вяжущее ПБВ 60
(ГОСТ Р 52056-2003)
60
20
60
32
Глубина проникания иглы, 0.1мм,
не менее
При 25°С
При 0°С
Растяжимость, см, не менее
89
При 25°С
При 0°С
Температура размягчения КиШ,
°С, не ниже
Температура хрупкости по Фраасу,
°С, не выше
Эластичность, %, не менее
При 25°С
При 0°С
55
3,5
25
11
47
54
-15
-20
-
80
70
На основе исследований были получены следующие результаты: добавки
небольшого количества полимера (3-5% термоэластопласта) и некоторых
других материалов заметно улучшают качество покрытий таких как,
морозостойкость (температура хрупкости до -35ºС), трещиностойкость,
сдвигоустойчивость, при этом в 2 раза повышается долговечность дорог и
уменьшаются затраты на их ремонт.
Полимерно-битумные вяжущие (ПБВ) отличаются повышенной
долговечностью, улучшенными адгезионными и реологическими свойствами.
[4]
Освоение производства опытной партии ПБВ с использованием
отечественного термоэластопласта ДСТ-30-01 показало:
надежность работы всех технологических узлов опытно-промышленной
установки модификации битума;
высокое качество полученных ПБВ, полностью удовлетворяющих
требованиям на эти продукты.
Возможные области промышленного применения полимерно-битумных
вяжущих:
1. Современные дорожные битумы (для дорог 1-й и 2-й категорий, Сибирь,
Дальний Восток, республика Саха);
2. Современные строительные и кровельные битумы; [2]
3. Основа для материалов «Изопласт», «Петрофлекс» (гидроизоляция для
гражданского и промышленного строительства);
4. Высококачественная защита трубопровода, герметики;
5. Основной компонент для битумных эмульсий; [2]
6. Мастика для аэродромных швов взлетно-посадочных полос.
Создание в структуре нефтеперерабатывающего завода ОАО «АНХК»
принципиально
новой
технологии
получения
современных
и
конкурентоспособных продуктов на основе ПБВ способствует
возникновению высокотехнологического производства в процессе развития
регионов Сибири и Дальнего Востока.
90
Библиографический список
1. Дошлов О.И. – Адгезия и адгезивы. Том 3. Полимерно-битумные
вяжущие (технология, получение, применение): монография. – Иркутск, 2006.
2. Грудников И. Б. Производство нефтяных битумов. : М. Химия 1983г.
3. Ёлшин А.И., Дошлов О.И., Кращук С.Г., Моисеев В.М.
Технологический комплекс по получению современных композиционных
вяжущих. Материалы н/т конференции ОАО «АНХК» «Актуальные вопросы
нефтепереработки и нефтехимии». 2003.
4. Окладников В.П., Дошлов О.И., Коновалов Н.П., Адгезия и адгезивы.
Том 1. Теория адгезии, свойства и характеристика органических адгезивов, их
модификация: Монография. – Иркутск, 1998. – 273 с.
УДК 665.777.43
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЕРНИСТОГО НЕФТЯНОГО КОКСА В ЦВЕТНОЙ
МЕТАЛЛУРГИИ И ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
М.А. Иринчеев1, О.И. Дошлов².
1
студент гр. ХТТб 11-1 института металлургии и химической технологии им.
С.Б. Леонова, ИрГТУ
2
профессор кафедры химической технологии ИрГТУ, email:
mr.irincheev@mail.ru
Многотоннажными потребителями нефтяного кокса в цветной
металлургии является производство восстановителей. А потребителем
нефтяного кокса в химической промышленности является производство
извести, соединений стронция и бария. Все возрастающая потребность в
металлургическом коксе доменного производства увеличивает его дефицит на
предприятиях химической промышленности и на других внедоменных
производствах[1].
В связи с этим нами был выполнен комплекс научно-исследовательских и
опытно-промышленных работ по частичной и полной замене дефицитного
доменного кокса сернистым нефтяным коксом. Впервые в отечественной
практике была разработана и внедрена технология восстановления технология
восстановления баритовых концентратов и целестиновых руд сернистой
нефтекоксовой мелочью, позволившая повысить производительность
вращающихся печей на 20-30%, увеличить коэффициенты извлечения солей
бария и стронция из плава на 10-15%, снизить расход восстановителя на 30% ,
сократить выбросы сернистого газа в атмосферу на 30 и шламов – на 15-20%
[2]. Благодаря этой технологии представляется возможность полностью
исключить использование доменного кокса в подотрасли.
Положительные результаты лабораторных и укрупнено-лабораторных
исследований, а также промышленных испытаний позволили разработать и
реализовать
в
промышленности
способ
получения
сернистого
91
металлургического кокса путем снижения реакционной способности
металлургического кокса Губахинского коксохимзавода, направляемого в
производство соды. Снижение реационноспособности достигается путем
введение в шихту коксования 5% (масс.) высокосернистой нефтекоксовой
мелочи ПО «Пермнефтеоргсинтез» взамен малосернистых слабоспекающихся
углей. Применение нефтяного кокса в шихте коксования углей позволило
уменьшить зольность металлургического кокса на 0,34 %, увеличить его
механическую прочность М40 на 3,16%, уменьшить массовую долю мелочи
кокса 0-25 мм на 0,17%, а также снизить реакционную способность кокса по
отношению к диоксиду углерода на 25% и повысить температуру его
воспламенения на 50˚С [3].
Важнейшим направлением создания базы по производству твердого
топлива и восстановителя с заданными свойствами для разнообразных
пиропроцессов является метод брикетирования углеродистых композиций с
органическим связующем [3]. В настоящее время разработаны физикохимические и технологические основы процесса термобрикетирования
сернистых и высокосернистых нефтяных коксов с нефтяным связующим. На
Донецкой брикетной фабрике ПО «Донецкуглеобогощения» в ходе испытаний
были определены оптимальные технологические параметры процесса
термобрикетирования нефтекоксовой мелочи с нефтяным связующим типа БН
70/30. Испытания показали, что добавкой нефтяного кокса в шихту
брикетирования углей можно регулировать содержание золы в угольных
брикетах и тем самым расширить сырьевую базу углей, поступающих на
брикетную фабрику.
Опытная партия
нефтекоксобрикетов (200т) была получена из
нефтекоксовой мелочи Ангарского НПЗ НК Роснефть и нефтяного брикетного
связующего (ТУ 56-4001-401—75).. Температура пара, подаваемого на
смешение шихты, составляла 200-230˚С, длительность пропарки -6-7 минут.
Массовое соотношение нефтекоксовой мелочи: связующее равнялось 89:11;
брикеты имели размеры 55Х45Х30 мм.
Основные показатели качества нефтекоксобрикетов в сравнении с
техническими характеристиками доменного кокса, представлены ниже в
таблице №1:
Показатели
Нефтекоксобрикет
Доменный кокс
5,9
6,0
1,8
0,8
7,5
1,0-2,0
10,0-17,0
7,0
15,8
1,0-1,5
ы
Содержание,
%
(масс.) рабочей влаги
серы
золы
Выход, % (масс.)
фракции 25мм
летучих
92
Влагопоглощение,
% (масс.)
Механическая
прочность
сбрасыванием, %
На сжатие, МПа
Теплота сгорания,
кДж/кг
6,6
10,0
95
95
9-12
35948
10-15
28000
Обжиг
известняка
с
использованием
в
топливной
смеси
нефтекоксобрикетов проводили в шахтной печи (высотой шахты 18 и
внутренним диаметром 4,5 м). Загрузку шихты в печь осуществляли с помощью
вагонеток. Топливо в вагонетку подавали порциями по 99-107 кг на
поверхность известняка массой 1400кг. При расходе 25% нефтекоксобрикетов
от массы доменного кокса (1-й этап) брикеты направляли в одну из четырех
вагонеток, при 50% - в каждые две из четырех (2-й этап) и при полной замене
доменного кокса в печь загружали только брикеты (3-й этап)[4].
В период обследования работы шахтной работы в течение
восьмичасовой смены контролировали следующие параметры: количество и
качество загружаемых известняка, кокса и получаемой извести, содержание
СО2, О2 и СО в техническом газе, давление и температуру верха и низа печи,
уровень шихты в печи. В период одной из смен суток определяли в газах
содержание сернистого ангидрида и пыли методами йодометрии и внешней
фильтрации соответственно.
Обжиг известняка в опытной печи на всех трех этапах характеризовался
получением технических газов высокого качества с содержанием 39,4 – 40,0 %
СО2. Средняя концентрация кислорода в печном газе равнялась 0,5 против 0,5 –
0,7% по обычной технологии с доменным коксом. Несколько большее
содержание СО в газе в этот период (2,2 – 2,7 против 1,7 – 1,8% по обычной
технологии) не превышало, однако регламентной нормы 3%. Загрузка
нефтекоксобрикетов в печь в количестве, равном расходу доменного кокса (107
кг), сопровождалась повышением температуры печных газов на 1-м этапе до
169˚С. При обжиге известняка с доменным коксом температура газов
колебалась в пределах 105 – 135˚С. Снижение расхода нефтекоксобрикетов до
102 кг позволило нормализировать работу печи на первом этапе (105,8 кг
топливной смеси). На втором и третьем этапах расход разовой порции брикетов
составлял 99 кг, при этом на втором этапе расход топлива равнялся 103, а на
третьем – 99 кг.
Повышенный температурный режим обжига известняка с расходом
топлива 105,8 кг сопровождался снижением скорости гашения извести с 12 – 16
до 6 град/мин; при расходе 103 кг топлива и оптимальной температуре обжига
скорость гашения извести повысилась до 10 – 12 град/мин, а с полной заменой
доменного кокса брикетами с расходом топлива 99 кг скорость гашения
93
достигла 18 град/мин. Следует отметить, что на третьем этапе повысился выход
недопала.
Таким образом, возможна частичная – до 50% - замена доменного кокса
нефтекоксобрикетами. Однако при этом необходимо снижать удельный расход
брикетов в топливной смеси. Использование одних непрокаленных брикетов не
рационально, поскольку при этом увеличивается выход недопала из-за низкого
расхода топлива и уменьшения зоны обжига известняка.
Отличительной особенностью обжига известняка с использованием
нефтекоксобрикетов является проведение двух операций в одном агрегате
прокаливание нефтекоксобрикетов в подготовительной зоне (при скорости
движения шихты 1,4 – 2,2 град/мин) и обжиг известняка в зоне горения
топлива.
Содержание серы в пересчете на SO4²ˉ при обжиге известняка с
нефтекоксобрикетами было несколько выше (1-й этап 0,48; 2-й – 0,51; 3-й –
0,51%), чем при обжиге с доменным коксом (0,46 %) вследствие перехода S в
известь из нефтяного кокса. Концентрация сернистых соединений в печном газе
находилась примерно на одном уровне и составляла 90 – 94 мг/м³.
Таким образом, результаты промышленных испытаний указывают на
возможность рационального использования сернистого нефтяного кокса в
металлургической промышленности и коксохимии в качестве топлива,
восстановителя и сырья коксования угольных шихт[5].
Библиографический список
1. Адгезия и адгезивы, III том. Влияние органических адгезивов на
структурообразование в процессах окускования и спекания дисперсных систем.
Иркутск 1995г.
2. Трутнев Г.А. и др. Авт. Свид. 722843; Бюл. Изобрет., 1980, № 11.
3. Кошкаров и др. Кокс и химия, 1982, № 3, с.25.
4. Кошкаров В. Я. И др. Там же, № 8, с. 17.
5. Сюняев З.И. Технический углерод, М. Химия 1999г., 420 с.
УДК 665.637.8:006.354
ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ
ПОЛИМЕРНО-БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ ДЛЯ ДОРОГ ВОСТОЧНОЙ
СИБИРИ
И.А. Калапов1, О.И. Дошлов2
1
студент гр. ХТТб 11-1 института металлургии и химической технологии
им.С.Б. Леонова, ИрГТУ, е-mail: kalapov_ivan@mail.ru
2
профессор кафедры химической технологии ИрГТУ
Современные битумы имеют широкое распространение во всем мире и
признаны в качестве наилучшего на сегодняшний день технологического
решения. В России к наиболее перспективным материалам нового поколения
94
относятся полимерно-битумные вяжущие (ПБВ) на основе блоксополимеров
типа стирол-бутадиен-стирол (СБС), нормативные требования к которым
регламентированы в ГОСТ Р 52056-2003 (Воронежский завод СК).
В нашей стране несколько высокая стоимость ПБВ обусловлена не только
введением дорогостоящих полимеров, но и необходимостью использования в
качестве пластификаторов товарных индустриальных масел, рекомендованных
ОДМ. 2.003-2007, руководством по применению ПБВ [1]. Следует подчеркнуть,
что индустриальные масла являются товарными продуктами нефтепереработки,
стоимость которых в настоящее время достигает 50 тыс. руб. за тонну, что
значительно удорожает стоимость полимерно-битумных вяжущих.
Целью данной работы является исследование возможности применения в
качестве пластификаторов нетоварных углеводородных фракций переработки
нефти различного углеводородного состава с соблюдением всех нормативных
требованием к качеству получаемых ПБВ по ГОСТ Р 52056-2003 для дорог
первой климатической зоны.
Для достижения поставленной цели был исследован углеводородный
состав нетоварных углеводородных фракций переработки нефти как
возможных пластификаторов: сырья для производства битумов СБ 40/60,
легких и утяжеленных гудронов и их смесей Ангарского НПЗ ОАО «АНХК»
НК «РОСНЕФТЬ».
Обычно, битумы модифицируются полимерами типа СБС, то для
пластификации следует использовать продукты с повышенным содержанием
ароматических соединений, так как наличие в структуре стирол-бутадиенстирольного полимера ароматических блоков обуславливает его сродство с
нефтяным битумом, содержащим значительное количество ароматических
соединений.[2] Групповой углеводородный состав возможных на любом НПЗ
России пластификаторов представлен в таблице 1.
Таблица 1.
Групповой углеводородный состав возможных пластификаторов
Пластификатор Ароматические
УВ
ТГКК
Гудрон ВУ8085с
Гудрон ВУ8034с
Гудрон ВУ8057с
СБ 40/60 ВУ
80-53с
ЗВГ
Асфальтены
Смолы
55,8
40,8
Парафинонафтеновые
УВ
40,3
15,4
7,3
6,8
38,8
33,2
32,0
9,5
27,9
31,0
28,5
9,8
34,1
30,7
18,8
10,6
41,1
25,5
50,6
3,8
23,5
95
Из данных таблицы 1 также видно, что при увеличении вязкости
гудронов наблюдается уменьшение количества парафино-нафтеновых
углеводородов и увеличение содержания ароматических углеводородов.
Следовательно, утяжеленные гудроны могли бы быть пластификаторами для
приготовления ПБВ. В то же время, с утяжелением гудрона наблюдается также
увеличение концентрации асфальтенов, что влечет за собой ухудшение
показателя «температура хрупкости».[3] Таким компонентом может быть ЗВГ,
имеющий в своем составе 45-50% парафино-нафтеновых УВ.
В качтве полимера для получения образцов ПБВ с различными
пластификаторами
использовался
отечественный
термоэластопласт
блоксополимеров дивинила со стиролом типа СБС марки ДСТ 30 Р-01
Воронежский завод СК. Этот полимер образует в битуме пространственную
сетку, что позволяет даже при небольших концентрациях придать композиции
свойства полимера. Кроме испытаний по ГОСТ Р 52056-2003, дополнительно
были проведены испытания образцов после прогрева, характеризующие
фактическое качество вяжущего, находящегося непосредственно в составе
полимер-асфальтобетонной смеси и дорожном покрытии: изменение массы,
остаточная пенетрация, температура хрупкости, растяжимость при 25ºС,
эластичность. Результаты исследований ПБВ на основе битумов БНД 60/90,
БНД 90/130 и полимера ДСТ 30 Р-01, полученных с использованием в качестве
пластификаторов
компонентов
различного
углеводородного
состава
представлены в таблице 2.
Таблица 2.
Результаты исследований образцов ПБВ с использованием в качестве
пластификаторов компонентов различного углеводородного состава
Состав образца
ГОСТ Р
52056
ПБВ на основе БНД
90/130
БНД
Образец
90/130
ПБВ ПБВ
60
90
БНД 90/130
БНД 60/90
Масло И-40А
ДСТ 30 Р-01
Показатели
Глубина
проникновения
иглы, 0,1 мм, не
менее
-
-
№1
100
-
96
№2
ПБВ на основе
БНД 60/90
БНД Образец
60/90
№3
86,5 89,5 86,5
10
3,5 3,5 3,5
№4
100
-
№5
88,5 89,5
8
3,5 3,5
При 25ºС
60
90
108
107
101
119
76
87
110
При 0ºС
Температура
размягчения по
кольцу и шару, ºС,
не ниже
Растяжимость, см,
не менее
При 25ºС
При 0ºС
33
55
41
52
32
46
50
56
46
55
49
52
26
49
49
64
51
59
25
11
30
16
>150
5,8
116
36
62
50
100
60
149
5,9
95
43
109
51
Температура
хрупкости, ºС, не
выше
Эластичность, % не
менее
При 25ºС
При 0ºС
Адгезия к
основным породам
-21
-25
-20
-35
-29
-25
-22
-26
-29
81
70
-
85
75
-
2-1
83
69
2-1
92
75
1
91
81
1
2-1
95
75
2-1
98
78
1
Исследования, проведенные на основе окисленных дорожных битумов
марок БНД 60/90, БНД 90/130 и нетоварных углеводородных фракций
переработки
нефти,
подтверждают
возможность
получения
высококачественных ПБВ с использованием пластификатора, обогащенного
ароматическими УВ, и последующим введением пластификатора, имеющего
высокое содержание парафино-нафтеновых УВ, без использования масла.[4]
Показано, что в качестве пластификатора ПБВ возможно легкого гудрона.
Образцы ПБВ, приготовленные с использованием пластификатора легкого
гудрона, превосходят по качеству требования ГОСТ Р 52056-2003, а также
обеспечивают необходимый уровень свойств против термоокислительного
старения, оцениваемого по методике согласно ГОСТ 18180. Замена
дорогостоящих масел на легкий гудрон позволит снизить затраты на
производство ПБВ.
Библиографический список
1. Гохман Л.М. «Комплексные органические вяжущие материалы на
основе блоксополимеров типа СБС». – М.: ЗАО «ЭКОН-ИНФОРМ», 2004. –
510 с.
2. О.И. Дошлов «Адгезия и адгезивы. Т3. Полимерно-битумные вяжущие
(технология, получение, применение): Монография. Иркутск, стр. 200 – ИрГТУ,
2006.
97
3. Калапов И.А., Дошлов О.И. «Приминение полимерно-битумного
вяжущего в дорожном и гражданском строительстве» - Безопасность – 2013:
Материалы XVIII Всероссийской студенческой научно-практической
конференции с международным участием – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. –
296с.
4. Капустин В.М., Гуреев А.А. «Технология переработки нефти. В 2 ч.
Часть вторая. Деструктивные процессы. – М.: КолосС, 2008. – 334с.
УДК 66-02
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ
ДЕЙСТВУЮЩИХ УСТАНОВОК КАТАЛИТИЧЕСКОГО
КРЕКИНГА
Н.А. Коротов1, В.Н. Сапрыгина2
1
студент гр. ХТТб-11-1, институт металлургии и химической технологии
имени С.Б. Леонова ИрГТУ, г. Иркутск.
2
руководитель, к.х.н., доцент кафедры химической технологии ИрГТУ, г.
Иркутск, e-mail: saprvera@istu.edu
В последние годы с привлечением специалистов ООО «Автотехпроект»
осуществляется комплексная модернизация реакторного блока (РБ) установок
каталитического крекинга (КК) на ГК-3 ОАО «Ангарская нефтехимическая
компания», 1-А/1М ОАО «Башнефть - Уфанефтехим» и ОАО «СлавнефтьЯрославнефтеоргсинтез», в составе комплексов Г-43-107М/1 и КТ-1«БашнефтьУфимский НПЗ», ЧАО «ЛИНИК» (г. Лисичанск) и Павлодарского НХЗ,
установок КК ЗАО «Рязанская НПК» и ОАО «ТАИФ-НК».
Для решения задач по модернизации установок КК создан комплекс
современных оригинальных разработок:
- распылительные сырьевые форсунки;
- сепарационное устройство прямоточного реактора;
- технология гашения термических реакций крекинга;
- двухстадийная отпарка отработанного катализатора;
- воздухо- и парораспределительные устройства;
- высокоэффективные циклоны для систем пылеулавливания реактора и регенератора.
В результате внедрения комплекса технических решений по
совершенствованию технологии процесса и модернизации оборудования
реакторного блока, оптимизации параметров технологического режима
установки КК повышена еѐ производительность по свежему сырью, выход
бензина (летнего) увеличился на 2,6% мас., октановое число бензина по
моторному методу после гидроочистки его тяжелой фракции выросло на 0,8
пункта [1].
Ведутся разработки новых типов катализаторов, в которых в качестве
матрицы используется каолиновая глина. Поверхность такой матрицы
98
каталитически активна за счет того, что на ней кристаллизуется цеолит и
благодаря развитой системе макропор активно крекирует остаточное сырье.
Однако вследствие специфического синтеза катализатора структура его
крупных пор такова, что активность матрицы неселективна и способствует
чрезмерному коксо- и газообразованию.
Кроме того, в природной каолиновой глине содержится значительное
количество металлов, практически не поддающихся извлечению и переходящих
в матрицу, усиливая газообразование. Поэтому проводится дополнительное
десиликонирование матрицы для уменьшения площади поверхности и объема
пор матрицы. Такие матрицы используются в таких катализаторах крекинга,
как Ultradyne, Octidyne и Magnasiv фирмы Engelhard.
Технология, предлагаемая для производства катализаторов крекинга
фирмой Engelhard – имплантация цеолита в частички катализатора.
Большинство фирм сначала смешивают цеолит и матрицу, а затем подвергают
распылительной сушке образовавшийся золь с получением микросферических
частичек, а по данной технологии вначале вырабатывают микросферы
матрицы, после чего выкристаллизовывают цеолит внутри этих микросфер.
В связи с переводом современных установок каталитического крекинга на
режим работы с коротким временем контакта сырья с катализаторами все
ведущие фирмы, занимающиеся их синтезом, перешли на выпуск
промышленных образцов, содержащих в своей структуре значительное
количество крупных пор, что положительно сказывается на скорости диффузии
больших молекул углеводородов к активным центрам.
Использование макропористых катализаторов приобретает особое
значение для процесса MSCC, так как в реакторе этого типа установок время
контакта катализатора с сырьем составляет доли секунды [2].
В настоящее время фирма Grace Davision помимо оптимизации вида,
количества цеолита, типа и содержания присутствующих в нем катионов, в
частности РЗЭ, разработала высокоэффективные матрицы SAM и TMA,
изготовляемые по специальной технологии на основе активного оксида
алюминия, что позволило разработать катализаторы крекинга нового поколения
серий Kristal, Futura, Brilliant, отличающихся повышенной активностью,
высокой селективностью по коксу и газу [3].
Достаточно значительными производителями катализаторов являются в
настоящее время также Китай, Япония и Россия. Последние разработки
катализаторов крекинга остаточного сырья японской фирмы CCIC основаны на
использовании ультрастабильного цеолита LZ-210 (серии Alpha и Beta) и новой
матрицы с низкой поверхностью, не содержащей алюминий (катализаторы
серии BMZ-y и КО-100) [4]. На российских НПЗ получили распространение
каталитические системы КМЦР, Микроцео-кар-8, КМЦ-96, КМЦ-99 и более
совершенные катализаторы серии «Люкс» [5].
Технология синтеза катализаторов крекинга постоянно развивается. Их
свойства все более и более оптимизируются. Каждый год производящие их
99
фирмы заявляют об освоении выпуска улучшенных промышленных образцов,
так как катализатор является одной из наиболее важных составляющих
процесса каталитического крекинга.
Библиографический список
1. Б.З. Соляр, Л.Ш. Глазов, Е.А. Климцева, И.М. Либерзон, А.Э.
Аладышева, В.Н. Попов, Н.Г. Годжаев, М.В. Мнев. Модернизация установок
каталитического крекинга на основе инновационных технологий // Химическая
техника. – 2012. - №12.
2. Ткачев С.М., Хорошко С.И. и др. Каталитический крекинг миллисеконд
(MSCC) . - Новополоцк, ПГУ, Мозырский НПЗ, 2002. – с.44 -45
3. Ткачев С.М., Корж А.Ф. Технология переработки нефти и газа.
Процессы глубокой переработки нефти и нефтяных фракций. - Новополоцк:
ПГУ, 2006. – с. 86-87
4. Капустин В. М., Гуреев А. А. Технология переработки нефти. Ч.2.
Деструктивные процессы. — М.: КолосС, 2008. – с.127
5. А.В. Глазов, В.Н. Генералов, В.И. Горденко, В.П. Доронин,
И.В.Дубков. Новые катализаторы каталитического крекинга серии "Люкс":
опыт разработки, производства и эксплуатации на ОАО "Сибнефть-Омский
НПЗ" // Российский химический журнал. - 2007 г. - №4
УДК 66. 02
ВОЗМОЖНОСТИ ПЕРЕВОДА УСТАНОВОК
КАТАЛИТИЧЕСКОГО КРЕКИНГА НА УТЯЖЕЛЁННЫЙ
ВАКУУМНЫЙ ГАЗОЙЛЬ
Т.П. Кравец1, В.Н. Сапрыгина2
1
студент гр. ХТТб – 11 – 1 ИрГТУ, e – mail: toma.kravets.94@mail.ru
2
к.х.н., доцент кафедры химической технологии ИрГТУ,
e – mail: saprvera@istu.edu
Эффективность
деятельности
НПЗ
характеризуется
глубиной
переработки нефтяного сырья (ГПН) на заводе. До настоящего времени одной
из установок, значительно увеличивающей глубину переработки нефти на
НПЗ, является установка каталитического крекинга[1].
Для повышения эффективности действующих технологических
установок каталитического крекинга актуальным является повышение
температуры конца кипения вакуумного газойля с 500°С до 600°С.
Повышение температуры конца кипения в сырье позволит увеличить
выход бензина каталитического крекинга.
Бензин каталитического крекинга имеет высокое октановое число (90-91)
и практически не содержит аренов, поэтому повышение выхода бензина
100
каталитического крекинга за счѐт более широкого фракционного состава сырья
позволит НПЗ получить дополнительно высококачественного бензина.
В тоже время, из практики известно, что при использовании
утяжелѐнного вакуумного газойля в качестве сырья происходит активное
закоксование катализатора, в связи с этим предстоит большая работа по
разработке новых катализаторов каталитического крекинга.
На современных установках каталитического крекинга применяются как
синтетические алюмосиликатные катализаторы, так и природные
активированные отбеливающие глины. Вопрос о выборе тех или других
катализаторов
решается
экономическими
соображениями.
Важным
преимуществом синтетических алюмосиликатных катализаторов перед
природными,являются более высокие выходы и качества бензинов, большие
сопротивляемости износу и стойкость в отношении отравления серой и азотом,
содержащимися в сырье[2].
Установки каталитического крекинга функционируют сегодня на
цеолитсодержащих алюмосиликатных катализаторах с редкоземельными
металлами, повышающими их стабильность[3].
Объемы возможной переработки сырья на установках каталитического
крекинга в России достигли сегодня 18 млн т/год и используются на 80-90 %[2].
При полном использовании мощностей каталитического крекирования
потенциальная потребность в катализаторах крекинга в России в ближайшие
годы может достигнуть 7200 т[2].
Разработанные катализаторы должны обладать высокой селективностью,
повышенной устойчивостью к закоксованию, при этом разработанные
катализаторы должны иметь повышенную термическую стабильность, должны,
также, выдерживать высокие температуры при регенерации катализатора для
обеспечения низкого уровня остаточного кокса на катализаторе. Сохранять
высокую активность и селективность по выходу бензина, быть устойчивым к
отравлению органическими соединениями азота и тяжѐлыми металлами.
Перечисленные показатели качества современных катализаторов
каталитического крекинга утяжелѐнного сырья могут быть обеспечены при
соответствующем подборе цеолита и физико-химических свойств состава
матрицы (таблица 1)[2].
Таблица 1 – Сравнительные характеристики разрабатываемых
отечественных и импортных катализаторов крекинга
Brilliant,
LS – 60P,
КМЦ – 99
Показатели
«Grace –
«Engelhard»
«Газпромнефть»
Davison»
101
Выход бензина, %
(мас.)
Октановое число
бензина:
по
исследовательскому
методу
по моторному
методу
Выход кокса, %
(масс.)
Расход
катализатора, кг/т
сырья
Химический состав,
% (масс.)
Оксид натрия
Оксид алюминия
Оксиды
редкоземельных
элементов
Показатели
Содержание
цеолита, %
(масс.)
Насыпная
плотность, кг/м3
Средний размер
частиц, мкм
52-53
52-53
52-52,5
90,5
92,0
92,0
79,5
81,0
80,5
4,6-4,8
4,2-4,5
4,4-4,5
0,35
0,25-0,3
0,4
0,2-0,25
0,2-0,25
0,35-0,45
48
46
32
2,2
1,8
2,5
Brilliant, «Grace
– Davison»
Продолжение таблицы 1
LS – 60P,
КМЦ – 99
«Engelhard»
«Газпромнефть»
22
22
17
780
920
720
71
72
72
Алюмосиликатная аморфная фаза закрепляет частицы цеолита в своей
структуре, взаимодействует с ней и создает активную докристаллическую фазу.
Сам же цеолит повышает прочность и активность катализатора[2].
В настоящее время зарубежными фирмами представлены установки
каталитического крекинга «под ключ», работающие на более тяжѐлом
остаточном сырье.
На данный момент предложены современные промышленные
катализаторы крекинга тяжѐлого и остаточного сырья таких зарубежных фирм,
как «Grace Co. Davison Chemical Division», «Engelhard (BASF)», «Albemarle
Corporation» икатализаторыфирмы «Catalyst and Chemical Industry Co.».
Разработка зарубежных компаний позволила получить светлые нефтепродукты
102
с повышенным октановым числом бензина при крекинге тяжѐлого сырья с
максимальным выходом[2].
Таким образом, на российских НПЗ появились предпосылки для перевода
установок каталитического крекинга на использование в качестве сырья
утяжелѐнного вакуумного газойля (фр. 350 – 600 °С), что позволит повысить
глубину переработки нефти.
Библиографический список
1. Б.З. Соляр, Л.Ш. Глазов, Е.А. Климцева, И.М. Либерзон, А.Э.
Аладышева, В.Н. Попов, Н.Г. Годжаев, М.В. Мнев // Химическая техника №11,
2012.
2. Капустин В.М., Гуреев А.А. Технология переработки нефти. В 2 ч.
Часть вторая. Деструктивные процессы. – М.: КолосС, 2007 ( Учебники и учеб.
пособия для студентов высш. учеб. заведений). – С. 108 – 131.2.
3. Тростина А.В., Капустин В.М. «Выбор наиболее эффективного
равновесного катализатора каталитического крекинга» // Мир нефтепродуктов
№6, 2012.
УДК 665.777.43
ОПТИМАЛЬНАЯ КРУПНОСТЬ НЕФТЯНОГО КОКСА ПРИ
ПРОИЗВОДСТВЕ КРЕМНИЯ
К.Е. Матренинский1
1
Студент группы ХТб-13-2 ИрГТУ, e-mail: kostya.mat.2912@mail.ru
Одним из основных компонентов в шихте для выплавке технического
кремния является нефтяной углерод на основе нефтяного кокса [1].
Для определения оптимальной крупности нефтекокса были проведены
лабораторные исследования. Методика исследований была основана на
определении скорости взаимодействия газообразного субоксида кремния с
углеродом.
В
лабораторном
реакторе
испытывали
несколько
фракций
восстановителя. Для сравнения в эту смесь помещали другой восстановитель
для определения крупности.
Исходные материалы – ангарский нефтяной кокс, березовый древесный
уголь, используемые в производстве, рассеивали на фракции (3-5, 10-15 мм и
т.д.), прокаливали при 1500˚С до полного удаления летучих.
На дно реактора загружали брикетированную смесь кремниевой кислоты
ч. д. а. и смесь кремния КР1 которая служила источником образования
субоксида при 1850˚С.
На смесь устанавливали пластину из карбида кремния с отверстиями, а на
пластину – смесь взвешенных восстановителей. Нагрев реактора осуществляли
в высокотемпературной печи со скоростью 30 град/мин до 1600˚С и со
103
скоростью 45-50 град/мин до 1850˚С с последующей выдержкой в течение 3-8
мин.
В продуктах восстановления субоксида кремния углеродом наряду с
карбидом кремния присутствовал кремний (рис.1) и оценку реакционной
способности (РС) восстановителя проводили так:
РС=(Siэл+SiSiC)/Сисх*t
где Siэл – количество элементарного кремния в продуктах восстановления,
г; SiSiC – количество кремния, связанного с карбидом кремния в продуктах
восстановления, г; Сисх – количество углерода в исходном материале, г*мин. –
выдержка, мин.
По результатам исследований определено что РС древесного угля
крупностью 25 мм в 6 раз выше чем у нефтяного кокса той же крупности
(рис.2). При уменьшении крупности нефтяного кокса с 25 до 5 мм, реакционная
способность нефтяного и древесного угля (общей крупности 30-35 мм)
сближаются.
Рис. 1 Зависимость содержания C(1), SiC(2), Si(3) в продуктах восстановления
от крупности нефтяного кокса
104
Рис. 2 Зависимость от реакционной способности (РС) древесного угля (1) и
нефтяного кокса (2) от крупности
Для подготовки к заводским испытаниям на Ангарском НПЗ была
выделена технологическая нитка для выделения фракции нефтекокса 25 мм
(«орешек»), а в электротермическом цехе (г.Шелехов) установлена
дополнительная дробилка для додрабливания его.
Испытания по выплавке кремния проводили в 2 этапа. На первом этапе
«орешек» заменяли нефтекоксовой мелочью, при этом, согласно расчету, РС
кокса увеличилась в 1,55 раза (табл.1), а смеси восстановителей на 10-12 % [2].
Таблица 1
Зависимость РС нефтекокса от гранулометрического состава
Вид нефтекокса
0-6
Нефтекокс
«орешек»
(додробленный)
Опытный
нефтекокс –
коксовая
мелочь (0-8мм)
Крупность, мм
6-16
16-25
РС, г/г*мин
26
50
24
0,065
80
20
нет
0,095-0,105
Ход плавки шихты с коксовой мелочью по сравнению с плавкой с
«орешком» характеризовался более стабильной токовой нагрузкой,
пониженным спеканием шихты на колошнике. Средние результаты испытаний
105
на двух печах (табл.2, шихта 1) показали, что при использовании коксовой
мелочи удельный расход электроэнергии снизился до 9,2%, часовая
производительность печей возросла до 10%.
Таблица 2
Сравнительные результаты заводских испытаний выплавки
кремния из шихт с нефтяным коксом различной крупности
Вид нефтекокса
Коксовая мелочь
«Орешек»
Шихта 1 Шихта 2
Показатели
Состав шихты, кг:
кварцит
древесный уголь
нефтекокс
щепа
Период испытаний, сут
Расход на 1 т кремния:
древесного угля, т
нефтяного кокса, т
щепы, т
Расход электроэнергии, %
Часовая производительность, %
500
90
50
319
55
500
95
55
223
20,5
500
77
80
396
11,5
0,549
0,307
1,962
100
100
0,551
0,321
1,293
90,86
110
0,453
0,474
2,337
92,60
108
На втором этапе испытаний 19% древесного угля заменили коксовой
мелочью и щепой. По сравнению с предыдущим этапом в ходе плавки отмечен
более быстрый сход шихты, удельный расход электроэнергии увеличился на
2%.
Таким образом, опытно-промышленными испытаниями подтверждена
возможность повышения эффективности использования нефтяного кокса за
счет уменьшения его крупности [3].
Отмечено, что при транспортировке увеличилось пылеобразование и унос
коксовой мелочи. Дисперсный анализ печи показал, что крупность выделяемой
пыли составляла 0-300 мкм, а на колошнике печи 0-400 мкм ввиду высокого до
20% содержания пылевидных фракций (0-0,4 мм) в коксовой мелочи (из-за
отсутствия оборудования для ее отсева).
Увеличение активности нефтяного кокса за счет увеличения поверхности
целесообразно проводить путем двух-, трехстадийного дробления, при этом
схема должна предусматривать возможность отделения пылевидных и мелких
фракций восстановителя.
106
Лабораторными и промышленными испытаниями показана техникоэкономическая целесообразность применения нефтяного кокса фракции 4-16
мм при выплавке технического кремния из шихт с ограниченным расходом
древесного угля и с использованием древесной щепы.
Библиографический список
1. Кожевников Г.Н., Водопьянов А.Г., Чуфаров Г.И. – Цветные металлы
1972г. №4, стр. 82-84.
2. Дошлов О.И., Дошлов И.О., Крылова М.Н. «Новый углеродистый
восстановитель для выплавки химически чистого кремния на основе
высокореакционного нефтяного кокса» Сборник трудов XX Международного
конгресса «Новые технологии газовой, нефтяной промышленности, энергетики
и связи». Иркутск, 2011, 450 с.
3. Зельберг Б.И., Черных А.Е., Ёлшин К.С. Шихта для
электротермического производства кремния: монография. – Челябинск:
Металл, 1994. – 320 с.
УДК 66.011
ПЕРСПЕКТИВЫ РЕКОНСТРУКЦИИ ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ
КОЛОННЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ НЕФТЕБИТУМОВ В ОАО «АНХК»
А.Л. Резцов1
1
магистрант гр. ХТм-13 ИрГТУ, e-mail: alreztsov@gmail.com
Битумы различного назначения в нашей стране получают в основном
окислением воздухом гудронов (или других остаточных фракций нефти). Этот
процесс, осуществляемый в непрерывном варианте, прост и удобен в
эксплуатации. Конкурирующий процесс вакуумной перегонки более сложен и
энергоѐмок, но может получить развитие в перспективе при глубокой
переработке нефти, т.е. при квалифицированном использовании тяжѐлого
вакуумного газойля. Однако и в этом случае строительные и другие
высокоплавкие битумы будут производить, как правило, только окислением.
Нужно отметить также, что действующим ГОСТ 22245-90 и разрабатываемыми
потребителями [1,2] требованиями на дорожные битумы предусмотрены
достаточно высокие показатели тепло- и морозостойкости, которым лучше
соответствуют окисленные битумы. Таким образом, процесс окисления
гудронов воздухом сохраняет актуальность и потому работы, направленные на
его совершенствование, представляют практический интерес.
Однако при существующем аппаратурном оформлении этот процесс
имеет ряд недостатков. В первую очередь барботажное перемешивание
газожидкостной смеси в объеме колонны воздухом, подаваемым через
маточник, характеризуется низкой интенсивностью в следствии недостаточно
развитой межфазной поверхности окисления сырья, неравномерного
распределение пузырьков воздуха по поперечному сечению аппарата,
107
чрезмерно интенсивного продольного перемешивания жидкости, связанное с
этим усиление степени дифференциации времени пребывания крупных и
мелких пузырьков воздуха в реакционной зоне и высокого содержания в газах
окисления непрореагировавшего кислорода (на некоторых производствах 6–
8%)др. [3-6].
На
практике перечисленные недостатки
пустотелых колонн
компенсируют увеличением удельного расхода воздуха и повышением
температуры окисления сырья. Но из-за этого ускоряются процессы
коксообразования и ухудшается качество получаемой продукции, особенно при
выработке высокоокисленных битумов [1,3]. Образующиеся в значительных
количествах коксовые отложения по мере их накопления удаляют из нижнего
днища колонн с использованием ручного труда.
Наиболее просто избавиться от этих недостатков можно за счет установки
в средней части колонны перфорированной перегородки с гидравлическими
затворами [8] для вторичного диспергирования и более равномерного
распределения восходящего потока пузырьков воздуха по поперечному
сечению аппарата. При этом циркуляция жидкой фазы между верхней и нижней
частями колонны обеспечивается при помощи встроенного сепаратора и
циркуляционной трубы. [7].
Гидравлические затворы представляют собой вертикальные патрубки
различной длины, максимальное значение которой выбирается исходя из
допустимой высоты накапливаемого под перегородкой газового слоя. Каждый
из этих патрубков погружен в концентрично расположенные стаканы. На дне
каждого стакана имеется барботажное отверстие диаметром, равным диаметру
барботажных отверстий в перфорированной воздухораспределительной
перегородке.
Воздухораспределительная перегородка функционирует следующим
образом. До момента достижения минимальной расчетной нагрузки по воздуху
под перегородкой образуется воздушный слой небольшой высоты, который
равномерно распределяется и проходит через все барботажные отверстия в
перегородке и гидравлических затворах. В этих условиях все гидравлические
затворы остаются закрытыми для воздуха. При превышении этой нагрузки
высота воздушной прослойки под перегородкой сравнивается с высотой самых
коротких гидравлических затворов, и они начинают пропускать воздух всем
своим сечением. При дальнейшем возрастании нагрузки в работу начинают
последовательно включаться гидравлические затворы с более длинными
патрубками.
Таким образом, за счет использования гидравлических затворов
предлагаемой
конструкции
диапазон
эффективной
работы
воздухораспределительной перегородки значительно расширяется без опасения
чрезмерного накопления газовой фазы в нижней части колонны. Кроме того, за
счет прохождения газожидкостной смеси через гидравлический затвор в
газлифтном режиме происходит интенсивное перемешивание реагирующих
108
фаз, значительно увеличивается поверхность их контакта, что приводит к более
эффективному взаимодействию сырья с кислородом [7].
Результат промышленной эксплуатации данной конструкции показывает
достаточно высокую эффективность применения и целесообразность внедрения
на ОАО «АНХК».
Библиографический список
1. Юмашев В., Гохман Л. //Автомобильные дороги. — 2002. — № 7.
2.
Железко Е., Железко Т., Уралѐв А., Семѐнов Г., Вайнбендер В.,
Ливенцев В. // Автомобильные дороги. — 2002. — № 1. — С. 12-14.
3.
Грудников И.Б., Егоров И.В., Прокопюк С.Г. Энергосберегающий и
экологичный окислительный аппарат для производства битумов //
Нефтепереработка и нефтехимия. — 1999. — N° 5. — С. 42-45.
4.
Грудников И.Б. Об уменьшении энергетических затрат в
производстве окисленных битумов // Нефтепереработка и нефтехимия. — 2003.
— № 7. — С. 36-38.
5.
Грудников И.Б. Производство нефтяных битумов. — М.: Химия,
1983. — 192 с.
6.
Грудников И.Б., Грудникова Ю.И. О структуре барботажного слоя в
окислительной битумной колонне // ХТТМ. — 2006. - № 2. — С. 26-27.
7.
Загидуллин С.Х., Абишев АА„ Крылов ВА., Нечаев А.Н.
Совершенствование конструкции окислительных колонн в производстве
дорожных нефтяных битумов в 000«ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез»
//Нефтепереработка и нефтехимия. — 2011. — № 1. — С. 45-49.
8.
Пат. 2369433 РФ, 2008.
УДК 66.011+66.069.8
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ СУЛЬФИДНО-АММОНИЙНЫХ СТОЧНЫХ
ВОД (САСВ)
С.А. Шевнина1, Н.Д. Губанов2
1
магистрант гр. ОХПм-13-1 института металлургии и химической
технологии ИрГТУ, г. Иркутск, e-mail: shevninasvetlana@mail.ru
2
к.т.н., доцент кафедры химической технологии ИрГТУ, г. Иркутск, e-mail:
gubanov_nd@istu.edu
Основными минеральными загрязняющими веществами технологических
конденсатов современных нефтеперерабатывающих заводов с глубокой
переработкой нефти являются сероводород и аммиак, образующиеся в
заметных количествах в процессах с химическим преобразованием сырья (при
деструкции серо- и азотсодержащих органических соединений), таких как
каталитический крекинг, гидрокрекинг, гидроочистка и др. При конденсации
109
технологического водяного пара в аппаратах и трубопроводах таких установок
в присутствии сероводорода и аммиака происходит абсорбция последних с
образованием хорошо растворимого в воде гидросульфида аммония - NH4HS. В
зависимости от качества перерабатываемого сырья и технологии процесса
физико-химический состав этих конденсатов может быть различным и
сложным. Однако общим для них является наличие аналитически
определяемых в форме [S2-] сульфидной серы и аммонийного азота [NH4+] в
количествах, существенно превышающих содержание всех прочих примесей и
требующих их локальной очистки перед сбросом на общезаводские
биохимические очистные сооружения. Отсюда и название таких стоков сульфидно-аммонийные [1].
Отличительным свойством обсуждаемых сточных вод является их
щелочная реакция - как правило, рН колеблется в интервале от 8.5 до 9.8.
Практика показывает, что рН конденсатов как до, так и после очистки слабо
зависит от содержания в них основных удаляемых компонентов - сероводорода
и аммиака, что также свидетельствует о сложности их химического состава.
Процесс очистки предназначен для удаления из сульфидно-аммонийной
сточной воды сероводорода (H2S) и аммиака (NH3) методом ректификации
[2,4].
В основе технологии лежит ускоряемая при нагревании реакция
гидролитического разложения гидросульфида аммония (NH4HS) с
последующим удалением образующихся при этом молекулярных сероводорода
(H2S) и аммиака (NH3) в виде газов. В сокращенном виде (без Н20) реакция
записывается так:
NH4HS ↔ NH4+ HS‾↔NH3↑ + H2S↑
Растворенный аммиак, который может содержаться в сточной воде в
некотором избытке, также удаляется из раствора при нагревании в виде газа,
вследствие гидролитического разложения по реакции
NH4ОН ↔ NH3↑+ Н20
Различная летучесть сероводорода и аммиака позволяют раздельно
выделить их в процессе и получить отдельными продуктовыми потоками. Для
этого используется метод двухступенчатой ректификации.
САСВ подается в первую колонну выделения сероводорода двумя
потоками - верхним холодным и нижним, нагретым до температуры начала
кипения.
В первой колонне в качестве головного продукта получается практически
чистый сероводород (сырье для установки производства серы), а в качестве
остатка - сточная вода, обогащенная аммиаком с остаточным содержанием
сероводорода, которая поступает во вторую колонну для отгона из нее аммиака
вместе с остаточным сероводородом. Во второй колонне аммиак с остаточным
сероводородом получают сверху колонны, а снизу колонны - очищенную
сточную воду, часть которой, предварительно охладив, используют для
110
орошения верха первой колонны и для очистки аммиака от остатков
сероводорода в абсорбере.
Для получения чистого аммиака головной продукт второй колонны,
содержащий пары воды, аммиак и остаточный сероводород, поступает в
абсорбер специальной конструкции, состоящий из трех насадочных секций, и
снабженный двумя циркуляционным орошением. В абсорбер подается
очищенная сточная вода. В аппарате происходит одновременно охлаждение и
конденсация паров воды, абсорбция и растворение аммиака и сероводорода в
образовавшемся водяном конденсате и подаваемой извне очищенной сточной
воды. В процессе поглощается весь сероводород. Аммиак, содержащийся в
избытке и не перешедший в раствор в условиях процесса, получают сверху
абсорбера. Процесс абсорбции сопровождается выделение тепла, для отвода
которого и поддержания требуемого температурного режима в аппарате служат
циркуляционные орошения. Образующийся раствор гидросульфида аммония
NH4HS в аммиачной воде NH4OH возвращается в первую колонну отгона
сероводорода [2].
Для получения из САСВ трех продуктов требуемого качества очищенной сточной воды, сероводорода и аммиака, в процессе необходимы три
аппарата специальной конструкции - колонны получения очищенной сточной
воды, колонны выделения H2S и колонны (абсорбер) получения NH3.
Пары чистого аммиака с верха абсорбера поступают в узел утилизации,
где с использованием конденсата водяного пара получают аммиачную воду,
требуемой концентрации. При растворении газообразного аммиака в воде
выделяется большое количество тепла - 495 ккал/кг. Поскольку с повышением
температуры растворимость NH3 падает (а с повышением давления
растворимость, как известно, растет), то для получения аммиачной воды с
концентрацией NH3 не менее 25 % масс требуется эффективный контур
охлаждения [3].
Часть газообразного аммиака, а при необходимости и весь поток, минуя
узел получения аммиачной воды, может быть направлена на сжигание в печи
[1]. Участвуя в качестве газа-восстановителя в процессе высокотемпературного
некаталитического восстановления окислов азота, аммиак будет способствовать
существенному снижению содержания N0х в дымовых газах этих печей по
реакции:
4NH3 + 4N0 +02 → 4N2 + 6Н20
Технология очистки САСВ учитывает следующую принципиальную
особенность процесса, характерную для всех способов очистки САСВ от
сероводорода и аммиака - высокую вероятность образования и выпадения
осадка кристаллического гидросульфида аммония (NH4HS) из сероводород- и
аммиак содержащих газов при недостатке влаги и температурах ниже 80°С. Для
предотвращения забивки трубопроводов гидросульфидом аммония, помимо
раздельного получения продуктовыми потоками H2S и NH3, необходимо
оснастить трубопроводы верхних линий колонн паровыми (электрическими)
111
спутниками. В местах, где можно ожидать выпадения кристаллической фазы
(например, в пусковой период), необходимо предусмотреть подвод пара или
горячей воды для растворения и смыва солевого осадка (гидросульфид NH4HS
и сульфид (NH4)2S аммония хорошо растворимы в воде) [4].
Библиографический список
1. Ганбарова Л.В., Янчуковская Е.В. Сжигание аммиака сточных вод, как
способ его утилизации /Сборник научны трудов студентов, магистрантов,
аспирантов, и молодых ученых химико-металлургического факультета.
Иркутск, 2013г. c 5-6.
2. Пат. № 2162444. Российская Федерация. Способ очистки
технологических сточных вод от сульфидной серы и аммонийного азота / Б.В.
Андреев, В.В. Андриканис, Р.В. Басов, В.М. Семенов, А.Н. Тюрников, А.Н.
Чиков, С.О. Шаховская, К.О. Шаховский. - № 2000115340/12; заявитель и
патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «ЭЛИСТЕК
инжиниринг»; заявл. 16.06.2000; опубл. 27.01.2001. Бюл. № 8. – 8 с.
3. ГОСТ-9-92. Аммиак водный технический. Технические условия. – М.:
Изд-во стандартов, 1993. -4 с.
4. Пат. РФ № 2307795. Российская Федерация. Способ очистки
технологических конденсатов от сероводорода и аммиака / В.В. Андриканис,
Б.В. Андреев, К.О. Шаховский, О.Г. Беляевский. - № 2005139371/15; заявитель
и патентообладатель Закрытое акционерное общество «Элистек инжиниринг
интернейшенл»; заявл. 16.12.2005; опубл. 10.10.2007. Бюл. № 28. – 8 с.
УДК 66.011
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНОВА ДЛЯ МОДЕРНИЗАЦИИ
УСТАНОВКИ ЭП-300
Э.С.Серегин1
1
Магистрант группы ОХПм-13-1, e-mail: seduard@bk.ru
Этилен и пропилен, получаемые на ЭП-300, производятся методом
термического
пиролиза
прямогонного
бензина,
поступающего
с
нефтеперегонного завода. Сырьем также является сжиженный газ пропанбутан. Попутные продукты производства: бутилен-бутадиеновая фракция
(ББФ) для производства синтетического каучука, фракция жидких продуктов
пиролиза, применяемых в качестве растворителей и добавок к моторному маслу
для улучшения детонационных свойств, пироконденсат.
Одним из наиболее перспективных проектов является расширение
производимых мощностей и модернизация установки по производству этилена
ЭП-300 в Иркутской области на площадке ОАО «Ангарский завод полимеров»,
вследствие чего предусмотрено проектирование и строительство новых
112
установок по производству полиэтилена и полипропилена с применением
новейших зарубежных технологий.
Основными видами сырья для печей пиролиза являются прямогонный
бензин и сжиженный углеводородный газ (ШФЛУ).
Корме них на пиролиз направляются несколько рецикловых потоков. В
состав этих потоков входят этановая фракция, пропановая фракция,
гидрированная фракция С5 и фракция С6-С8 (после извлечения ароматических
углеводородов).
Также с НПЗ поступает пропан- пропиленовая фракция, которая
направляется в колонну разделения фракции С3 для выделения пропилена.
Установка производства этилена также получает несколько рециркуляционных
потоков из Установки Пиротола и Установки полиэтилена высокого давления.
Главная продукция завода: этилен полимерного качества, пропилен
полимерного качества и бутилен-бутадиеновая фракция (БДФ). На заводе также
выпускаются пироконденсат, смола пиролизная (смола пиролизная тяжѐлая –
компонент топочного мазута), топливный газ и водород.
Существующая установка ЭП-300 состоит из следующих отделений:
Цех 124
• Печи пиролиза
• Узел разделения первичного пирогаза
• Узел получения газа разбавления
• Узел получения пара низкого давления
• Узел подготовки топливного газа и сырья
• Узел очистки конденсата
• Пароперегреватель
Цех 125
• Турбокомпрессорная
- Компрессор пирогаза
- Компрессор пропиленового холодильного цикла
- Компрессор этиленового холодильного цикла
- Компрессор пропилена колонны разделения фракции С3
- Метановый компрессор (не эксплуатируется)
• Отделение низкотемпературного разделения газа
- Охлаждение пирогаза (холодный блок) и выделение водородной фракции
- Деметанизация и разделение этан-этиленовой фракции
- Гидрирование и дегидратация этан-этиленовой фракции
- Выделение товарного этилена
• Отделение высокотемпературного разделения газа
- Осушка пирогаза
- Установка стабилизации пироконденсата
- Щелочная очистка пирогаза
- Разделение, гидрирование и дегидратация пропан-пропиленовой фракции
- Выделение товарного пропилена
113
- Выделение бутилен-бутадиеновой фракции
- Выделение фракции С5
Модернизированная установка ЭП-300 была разделена на 23
технологических блока. Два блока, установка КЦА и узел очистки ППФ,
являются комплектными установками и должны рассчитываться на стадии
рабочего проектирования. Из 21 технологического блока 20 были определены в
класс опасности I, а один блок – в класс II.
Для существующего оборудования, которое не требует изменений,
перепроектирование не применялось. В качестве процентной составляющей
проектных материально-балансовых потоков будут использоваться следующие
показатели для нового и измененного оборудования:
4.1 Мощность установки
4.2 Тарельчатые колонны
(гидравлическое исполнение)
4.3 Насадочные колонны
(гидравлическое исполнение)
4.4
Теплообменники/Воздушные
холодильники(поверхностные)
4.5 Мощность центробежных
насосов
4.6 Мощность компрессора
(центробежный)
4.7 Мощность компрессора
(поршневой)
4.8 Реактора + осушителы
4.9 Мощность
4.10 Мощность вентилятора
дымовых газов
4.11 Мощность вентилятора
первичного воздуха
4.12 Горелки (тепловыделение)
Мощность вкл.
с запасом (макс.
от проектной)
(%)
100
110
Мощность
мин. От
проектной
(%)
60
50
110
60
110
-
110
60
105
80
105
-
100
110
120
-
110
-
120
-
Сырье Установки этилена иногда содержит примеси, что является
источником проблем. Почти все примеси покидают печь вместе с газом
крекинга и передвигаются в другие части Установки. В зависимости от их
волатильности или химического сродства, эти компоненты обычно попадают в
114
один из потоков продукции или накапливаются в оборудовании или трубе и в
конечном итоге приводят к ошибкам.
Загрязнители сырья воздействуют на эксплуатацию установки разными
способами:
• Загрязнѐнная продукция, что делает еѐ не отвечающей техническим
условиям. Это также может привести к рискам для здоровья и загрязнению
окружающей среды.
• Токсичные катализаторы и адсорбенты.
• Вызовет ошибки в оборудовании со стоимостными последствиям и
последствиями, касающимися безопасности.
Библиографический список
1. Проектная документация ОАО "Ангарскнефтехимпроект" по установке
ЭП-300.
2. http://newchemistry.ru
УДК 66.066
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОТЫ УСТАНОВКИ АВТ.
УВЕЛИЧЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА НЕФТИ
А.Н.Никитина1, Т.А.Подгорбунская2
1
студент гр. ХТТ-10-1 ИрГТУ, e-mail: besta1993@mail.ru
2
руководитель, к.х.н., доцент кафедры химической технологии ИрГТУ,
e-mail: tpodgor@istu.edu
В технологических схемах нефтеперерабатывающих заводов установки
первичной переработки нефти являются головными, производящими товарную
продукцию и ее компоненты или сырье для вторичных процессов, и от
показателей работы этих установок во многом зависят показатели работы
завода в целом. Эффективность работы установок первичной переработки
нефти определяется точностью проектных расчетов аппаратуры, ее
конструктивным оформлением.
Действующие установки первичной перегонки нефти, рассчитанные на
перегонку нефти с отбором только светлых дистиллятов, кипящих до 350
(360)°C называют атмосферной трубчатой (АТ) установкой. Если установка
рассчитана на перегонку только мазута под вакуумом, она называется
вакуумной трубчатой (ВТ) установкой. В общем же случае, когда установка
предназначена для полной, глубокой перегонки нефти, ее называют
атмосферно-вакуумной трубчатой (АВТ) установкой. Установки АВТ, как
правило, комбинируются с установками подготовки нефти к переработке
(обезвоживание и обессоливание на ЭЛОУ). При комбинировании ее с блоком
глубокого обессоливания нефти установку называют ЭЛОУ-АВТ.
Современные тенденции развития нефтеперерабатывающих заводов
направлены на увеличение глубины переработки нефти (ГПН), а это связано с
115
модернизацией действующих установок, а также поиска новых путей
совершенствования процесса переработки.
Для более полного отбора легкого бензина (нк-85оС) в колонне К-1
необходимо повышение температуры нагрева до 230-240оС (в настоящее время
эта температура составляет 200-220оС). Повышение отбора бензина в К-1
позволит проводить дальнейшую перегонку нефти в основной атмосферной
колонне К-2 при более низком давлении и с меньшими энергозатратами.
Повышение температуры нагрева нефти можно осуществлять следующими
способами:
- применение эффективной обвязки теплообменников;
- применение теплообменников нового поколения (с «незагрязняющейся»
поверхностью теплообмена);
- использование прямой рекуперации тепла на установках с когенерацией.
На Уфимском НПЗ внедрена схема обвязки теплообменников, которая без
добавления дополнительной поверхности позволяет подогревать нефть до 240250°С. Данная схема приведена на рисунок 1.
Рисунок 1 – Комбинированная схема подогрева нефти на АВТ:
1 – насос; 2 – теплообменник; 3 – электродегидратор; 4 – ректификационная
колонна К-1; 5 – трубчатая печь; I – сырая нефть; II – обессоленная нефть; III –
отбензиненная нефть; IV– обессоленная нефть в нижнюю часть конвекции; V–
обессоленная нефть из печи; VI – газ и пары бензина; VII – дренажная вода из
электродегидраторов; VIII – мазут в теплообменники; IX – легкая дизельная
фракция; X – циркуляционное орошение К-2
Это позволило исключить горячую струю, уменьшить энергозатраты,
увеличить отбор бензина [1].
Главной экономической проблемой является загрязнение линии для
подогрева сырой нефти. Если бы она была оборудована теплообменниками, не
допускающими загрязнения, то ежегодная экономия могла бы достичь 9,5 млрд.
долларов.
Такие теплообменники были разработаны в Швеции и в США (шт.
Техас). Спиральные теплообменники (Швеция) привлекают большое внимание
116
в качестве хорошей альтернативы кожухотрубчатым теплообменникам при
работе в «грязных» средах.
Положительные стороны спиральных теплообменников:
•
коэффициент теплопередачи вдвое выше, чем у кожухотрубчатых;
•
большая поверхность теплообмена в расчете на единицу объема при
небольшой занимаемой площади, благодаря чему уменьшается их масса;
•
такие теплообменники могут самоочищаться.
•
обладают малым гидравлическим сопротивлением (ширина канала
обычно превышает 10 мм (более узкие каналы трудно чистить));
•
удлиняется срок безостановочной работы (такие теплообменники чаще
всего промывают водой высокого давления).
Отрицательные стороны спиральных теплообменников:
•
аппараты сложны в изготовлении;
•
работают при ограниченных давлениях (не более 10 атм), так как намотка
спиралей затрудняется с увеличением толщины листов;
•
могут возникнуть трудности при создании плотного соединения между
спиралями и крышками;
•
спиральные теплообменники обычно дороже кожухотрубных, но затраты
на установку окупаются за один год [2].
Теплообменники с псевдоожиженным слоем (США) позиционируются
как «теплообменники с нулевым загрязнением». В настоящее время еще
недостигнуто нулевое загрязнение в теплообменниках для подогрева сырой
нефти. В современных, уже действующих, теплообменных аппаратах можно
уменьшить загрязнение путем применения химических реагентов,
внутритрубных устройств, снижающих степень загрязнения или других
новейших разработок. Технология нулевого загрязнения не предусматривает
химических реагентов, снижения турбулентности, и, как следствие, понижения
температуры стенок труб. Принцип действия основан непрерывном действии
псевдоожиженных твердых частиц, которые поддерживают поверхность
чистой, а также разрушают приповерхностный слой и способствуют тем самым
повышению коэффициента теплоотдачи даже при малых скоростях течения
жидкости [3]. Конструкция с нулевым загрязнением требует всего лишь 33 %
той поверхности теплоотдачи, которая необходима для обычного подогревателя
сырой нефти. А если будет использоваться более эффективный подогреватель,
то снизятся затраты на топливо для печей.
В современных схемах когенерации (выработка электроэнергии на
установке параллельно с проведением технологического процесса)
электроэнергия вырабатывается в агрегате с газотурбинным приводом, а
горячие выхлопные газы турбины, содержащие значительное количество
свободного кислорода, направляются в парогенератор или технологическую
печь, в которой, можно сжигать дополнительное топливо [4], за счет этого:
уменьшается загрязнение теплообменной поверхности, так как
теплообмен осуществляется не в радиантной, а конвекционной части печи;
117
увеличивается поверхность теплообмена;
выработка пара позволяет уменьшить его потребление из котельной;
выработка электроэнергии на установке позволяет уменьшить закупку
электроэнергии;
уменьшаются выбросы CO2, SO2, NO2.
Аппарат, в котором рекуперируется теплота выхлопных газов газовой
турбины, может быть включен в технологическую схему либо параллельно,
либо последовательно с печью нагрева нефти (рисунок 2).
Рисунок 2 – Рекуперация тепла на установках с когенерацией:
а – параллельное включение; б – последовательное включение; 1 – газовая
турбина; 2 – теплообменники; 3 – электрогенератор; 4 – парогенератор; 5 –печь;
6 – колонна отбензинивания; I – нефть; II – воздух; III – природный газ
(топливо); IV – дополнительное сжигание; V – питательная вода; VI – пар; VII –
дымовые газы
Библиографический список
1. Загидуллин, Р.М. Комбинированная схема подогрева нефти на
установке АТ // Нефтехимия и нефтепереработка. – 1984. – № 6. – С. 3 – 4.
2. Вильхельмссон, Б. Применение спиральных теплообменников в
«грязных» средах // Нефтегазовые технологии. – 2005. – № 11. – С. 74 – 75.
3. Кларен, Д.Г. Экономия от применения «незагрязняющихся»
подогревателей сырой нефти // Нефтегазовые технологии. – 2005. – № 11. – С.
76.
4. Сентдженсс, Дж. Прямая рекуперация тепла на установках с
когенерацией позволяет уменьшить энергозатраты и газовые выбросы //
Нефтегазовые технологии. – 2005. – № 1. – С. 70 – 71.
118
УДК 662.75
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ
ПРИМЕНЕНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ
В ПРОИЗВОДСТВЕ ТОВАРНЫХ НЕФТЕПРОДУКТОВ
Д. В. Медведев1, В.Н. Сапрыгина2
1
студент гр. ХТТ-10-1, институт металлургии и химической технологии имени
С.Б. Леонова ИрГТУ, г. Иркутск, e-mail: dima93medvedev@mail.ru
2
руководитель, к.х.н., доцент кафедры химической технологии ИрГТУ, г.
Иркутск, e-mail:saprvera@istu.edu
Проблема использования альтернативных топлив становится все
актуальнее в связи с невозобновляемостью запасов минеральных ресурсов:
нефти и природного газа[1,2]. Функционирование огромного парка
транспортных средств требует увеличение объема применяемых топлив,
применение альтернативных топлив позволит в ближайшем будущем решить
эту задачу.
Для того чтобы альтернативные топлива получили массовое применение,
их физико-химические, эксплуатационные и экологические свойства должны
удовлетворять определенным критериям. В нашей стране до недавнего времени
альтернативное моторное топливо из каких-либо других источников, кроме
нефти, не производили, поэтому сравнительными критериями для такого
топлива являются показатели, установленные для топлив нефтяного
происхождения [3]. С одной стороны, свойства биотоплив должны быть близки
к свойствам нефтяных топлив, чтобы не пришлось заменять многомиллионный
автомобильный парк, находящийся в эксплуатации. В связи с
ужесточающимися требованиями экологического воздействия топлив на
окружающую среду, в этом плане биотоплива превосходят традиционные
применяемые топлива.
Наиболее вероятными заменителем нефтянях топлив являются биодизель
(масла, жиры растительного или животного происхождения).
Анализ многочисленных разработок в данном направлении показал, что
на биотоплива обладают рядом преимуществ перед нефтяными топливами, а
именно превосходных экологических характеристик при их производстве,
хранении, транспортировке и применении. Биотоплива по химическому составу
отличаются от традиционных топлив, но в эксплуатационных показателях в
ряде случаев превосходят. Производство биотоплив основывано на переработке
возобновляемого сырья в отличие от традиционных.
В таблице 1 приведен сравнительный анализ эксплуатационных
показателей наиболее массового дизельного топлива, выпускаемого НПЗ по
ГОСТ 305-82, и растительных масел [3].
119
Таблица 1 –Эксплуатационные и физико-химические свойства растительных
масел, нефтяных масел и дизельного топлива
Наименование показателя
Дизельное
Нефтяное Растительные
топливо летнее масло
масла
ГОСТ 305-82
Цетановое число
45
35 - 40
3
Плотность при 20 °С, кг/м
860
880
900 - 960
Кинематическая вязкость при 20 3,0 - 6,0
55
58 - 92
°С, мм2/с
Индекс вязкости
120
220
Фракционный состав, °С
температура начала кипения
н/н
около 300
50%
280
перегоняется
90%
не выше 360
с
разложением
Температура застывания, °С
-10
-17
-20
Температура помутнения, °С
-5
-11
-9
Температура вспышки в
40
220
180
закрытом тигле, °С
Теплотворная способность,
н/н
37 000 - 40
кДж/кг
900
Массовая доля серы, %
0,2
0,3
до 0,0008
Массовая доля меркаптановой
0,01
отсутствует
серы, %
Содержание сероводорода, %
отсутствует
отсутствует
Испытание на медной пластине выдерживает выдерживает
Содержание водорастворимых отсутствуют
отсутствуют
кислот и щѐлочей
Кислотность, мг КОН/100 см3
5
0,05
50 - 90
Йодное число, г йода/100 г
6
0
80 - 180
Коксуемость, %
0,3
0,01
0,35
Зольность, %
0,01
0,001
0,03
Содержание мехпримесей
отсутствует
отсутствует
Содержание воды, %
отсутствует
отсутствует
По физико-химическим характеристикам растительные масла заметно
отличаются от товарного нефтяного дизельного топлива марки Л, но в то же
время их свойства близки к нефтяным маслам. В таблице 1 приведены
некоторые физико-химические характеристики растительного масла по
сравнению с нефтяными дизельным топливом и маслами[4].
Применение растительных масел как альтернативы нефтяному
дизельному топливу и маслу имеет целый ряд преимуществ. Так, растительные
120
масла обладают исключительно низким содержанием серы (0,0008 %) и
ароматических соединений, что означает практически полное отсутствие в
выхлопных газах оксидов серы и канцерогенных полициклических
ароматических
углеводородов,
меньшее
количество
несгоревших
углеводородов (наличие 6 атомов кислорода в молекуле улучшает полноту
сгорания топлива). Биодизели относительно безвредны для окружающей среды,
так как при разливе на почву подвергается быстрому биологическому
разложению, как и любой другой компонент растительного сырья[3,4]. Низкое
содержание серы в растительных маслах, применяемых в производстве
товарных масел, позволяет упростить схему производства масел[5].
В то же время по ряду эксплуатационных показателей биодизель уступает
нефтяному дизельному топливу (цетановое число, фракционный состав). В
связи с характерным составом биодизеля (температура начала кипения масел
очень высока (около 280 - 300 °С), разогнать его на отдельные фракции не
представляется возможным при атмосферном давлении из-за разложения) при
низкой нагрузке дизеля (в том числе на холостом ходу) температура поршня
снижается [4].
Вязкостно-температурные свойства растительных масел оказывают
влияние на качество распыления и сгорания биодизеля. Вязкость масла может
быть понижена нагреванием или добавлением нефтяного дизельного
топлива[5,6].
В специально доработанных двигателях потребление масла такое же, как
и дизельного топлива. Если рассматривать двигатели, специально
сконструированные для работы на растительных маслах, то у них расход
значительно ниже, чем дизельного топлива у современных двигателей
сравнимой мощности[4].
У товарных масел, полученных на основе растительного сырья, индекс
вязкости (ИВ) находится в пределах 100-110, таким образом, при введении
незначительного количества присадок можно увеличить ИВ до требований
ГОСТ [5,6,7].
При введении 0,1-0,5 % депрессорной присадки, температуру застывания
можно снизить до -30 - -35 °С. Присутствующие в растительных маслах
ненасыщенные жирные кислоты снижают стабильность против окисления.
Эффективными синтетическими антиокислителями растительных масел
являются ароматические амины, производные фенола, жирные кислоты и их
эфиры.
Наибольшее преимущество перед нефтяными аналогами растительные
масла имеют по экологическим показателям. Биоразлагаемость растительных
масел достигает 100% – через 25 суток, в то время, как нефтяных за этот же
промежуток времени – не более 40% [5,7].
Таким образом, вовлечение растительных масел в качестве альтернативы
товарных нефтепродуктов перспективно.
121
Библиографический список
1. Sorensen B. Renewable Energy (Third Edition). – Elsevier Inc., 2004. –
930 p.
2. Sorensen B. Renewable Energy Conversion. Transmission and Storage. –
Elsevier Inc., 2007. – 330 p.
3. Панкин К.Е. Сравнение битоплив с нефтяными топливами по физикохимическим характеристикам / К.Е. Панкин и др. // Химия и технология топлив
и масел. №1 – М.: Изд-во Техника, 2011.
4. Нагорнов С.А. Техника и технологии производства и переработки
растительных масел : учебное пособие / С.А. Нагорнов, Д.С. Дворецкий, С.В.
Романцова, В.П. Таров. - Тамбов : Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2010. - 96 с.
5. Медведев Д.В. Применение растительного сырья в производство
товарных масел / Д.В. Медведев, В.Н. Сапрыгина // Технико-экономические
проблемы развития регионов: материалы научно-практической конференции с
международным участием. – Иркутск: изд-во ИрГТУ, 2012. – с 123-126.
6. Медведев Д.В. Методы определения вязкости товарных масел / Д.В.
Медведев, В.Н. Сапрыгина // Переработка углеводородного сырья: сборник
научных трудов студентов, магистрантов и молодых ученых химикометаллургического факультета. – Иркутск, 2012 – с. 42-44.
7. Капустин В.М. Технология переработки нефти: Учеб. пособие. В 4-х
частях. Часть третья. Производство нефтяных смазочных материалов. / В.М.
Капустин., Б.П. Тонконогов Б.П., И.Г. Фукс. – М.: Химия, 2014. – 328 с. ил.
УДК 66.02
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИЭТИЛЕНА
Н.Г. Сергеева1, Е.В.Янчуковская2
1
магистрант гр. ОХПм-13-1ИрГТУ, e-mail: sergeeva-natalya@mail.ru
2
к.т.н.,
доцент
кафедры
химической
технологииИрГТУ,e-mail:
lenyan@istu.du
Полимеры - наиболее важные продукты нефтехимии. Полиэтилен - самый
распространенный и широко применяющийся полимер. В России производится
два его вида: полиэтилен низкой плотности (ПЭНП, LDPE) и полиэтилен
высокой плотности (ПЭВП, HDPE)[1].
В 1873 г. полимеризацию этилена впервые изучал А. М. Бутлеров, а в
1884 г. ее осуществил русский химик Г.Г. Густавсон, применяя в качестве
катализатора бромистый алюминий. Полученные полимеры этилена
представляли собой низкомолекулярные жидкие продукты. В дальнейшем в
разных странах мира многие ученые занимались проблемой полимеризации
этилена в высокомолекулярные продукты. И только лишь в 1933-1936 г. г. в
СССР и Англии удалось получить при давлении более 100 МПа и температуре
около 200°С твердые высокомолекулярные полимеры этилена. Промышленное
122
производство полиэтилена методом высокого давления началось в 1938 г. в
Англии, несколько позже - в Германии, США и СССР.
Технологический процесс производства полиэтилена методом высокого
давления сложен тем, что требуется вести полимеризацию в аппаратуре,
выдерживающей
большие
давления;
возникает
необходимость
в
неоднократной циркуляции этилена в реакционной системе из-за невысокой
степени превращения и т. д. Эти обстоятельства заставили искать новые пути
полимеризации этилена.
Большим событием явилось открытие в1952 г. группой немецких ученых,
возглавляемой К. Циглером, метода полимеризации этилена при нормальном
давлении в присутствии комплексных металлоорганических катализаторов.
Вскоре после опубликования работ К. Циглера появилось сообщение, что в
США разработано и внедряется в промышленность несколько вариантов
получения полиэтилена при небольшом давлении (3,5-7 МПа) в присутствии
простых окиснометаллических катализаторов.
Росту потребления полимеров способствует снижение использования
традиционных материалов - металла, дерева и керамики. Благодаря быстрому
развитию и росту таких сегментов применения как бытовая техника,
автомобилестроение и товары широкого потребления, возрос спрос на
полимеры.
Россия сегодня испытывает полимерный голод - среднестатистический
россиянин потребляет в несколько раз меньше полимеров, чем европеец,
американец или японец.Несмотря на внушительный размер российского рынка
– 5 млн тоннв год, – он все еще носит характер развивающегося. Однако, кроме
количественного роста, важно также качественное развитие отношений между
поставщиками и потребителями, внедрение норм и стандартов работы, развитие
рыночных сервисов.
Пока сравнение с мировыми практиками – не в нашу пользу.Крепкие
отношения - одно из ключевых отличий российского рынка полимеров от
рынков США, Европы и Японии – многосторонность поставок. У нас один
потребитель часто имеет более двух поставщиков[4].
Темпы роста потребления полиэтилена низкой плотности (ПЭНП)
остаются самыми низкими среди полиолефинов из-за замещения ПЭНП на
линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП), а также из-за того, что
сегменты потребления ПЭНП являются зрелыми. ПЭНП удерживает позиции
на рынке благодаря своей более высокой технологичности переработки по
сравнению с ЛПЭНП. При производстве пленки используют смеси ЛПЭНП и
ПЭНП, что позволяет получать хорошие оптические свойства и улучшенные
технологические свойства материала.
Полиэтилен низкой плотности - более гибкий и прозрачный материал, а
полиэтилен высокой плотности имеет более высокую прочность, низкую
ползучесть и меньшую газопроницаемость. Эти отличия являются следствием
123
различной плотности, но они связаны также с разницей в молекулярных
массах, разветвленности и кристалличности двух видов полиэтилена [2].
Линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП) по своей структуре
подобен полиэтилену высокой плотности (ПЭВП), но его молекулярные цепи
имеют более многочисленные и длинные боковые ответвления. В результате
материал обладает следующими преимуществами:
- более высокой температурой размягчения, что позволяет применять его
для расфасовки горячих продуктов;
- лучшими эксплуатационными свойствами при низких и высоких
температурах;
- более высокой химической стойкостью;
- более высокой прочностью;
- блеском поверхности и устойчивостью к растрескиванию.
Темпы роста производства полимеров в 2013 году составили 13%, общий
объем производства достиг 6133,7 тыс. т. Эксперты отрасли считают, что столь
высокие темпы роста обусловлены несколькими факторами:
- запуском новых мощностей по выпуску полимеров;
- ростом спроса со стороны переработчиков пластмасс (выпуск изделий в
РФ в 2013 году увеличился на 7,3% по сравнению с 2012 годом).
Производство полиэтилена в 2013 году возросло на 19,8%, до
1860,8 тыс. т [3].
Развитие рынка полиэтилена в России сдерживают несколько факторов.
Во-первых, насыщенность рынка импортными изделиями из пластмасс,
которых ежегодно ввозится до 800 тыс. тонн. Изделия из полиэтилена в этой
массе занимают около 25%. Основной приток импортных пластиков идет из
Европы, Польши, Венгрии, Турции, Китая.
Во-вторых, технический уровень отечественного производства не
позволяет расширить мощности и ассортимент выпускаемых полиэтиленов.
Вышеперечисленное обуславливает необходимость создания новых
мощностей.
В связи с ростом потребления полимеров экономически выгодно
строительство установок по производству полиэтилена и полипропилена в
нашем регионе.
В настоящее время проектируются установки по производству
полипропилена и полиэтилена высокой плотности (суспензионная технология)
на площадке Ангарского завода полимеров.
Библиографический список
1. Костин А.А. Популярная нефтехимия. Увлекательный мир химических
процессов/А.А. Костин. – М.:Ломоносовъ, 2013.–176 с.
2. Термопласты. Полиолефины. Аналитический портал химической
промышленности, http://newchemistry.ru/letter.php.
124
3. Игнатенко Л.Крупнотоннажные полимеры: тенденции и прогнозы/Л.
Игнатенко // Химический журнал.–2014.- №6. – С. 54-56.
4. Хамитов Р. Сложившаяся система торговли полимерами не спешит
модернизироваться, несмотря на динамичный рост объемов рынка. Но этот
процесс неизбежен / Р. Хамитов// Нефтехимия Российской Федерации. – 2013. №5. – С. 19-21.
УДК 54.057
ИННОВАЦИИ В ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ
Ю.В. Придатченко1, А.М. Рудых2
1
студент гр. ХТОб-11-1 ИрГТУ, e-mail: siebenju@yandex.ru
2
доц. каф. немецкого и романских языков ИрГТУ, e-mail: rudych@bk.ru
В настоящее время в Германии и России проблема энергоносителей
занимает ведущее место в исследовании энергии будущего. Мы ежедневно
потребляем энергию в различных формах: тепловая энергия для отопления
жилых помещений, энергия привода в автомобиле, электрическая энергия.
Среди так называемых первичных энергоносителей различают:
Невозобновляемые энергоносители (нефть, газ, уголь и урановая руда);
Возобновляемые энергоносители – они неисчерпаемы и при их
использовании не возникает CO2.
В будущем снабжение человечества энергией будет базироваться на
возобновляемых видах энергии, так как месторождения природных
невозобновляемых энергоносителей иссякают.
Почему энергия так важна для нас? От нее зависит не только наше бытие,
но и производство. К 2050 году число жителей на Земле достигнет 9
миллиардов человек – и каждый из них имеет право на использование энергии.
Огромную проблему сейчас представляет собой выделение CO2, что ведет к
изменению климата. Последствия глобального потепления мы ощущаем уже
сейчас, оно угрожает самому существованию человека. Чтобы сохранить жизнь
на Земле, необходимо постепенно отказываться от невозобновляемых видов
энергии, выделяющих CO2, которые губят нашу атмосферу .
Возобновляемые источники энергии не всегда имеются в распоряжении,
поэтому начинают использовать химические энергоносители, получаемые из
биогенного сырья путем процессов синтеза. Такими исследованиями
занимаются
Энглер-Бунте-институт (Engler-Bunte-Institut), университет
Штудгарт (Universität Stuttgart), а также научные центры некоторых
предприятий. Энглер-Бунте-институт занимается не только обогащением газа,
нефти и угля, но и синтетическими горючими веществами, такими как
водород.
Возобновляемые виды энергии получают из источников, которые
самовозобновляются, к ним относятся: сила воды, энергия солнца и ветра,
тепло Земли. Другим энергетическим потенциалом является биогаз, биоэтанол,
125
древесина. Современное обеспечение энергией базируется пока еще на
природных энергоносителях, использование которых не соответствует их
восстановлению. Основу возобновляемости составляют три источника энергии:
энергия солнца, энергия планеты (гравитация) и геотермическая энергия.
Различные факторы делают необходимым применение возобновляемых
источников энергии. Можно назвать два главных фактора : «исчерпаемость»
природных источников энергии и усилия по защите климата. Однако,
возобновляемые виды энергии будут составлять в Германии до 2020 года
только 30% от всего обеспечения энергией. Для поддержки использования
возобновляемых видов (ВВ) здесь существуют различные законы:
Закон о преимущественном использовании ВВ (Das Gesetz für den Vorrang
erneuerbarer Energien);
Закон о ВВ в сфере отопления (Das Gesetz zur Förderung erneuerbarer
Energien im Wärmebereich);
Закон о квотах на био-горючее (Das Biokraftstoffquotengesetz zur
Förderung von Biokraftstoffen);
Директива ЕС на применение ВВ (Die EU-Richtlinie zu den erneuerbaren
Energien).
Современные возможности получения энергии из возобновляемых
источников. Биогаз.
Биогаз производится из биомассы (отходов) посредством пиролиза или
брожения. Возможные источники происхождения материала для получения
энергии: отходы с/х деятельности; остатки от производства муки, риса, сахара;
биогенные отходы ремесленных и промышленных предприятий; коммунальные
отходы, срезанная трава, листва и пр. Биогаз – это смесь, состоящая из метана и
двуокиси углерода. При этом присутствуют небольшие количества
сероводорода и азота. Путем анаэробного сбраживания в многоступенчатом
процессе углеродосодержащие компоненты в биомассе превращаются в метан и
двуокись углерода. Под пиролизом понимают разложение веществ с
выделением кислорода. Продукты реакции – это газы и газообразные
углеводороды. Этот процесс протекает в три ступени: высушивание,
добавление серы и фаза образования газа. Обогащение биогаза
ионизированными жидкостями: при биохимическом получении натурального
газа путем ферментации биомассы поступает поток газа, который содержит
наряду с метаном большие количества двуокиси углерода, а также следы
сероводорода. Далее смесь проходит фазы: обессеривание, отделение CO2 и
высушивание потока газа.
Ионизированные жидкости: это солевой раствор с Т 100 С0, который
имеет макромолекулярное строение и используется в процессе отделения газа.
По сравнению с горючими материалами такими как, уголь, нефть и газ;
биомасса имеет определенные преимущества – для получения одного киловаттчаса энергии из биомассы в атмосферу выбрасывается гораздо меньше
двуокиси углерода .
126
Топливные элементы.
Простой горючий элемент открыл в 1838 году Christian Friedrich
Schönbein, когда он две платиновые проволоки опустил в соляный раствор с
водородом и заметил между проволоками электрическое напряжение. В 1870
году Жюль Верн писал: «Вода – это уголь будущего, которая разлагается
электрическим током ….» Горючий элемент (ячейка) – это гальванический
элемент, который превращает химическую энергию реакции последовательно
поступающего горючего окислителя в электрическую энергию. При этом
горючий элемент не аккумулирует энергию, а превращает ее. Получение
электрической энергии из химических энергоносителей происходит путем
сжигания возникающих горячих газов в тепловой установке с подключенным к
ней генератором. Так тепловая энергия превращается в механическую работу.
А горючий элемент преобразует энергию без превращения ее в тепло и поэтому
является более экономичной.
Итак, горючий элемент состоит из электродов, которые разделены
мембраной или электролитом. Он покрыт катализатором (платина, палладий). В
качестве электролита применяются растворенные щелочи или кислоты.
Реверсивные
(обратимые)
горючие
ячейки
являются
усовершенствованным видом полимерно-электролитных ячеек на основе
водорода-кислорода. Они используются как преобразователи энергии в системе
аккумуляторов. Принцип горючего элемента был открыт в 1838 году
Шѐнбайном на основе реакции:
. Интересным примером
является горючий элемент мембраны протонообменника (PEMFC). Водород
окисляется каталитически на аноде при переходе от электронов к протонам.
Они попадают в окислительную камеру. Электроны выводятся из ячейки и
переходят к катоду, где окислитель из-за электронов сокращается до анионов,
которые реагируют с водой .
Водород.
Водород является с давних пор важным и универсально используемым
веществом для синтеза химических соединений и в восстановительных
реакциях в металлургии. Далее он применяется в высококачественных
химических продуктах. Кроме того, водород имеет свойство аккумулировать
энергию, поэтому может использоваться для получения энергии.
Ученые университета г. Ростока разработали новую систему получения и
хранения богатого энергией газа. Горючий элемент используется в
автомобилях, где водород и кислород вступают в реакцию, при которой
возникает электрический ток. При этом нет вредных веществ и эмиссий.
Водород является из-за своей высокой энергоплотности идеальным
энергоносителем для компактных систем горючих элементов на морских судах.
Создание композитных сосудов для накопления газа под давлением
считается надежным благодаря своим физическим свойствам и делает
возможным хранение водорода при высоких давлениях.
127
Для успешного введения горючего на основе водорода необходимо
понимание этого процесса со стороны пользователей. Наряду с высоким КПД
водород экологически более приемлем в качестве горючего .
Гидраты метана.
Гидраты метана есть почти на всех континентах, они залегают на глубине
от 400 метров. Некоторые страны имеют огромные месторождения, такие как
Китай, Индия, Канада и др. При разработке проекта «SUGAR» было
предусмотрено устранение рисков при добыче гидрата метана и подготовлены
новые стратегии его использования. Особо интенсивно исследовались в
последние годы морские гидраты: велся поиск новых месторождений,
подсчитывался объем гидратов .
Библиографический список
1. www.uni-rostock.de
2. http://de.wikipedia.org
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ МЕЛКОДИСПЕРНОГО
ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ (АТУ)
МЕТОДОМ ДЕЗИНТЕГРИРОВАНИЯ
О.И. Дошлов1, А.Е. Ширяева2
1
кандидат химических наук, Национальный исследовательский Иркутский
государственный технический университет , профессор, тел.:89027659074, email: doshlov125@mail.ru
2
студентка первого курса Института металлургии и химической технологии
имени С.Б. Леонова, Национальный исследовательский Иркутский
государственный технический университет, тел.:89149283336, e-mail:
asya_1996-96@mail.ru
Развитие современных технологий, использующих измельчительные
аппараты, сделало весьма актуальной проблему исследования свойств
кристаллических материалов, подвергнутых интенсивным механическим
воздействиям. Работы в этом направлении стимулируются необходимостью
получения активированных веществ со свойствами (растворимость,
реакционная способность и другие) в значительной мере отличающимися от
таковых в исходном состоянии. Применение таких активных реагентов
позволяет ускорить и проводить в более мягких условиях многие
производственные процессы металлургии и органической химии.
Изучение свойств веществ, обработанных в таких устройствах,
представляет, наряду с несомненным практическим, и научный интерес, так как
позволяет прояснить вопросы устойчивости и стабильности кристаллических
структур веществ в условиях сильных деформаций. Эффективность процесса
измельчения и изменения свойств (химических и др.) материалов в результате
механической обработки, именуемого, в настоящее время механической
128
активацией, определяется природой химических связей (прочностными
характеристиками
измельчаемого
вещества)
и
динамическими
характеристиками измельчительного устройства.
Лабораторный дезинтегратор DESS-11 позволяет проводить ударную
обработку материалов с исходной величиной до 2.5 мм при скорости удара до
240 м/с. Основные области применения дезинтегратора-лабораторные и
исследовательские работы, тестирование и подготовка к анализу различных
веществ. В зависимости от свойств материала и режима обработки
дезинтегратор позволяет получать различную тонину нефтяного пека,
порошков, совмещать процессы измельчения фаз и перемешивания при
приготовлении суспензий, механически активировать различные вещества,
преимущественно при относительно интенсивных режимах обработки.
Основные технические характеристики
Табл.1
Максимальная производительность, кг/ч
10…20
Инсталлированная мощность, кВт
3.7/4.1
Максимальная скорость ударов, м/с
175/240
Частота вращения роторов (регулируемая), 3000…12000/3000…18000
мин-1
Габаритные размеры, мм длина, ширина, 500х630х1040
высота
Масса, кг
85
Максимальный уровень шума на расстоянии 100
1 м, дБ
Питание
380В, 50 Гц
Результаты измельчения кокса в дезинтеграторе DESS-11
Материал
Исходные размеры, мм
АТУ
1-2
Табл.2
Максимальный размер
Частиц продукта, мкм
160
Экологическая ценность: создание новых ресурсосберегающих
технологий на основе предлагаемых видов торцевых зубчатых зацеплений и
универсальных конструкций дезинтеграторов для решения экологических
проблем по мелкодисперсному измельчению многокомпонентных продуктов.
Объектом исследования был взят нефтяной электродный кокс
производства ОАО Ангарская нефтехимическая компания (цех 17/19) установка
УЗК 21/10-3М.
Полученные данные наглядно свидетельствуют о принципиальной
возможности замены каменноугольного пека нефтяным пеком, полученного
129
методом компаундирования. Применение данных материалов не требует
модернизации и реконструкции технологических линий алюминиевых заводов
работающих как по технологии предварительно обожженных анодов так и по
технологии Содерберга (самообжигающиеся аноды).
Технология производства нефтяных пеков компаундированием имеет
преимущества перед остальными технологиями производства нефтяных
связующих материалов за счет своей простоты и эффективности. Кроме того,
мощности современных нефтеперерабатывающих заводов России более чем
достаточно для обеспечения всех потребностей алюминиевой промышленности
России нефтяным связующим постоянного физико-химического состава со
стабильными эксплуатационными характеристиками.
Задачей исследования было получить активную углеродную добавку в
качестве присадки, которая используется для получения спекающей добавки
или компаундированного нефтяного пека ПНД.
В результате измельчения на валковой мельнице, затем на дезинтеграторе
была получена углерод содержащая добавка, с концентрацией чистого углерода
до 99, 9%, содержание влаги менее 3%, летучих 1,5-2%, а в исходном сырье
было около 10%, содержание серы (элементной) меньше 0,2%, а суммарное
содержание Fe, Ni, V меньше 0,01%.
Полученный активный технический углерод (АТУ) с элементами нано
частиц позволяет довести содержание α-фракций в нефтяном пеке до20-25%
(как в идеальном каменноугольном пеке), что соответствует ГОСТам на
каменноугольном пеке.
Экологические характеристики этого процесса показали, что АТУ,
полученный этим способом, может успешно конкурировать с другими
известными видами измельчения.
Библиографический список
1. Дошлов О.И. Адгезия и адгезивы III том, Иркутск, ИрГТУ, 2008.
2. Mannweiler, U. Reduction of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) by
using petroleum pitch as binder material: a comparison of anode properties and anode
behavior of petroleum pitch and coal tar pitch anodes//Fuel and Energy Abstracts
Volume: 38, Issue:6,November, 1997.
3. Терентьев В.Г., Сысоев А.В., Гринберг И.С. и др. Производство
алюминия- М. :Металлургия, 1997.-350с.
4. ГОСТ 10200-83-Введ. 01.01.1985 М.: Издательство стандартов,
1985.-10с.
130
УДК 661.721.422
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА И ПОТРЕБЛЕНИЯ
МЕТАНОЛА НА ГАЗОДОБЫВАЮЩИХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ
О.А. Яковлева1, Е.В.Янчуковская2
1
магистрант гр.ОХПм-13-1 ИрГТУ, e-mail: Yk137@yandex.ru
2
к.т.н., доцент кафедры химической технологии ИрГТУ, e-mail:
lenyan@istu.edu
Топливно-энергетическая отрасль (ТЭК) является ключевой для всего
мирового хозяйства. На современном этапе развития для России ТЭК играет
еще более значимую роль, нежели для других стран мира. ТЭК влияет на
состояние и перспективы развития национальной экономики, обеспечивая
около четверти производства ВВП и треть объема промышленного
производства. Принимая во внимание разнообразие направлений ТЭК, следует
особенно выделить его газовую составляющую [1].
На долю России приходится 30,7% объемов мировых запасов газа, доля
добычи газа - 18% [2]. Для сохранения добычи на современном уровне
необходимо осваивать новые месторождения мощностью 60 - 70% от
нынешнего объема запасов. Ожидается, что до 2025 г. объемы добычи газа
удвоятся. При этом более 60% всей добычи газа в РФ будет сосредоточено в
районах Крайнего Севера, что ставит перед разработчиками газовых
месторождений ряд задач. Одна из них касается предотвращения закупорки
магистральных газопроводов и подземных газохранилищ кристаллогидратами
при низких температурах воздуха [1].
Решение проблемы устранения газогидратных пробок осуществляется
при помощи химических ингибиторов. Есть хорошо известный и проверенный
на практике ингибитор – метанол, который эффективно предотвращает
образования гидратов, при этом метанола требуется в 1,5–2,0 раза меньше, чем
ингибиторов на основе гликолей. Метанол имеет очень низкую температуру
замерзания (–97 °С) [3], что исключает проблемы при его хранении и
применении в условиях сибирских зим. Он обладает исключительно малой
вязкостью при низких температурах. Кроме того, метанол очень эффективно
разрушает уже образовавшиеся гидратные пробки, в том числе пробки
значительной протяженности, что слабо получается у других ингибиторов
гидратообразования. Основной недостаток метанола как ингибитора – его
достаточно высокая токсичность [4]. Это создает очень серьезные проблемы
при его транспортировке [5].
Рост потребления метанола сопровождается и увеличением его
стоимости. В настоящее время (ноябрь, 2014 г.) метанол на российском рынке
предлагается по цене более 10000 руб/т. Для сравнения: в 2003 г. метанол
продавался по цене 5000 - 6000 руб/т, а 2013 - по цене 7000 - 8000 руб/т.
Доставка метанола на промыслы Крайнего Севера как минимум удваивает его
стоимость, а для некоторых месторождений, в частности Ямала, вообще
131
существует возможность только сезонной его доставки, что приводит к
удорожанию стоимости в 3 раза.
Но есть еще один важный аргумент в пользу выбора метанола – он
является единственным распространенным ингибитором, который может быть
не завезен, а получен из исходного газа в непосредственной близости от поля
газодобычи при себестоимости значительно более низкой, чем его рыночная
цена с учетом доставки на промыслы.
Осуществить это возможно при строительстве легко транспортируемых
малотоннажных установок. Однако здесь возникает ряд вопросов, касающихся
технологии производства метанола, которая в своей основе подразумевает
сложный технологический процесс. Существующие технологии, как правило,
базируются на двух и более стадийных процессах. Поэтому можно прийти к
заключению, что подобные технологии применимы только в случае очень
крупных комбинированных производств, где становится оправданной
утилизация тепловых потерь для покрытия высоких энергозатрат и снижения
себестоимости получаемых продуктов. Однако, всевозрастающий интерес в
России и во всем мире к децентрализованному производству метанола, а также
ужесточение экологических требований при добыче газа, подвигло многих
разработчиков к созданию новых высокоэффективных технологий [1].
ЗАО «Безопасные технологии» разработало и внедрило в эксплуатацию
химический комплекс производства метанола в зоне месторождения, а также
подтвердило экономическую рентабельность такого решения. При общих
положительных результатах внедрения имели место проблемы при
строительстве, пуске, освоении и эксплуатации химических комплексов [5].
«Безопасные технологии» выработали свой подход к разработке,
поставке и сопровождению малых компактных агрегатов по производству
метанола в зонах добычи газообразных углеводородов.
Подход заключается в применении максимально простых и надежных
решений, проверенных на практике и наилучшим образом отвечающих
потребностям наших партнеров. Все дополнительные системы и решения,
усложняющие схему и снижающие ее надежность, были жестко проверены на
их обязательность и целесообразность в технологической схеме производства
метанола. Исходя из этого, схема метанола «рассталась» с целым рядом узлов,
привычных для химиков, но сложных в эксплуатации и техническом
обслуживании, капиталоемких, а также заметно снижающих надежность
производственной нитки.
Это узлы:
• трубчатая печь с огневым подогревом, имеющая значительную
капиталоемкость из-за применения труб из специального высоколегированного
сплава. Печь является взрывоопасным объектом и требует значительного
объема оперативного и технического обслуживания;
• компрессор синтез-газа – динамическое оборудование, сжимающее газ с
высоким содержанием водорода. На традиционных агрегатах метанола это один
132
из узлов, неизбежно снабженный большим количеством аварийных защит.
Остановки компрессора синтез-газа из-за механических дефектов и отказов
приборов – частое и неприятное событие;
• циркуляционный компрессор – более простая машина по сравнению с
компрессором синтез-газа, но проблемы с ней – тоже не редкость;
• узел ректификации метанола, который в предлагаемой схеме также
оказывается излишним: реализуемый технологический режим позволяет
получить продуктовый маловодный метанол без дополнительной очистки.
В итоге значительно снижаются масса и габариты оборудования, а значит
– требования к размеру промышленной площадки. С учетом поставки агрегата
«под ключ» при малом количестве подрядчиков это обеспечивает существенное
снижение капитальных затрат. При этом непосредственно на площадках
работает минимальное число людей, что позволяет значительно экономить
время и материальные средства, необходимые для обустройства строителей в
необжитых районах [5].
В настоящее время все газодобывающие компании проявляют интерес к
такого рода производствам. Разработанный нами блочно-модульный метод
строительства до сих пор остается основополагающим в решении задач
ускорения строительства объектов в районах Крайнего севера со сложными
природно-климатическими условиями.
Таким образом, расположение производств метанола в районах
газодобычи не только упрощает вопросы доставки метанола к потребителям, но
и повышает экономическую эффективность производства метанола, снижая
себестоимость целевого продукта.
Библиографический список
1. Ладыгин К. В. Обеспечение устойчивой добычи и бесперебойной
поставки газа на отдаленных месторождениях как системная задача// Газовая
промышленность – 2013 – № 10. С.73-75.
2. Топ 10 газовых империй мира, http://www.franchexpert.ru/node/194
3. ГОСТ 2222-95 Метанол технический. Технические условия. – М.: Издво стандартов, 2000. – 17 с.
4. ГОСТ 12.1.007-76 ССБТ Вредные вещества. Классификация и общие
требования безопасности. – М.: Стандартинфом, 2007. – 5 с.
5. Метанол на крайнем Севере, http://neftegaz.ru/analisis/view/7819
133
УДК 666.9
АРБОЛИТ, ИЗВЕСТНЫЙ МАТЕРИАЛ ПО НОВОЙ РЕЦЕПТУРЕ
М.А. Фефелов1, С.Г. Дьячкова2
1
магистрант гр. ХТм -13 ИрГТУ, e-mail: fefelov@istu.irk.ru
2
д.х.н., профессор, зав. кафедрой ХТ ИрГТУ, e-mail: dyachkova@istu.edu
За последние годы на российском строительном рынке появились десятки
новых теплоизоляционных материалов, благодаря чему произошел
значительный
прорыв
в
сфере
энергосбережения.
Использование
многотоннажных отходов производства для получения строительных
материалов нового поколения является важной экономической, экологической
и социальной задачей. Арболит - разновидность легкого бетона, изготовленного
из смеси органических целлюлозных заполнителей растительного
происхождения, минерального вяжущего, химических добавок и воды предназначен для малоэтажного строительства [2].
Нами предложена новая рецептура арболита, позволяющая с одной
стороны улучшить качественных показатели материала, решить вопрос борьбы
с цементными ядами при использовании отходов древесины нерегулярного
состава, найти новый подход к утилизации многотоннажных отходов
производства ацетилена – карбидного ила [1].
В качестве вяжущего вещества для изготовления арболита используется
быстротвердеющий
портландцемент
(ГОСТ
10178-76);
цемент
сульфатостойкий (ГОСТ 22266-76), портландцемент цветной (ГОСТ 15825-80).
Химические добавки, применяемые для улучшения свойств арболита, делятся
на ускоряющие твердение, регулирующие пористость арболитовой смеси и
арболита; повышающие защитные свойства арболита к стали (ингибиторы
коррозии стали); повышающие бактерицидные и инсектицидные свойства;
регулирующие одновременно различные свойства арболитовой смеси и
арболита (полифункционального действия). Наиболее широкое применение в
производстве арболита находят хлорид и нитрат кальция, сернокислый
глинозем, стекло натриевое жидкое. Нами предложено использовать
карбидный ил в качестве химической добавки. Исследовано влияние
количества карбидного ила в рецептуре арболита на его качественные
характеристики. Древесные органические заполнители при производстве
арболита должны состоять из довольно крупных частиц (~40х10х5 мм),
содержать не более 10% коры и 2% водорастворимых редуцирующих веществ.
Химический состав древесины сильно влияет на прочность и сроки твердения
арболита. Наиболее вредное воздействие оказывают легкорастворимые
простейшие сахара, так называемые цементные яды, количество которых
зависит от породы древесины, условий и сроков ее хранения и т.п. В связи с
этим, при использовании в качестве заполнителя при производстве арболита
отходов деревопереработки с нерегулярным составом, очень важным вопросом
является борьба с цементными ядами.
134
Применение карбидного ила нейтрализует действие гемицеллюлоз на
цементное вяжущее, существенно увеличивает объем цементного камня,
повышает его пластичность и прочность. Основными процессами,
происходящими в твердеющем материале, являются увеличение поверхности
контакта с водой затворения, а также появление дополнительных центров
кристаллизации. В затвердевшем материале микронаполняющий эффект
выражается в объемном наполнении цементного камня [3]. Значение средней
плотности арболита при использовании карбидного ила снижается в среднем на
10-15%, что позволяет отнести его к конструкционно-теплоизоляционным
материалам и рекомендовать его для изготовления стеновых материалов для
малоэтажного строительства.
Библиографический список
1. Айзина Ю.А., Фефелов М.А., Дьячкова С.Г. // Материалы III
всероссийской научно-практической конференции с международным участием
перспективы развития технологии переработки углеводородных, растительных
и минеральных ресурсов.НИИрГТУ.- Иркутск.-2014, С 56
2. ГОСТ 19322-84 "Арболит и изделия из него"
3. Векслер М.В. Повышение экономичности цементных композиций,
введение минеральных наполнителей // Технологии бетонов. - 2010. - №07-08. С. 32-35.
УДК 66.026.2,4
ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕЖЦЕХОВЫХ И ВНУТРИЦЕХОВЫХ
КОММУНИКАЦИЙ С ИНТЕГРИРОВАНИЕМ ИННОВАЦИОННОЙ
ТЕХНОЛОГИИ ТРАНСФЕРТА
А.Н. Юшманов1, В.В.Висун2; С.Г.Дьячкова3
1
магистрант гр. ОХПм -13-1 ИрГТУ, e-mail: burka_88@mail.ru
2
магистрант гр. ОХПм -13-1 ИрГТУ, e-mail: visun_vitalii@mail.ru
3
д.х.н., профессор, зав. кафедрой химической технологии ИрГТУ, e-mail:
dyachkova@istu.edu
Развитие нефтегазовой отрасли России не представляется возможным без
ее полной модернизации и технико-технологического перевооружения [1].
Ключевыми направлениями при этом будут являться:
- создание и внедрение принципиально новых технологических процессов
для выработки новых продуктов, повышения качества продукции, улучшения
использования сырья, расширения сырьевой базы;
- совершенствование действующих процессов с целью повышения их
мощностей, улучшения технических и экономических характеристик;
- укрупнение и комбинирование установок;
135
- повышение уровня автоматизации и механизации производства,
создание автоматизированных систем управления технологическими
процессами;
- совершенствование методов специализации, комбинирования и
кооперирования производства.
Совершенствование процесса и организации производства в
значительной степени осуществляется за счет развития инновационных
процессов и технологий [2].
Одной из инновационных, современных и эффективных технологий при
транспортировке различного сырья, продуктов и полупродуктов одной группы
на
нефтехимических
и
нефтеперерабатывающих
производствах
с
периодическими процессами является пиггингтехнология.
Пиггингтехнология – это современный, эффективный и экологически
чистый способ транспортировки жидких, пастообразных, сыпучих и других
материалов по трубопроводам с одновременной очисткой их внутренней
поверхности.
Пиггингтехнология – это система (мольхсистема), состоящая из:
- узлов пуска и приема зачистного устройства;
- датчиков, сигнализирующих о приходе зачистного устройства в
конечный пункт трубопровода (т.е. об окончании процесса);
- специального комплектного технологического узла – манифольда;
- арматурных узлов;
- декомпрессионного
резервуара
и
других
дополнительных
комплектующих устройств.
Транспортировка, возврат и удаление остатков продукта из трубопровода
осуществляется посредством специального устройства – так называемой
«чушки», перемещаемой внутри трубопровода с помощью сжатого воздуха,
инертного газа или какой-либо жидкости. Внутри корпуса зачистного
устройства встроен сердечник из постоянного магнита, который позволяет
легко определить место расположения «чушки», используя метод индуктивной
локации.
Очищаемый «чушкой» проход, имеет повышенную чистоту поверхности
и строго определенный внутренний диаметр. Для выполнения функций
улавливания и отправки зачистного устройства узлы оснащены жесткими
вкладышами, дорном-фиксатором, шаровыми кранами, фитингами для подачи
сжатого воздуха, управляющего движением «чушки», датчиками положений
исполнительных механизмов и сигнализаторами чушки. Вкладыш служит в
качестве упора «чушки» в ее конечном положении и необходим при замене
зачистных устройств с использованием съемной станции ввода/вывода
зачистного устройства. Дорн-фиксатор удерживает «чушку» в граничном
положении и препятствует ее совместному движению вместе с
транспортируемым продуктом из-за турбулентности потока.
136
Декомпрессионные резервуары применяются в самозачищаемых
установках в качестве аппарата отвода отработавшего газообразного
вытеснителя зачистного устройства из трубопроводной системы в атмосферу.
Декомпрессионные резервуары используются для сбора, фильтрации и
отвода из системы рабочей среды, используемой для перемещения зачистного
устройства – в данном конкретном случае сжатого воздуха – и следов
продуктов очистки, а также служат для защиты обслуживающего персонала,
оборудования, помещений и пр. от попадания газообразного вытеснителя
(сжатого воздуха) или аэрозей, образующихся во время декомпрессии
самозачищаемых трубопроводов и состоящих из воздуха и микрокапель
рабочего продукта.
Отработавший сжатый воздух последовательно проходит через
перфорированный металлический вкладыш, проволочный фильтр и удаляется
через верхний патрубок декомпрессионного резервуара. Контаминат,
состоящий из смеси воздушного конденсата и следов остатков рабочего
продукта, оседает в нижней части каплеприемника, где установлен шаровый
кран для его удаления. Для контроля за работой декомпрессионного резервуара,
последний оснащен контрольным манометром и датчиком уровня конденсата.
Использование мольхтехники предусматривает очистку, как самих
технологических трубопроводов, так и непосредственно комплектующей их
арматуры и отдельных технологических узлов. Очищаемые чушкой детали
трубопроводов и арматура – тройники, поршневые и кольцевые задвижки,
трехходовые переходные устройства, а также различные распределительные
узлы объединяют различные перекачивающие продукты трубопроводы в
единую технологическую линию с возможностью ее комплектной очистки [3].
До сегодняшнего дня процессы очистки применялись лишь на
магистральных трубопроводах [4], сегодня же, их применение, за счет
внедрения пиггингтехнологий, удается расширить, и успешно применять при
трансферте сырья, полупродуктов, продуктов и материалов по межцеховым и
внутрицеховым коммуникациям различных промышленных предприятий.
Процесс зачистки является отдельной технологической операцией. Зачистка
трубопроводов осуществляется на всем его протяжении от исходного узла
подачи продукта, до целевого приемного устройства продукта [3].
Оптимальная скорость зачистного устройства в трубопроводе составляет
1 м/с, и не должна превышать 2 м/с. Для возможности регулирования скорости
движения очистных устройств все узлы запуска и возврата чушек
укомплектованы регуляторами давления воздуха [3].
Интегрирование пиггингтехнологий во вновь строящиеся и действующие
производства, позволит решить ряд технологических задач, которые сегодня
стоят перед производственным комплексом, в частности:
- увеличение выхода продукта, удаление остатков продукта из
трубопровода после трансферта;
137
- улучшение качества, за счет полной очистки трубопровода после
прохождения продукта;
- по снижению затрат на организацию монтажа и эксплуатацию
технологических трубопроводов;
- отказаться от значительного количества трубопроводных магистралей,
необходимых в нефтепереработке [5], осуществляя транспортировку различных
технологических продуктов практически по одному единственному
самоочищаемому трубопроводу, благодаря его идеальной очистке скребком.
Библиографический список
1. Чжэньхуа Жуй, Пол А. Метц, Дуглас Б. Рейнолдс, Ган Чэнь,
Сиюй Чжоу. «OIL&GAS JORNAL» RUSSIA, 2011, № 11, p.12-22
2. Андреев О.С. - «Экономика и управление» 2011, № 9, c 34-38
3. Технико-коммерческое предложение немецкой корпорации I.S.T
Molchtehchnik, 2013.
4. Керимов М.З. Трубопроводы нефти и газа. – М.: Наука, 2002. – 256 С.
5. Альперт Л.З. Основы проектирования химических установок. – М.:
Высшая школа, 1989. – 304 С.
УДК 621.314
ОБУЧЕНИЕ КОНФИГУРИРОВАНИЮ НА УЧЕБНОМ СТЕНДЕ
ВТОРИЧНОЙ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ СУВФ
1
Мельник А.А., 2Ершов П.Р., 3Медунова Е.А, 4Капитонова М.И.
1
Мельник Альбина Аполлинарьевна, аспирант, тел. 405878, e-mail: albinamel@yandex.ru
2
Ершов Павел Радионович, кандидат технических наук, доцент кафедры
автоматизации
производственных
процессов,
тел.
405182,
e-mail:
ershov1955@yandex.ru
3
Медунова Екатерина Алексеевна, студент кафедры автоматизации
производственных процессов, e-mail: medna2008@mail.ru
4
Капитонова
Мария
Игоревна,
студент
кафедры
автоматизации
производственных процессов, e-mail: kapitnvamasha@gmail.com
Учебным заведениям необходима материально-техническая база для
закрепления знаний по сбору информации и промышленным сетям. Для этих
целей разрабатываются учебные стенды, охватывающие по своей
функциональности различные виды работ.
Рассмотрим стенд учебный вторичной функциональной аппаратуры
СУВФ, который предназначен для следующих целей:
- изучение принципа действия и характеристик видеографического
регистратора, модулей ввода-вывода, технологических измерителейрегуляторов;
- изучение принципа действия и характеристик термоэлектрических
138
преобразователей, нормирующих преобразователей, датчиков давления;
- настройка видеографического регистратора, модулей ввода-вывода,
измерителя-регулятора, нормирующего преобразователя для работы с
различными видами входного сигнала;
- построение упрощенных систем сбора данных, управления и
сигнализации на основе видеографического регистратора, модуля вводавывода, измерителя-регулятора, блока питания, изолирующего барьера и
пр.;
- конфигурирование HART-устройств с помощью HART-модема;
- изучение основ построения промышленных сетей сбора данных на
физических уровнях интерфейсов RS-485, Ethernet;
- удаленная (через сеть RS-485 или Ethernet) работа с видеографическим
регистратором, модулем ввода-вывода: конфигурирование, передача
данных в ПК, работа с архивом измерений;
- изучение методов диагностики неисправностей в промышленных
системах сбора данных, управления и сигнализации;
В конфигурацию стенда входит:
- регистратор видеографический Элметро-ВиЭР с интерфейсами CAN и
Ethernet;
- модуль ввода-вывода многоканальный Элметро-МВВ с математической
обработкой, шинами RS-485(Modbus RTU) и Ethernet (Modbus TCP) с
OPC сервером;
- технологический измеритель-регулятор Элметро-ТеИР с интерфейсом
RS-485 (Modbus RTU + OPC сервер);
- интеллектуальный преобразователь Honeywell STG94L для измерения
избыточного давления с аналоговым токовым выходом и HART
протоколом;
- преобразователи температуры Метран-281 и Метран-286 с аналоговым
токовым выходом и HART протоколом;
- ручной калибратор Метран-510-ПКМ;
- ручной пневматический насос Метран-Н-2,5М;
- HART-USB модем Элметро-808;
- конвертер USB-RS-485;
- нормализующий преобразователь выходного сигнала датчика
температуры УНПТ-2 в токовый 4...20мА;
- искрозащитный барьер БИТ, пропускающий сигнал HART;
- источник постоянного тока Элметро-ИПТ;
- ноутбук для выполнения лабораторных работ и оформления отчѐтов.
139
Рисунок 1 – Внешний вид стенда СУВФ
Стенд, представленный на рисунке 1, смонтирован на капитальном столе
с выкатной тумбой. В ноутбуке предустановленно программное обеспечение
необходимое для конфигурирования составляющих стенда, создания различных
сетей, сбора данных, архивирования и т.п.
На данном стенде можно проводить до 20 лабораторных работ. Одна из
них – обучение конфигурированию регистратора Элметро-ВиЭР-10,4 под
различные типы входных сигналов и разному отображению информации.
Регистратор Элметро-ВиЭР-10,4 предназначен для преобразования,
регистрации и отображения по нескольким каналам сигналов силы и
напряжения постоянного тока, сопротивления, а также преобразования
сигналов термопар, термометров сопротивления, датчиков измерения давления,
расхода, уровня и других первичных преобразователей в единицы физических
величин. Регистратор обеспечивает:
- архивирование результатов преобразования входных сигналов;
- представление результатов преобразования в цифровом виде, в виде
шкал, в виде графиков и отображение на графическом дисплее;
- отсутствие потери информации при неоднократном
выключении/включении питания в произвольный момент времени во
всем диапазоне питающих напряжений.
Каждый аналоговый вход имеет встроенный изолированный
преобразователь напряжения (20В, до 25мА) для обеспечения питания
подключаемых датчиков.
Аналоговые выходы (АЕ) предназначены для преобразования заданных
численных значений в аналоговый токовый сигнал и служат для подключения
различных исполнительных устройств с соответствующим токовым входом.
140
Релейные выходы регистратора могут использоваться для управления
внешним оборудованием; сигнализации; регулирования.
Дискретные вводы (ДВ). Групповая гальваническая изоляция на каждые 4
дискретных входа. Внутренний изолированный источник, для питания
вспомогательных внешних цепей (с защитой от "короткого" замыкания) – на
каждую группу из 4-х входов. Помимо этого регистратор обладает функциями
сумматоров, счетчиков, таймеров, что позволяет производить суммирование
(интегрирование), производить подсчет количества событий, формировать
временную последовательность действий.
Возможно управление работой регистратора по расписанию (запись
данных, управление дискретными выходами, сумматорами, счетчиками,
таймерами). Благодаря расширенным математическим и логическим
возможностям, могут выполнять функции, схожие с возможностями
промышленных контроллеров. Также могут использоваться в качестве
вычислителей расхода сред по перепаду давления, корректоров газа.
Информация отображается на контрастный цветной дисплей на TFT-матрице с
широким углом обзора. Каналы произвольно группируются по 4 страницам.
Возможно оперативное переключение страниц. Визуализация данных возможна
в виде трендов, шкал, числовых значений.
В состав регистратора входят внешние интерфейсы: RS-485, CAN 2.0,
Ethernet и USB. Интерфейсы предназначены для связи с другими устройствами
и персональным компьютером, для конфигурирования и сохранения архивов.
Для удобства оператора конфигурирование регистратора может
осуществляться за счет программы «RConfig». После запуска данной
программы вводятся настройки для связи с регистратором и в загрузившемся
окне выбираем протокол «Ethernet (Modbus/TCP)» или RS-485. После
подтверждения настроек, перед нами предстает меню программы, которое
состоит из множества закладок, каждая из которых соответствует закладкам на
дисплее регистратора.
Рисунок 2 – Внешний вид регистратора ВиЭР.
141
Для проведения работы заранее собираем схему подключения.
Аналоговый вход канала «АВ 1» соединяется с термометром сопротивления
ТСП. В программе «RConfig» выбирается закладка с аналогичным каналом,
который настраивается для контроля выходного сигнала регулятора.
Выбирается сигнал «20 мА», функция «линейная». Вводятся значения пределов
входной величины НП – «4,000» и ВП – «20,000», значения пределов
измеряемой величины НПИ – «4,00» и ВПИ – «20,00», единицы измерения °С.
Аналоговый вход канала «АВ 2» соединяется с термопреобразователем
М-281. В программе выбирается закладка с таким же названием и производится
настройка. Выбирается сигнал «20 мА», функция «линейная». Вводятся
значения пределов входной величины НП – «4,000» и ВП – «20,000», значения
пределов измеряемой величины НПИ – «4,00» и ВПИ – «20,00» , единицы
измерения °С.
Аналоговый вход канала «АП1» соединяется с датчиком избыточного
давления Honeywell. Далее в программе «RConfig» выбирается закладка с
соответствующим ему названием и настраиваются параметры. Выбирается
сигнал «20 мА», функция «линейная». Вводятся значения пределов входной
величины НП – «4,000» и ВП – «20,000», значения пределов измеряемой
величины НПИ – «0,000» и ВПИ – «160,000», единицы измерения «кПа».
В закладке «Страница 1» настраиваются графические изображения всех
параметров, где выбирается вид, цвет, толщина и другие настроечные
параметры. Для наглядного изображения каждый параметр можно разместить
на отдельную страницу, а можно совместить на одной.
В результате всех действий нажимаем кнопку «Записать конфигурацию».
Все выбранные нами параметры сохраняются и автоматически переносятся во
внутреннюю память регистратора. Далее включаем в работу датчики и на
дисплее наблюдаем отображение измеряемых величин.(Рис.3)
Регистратор поддерживает запись информации на карту USB-Flash.
Поэтому предусмотрена возможность автоматического сохранения лент,
промежутка времени, в течение которого непрерывно велась запись сигналов,
на карту USB-Flash, перед удалением из внутренней памяти.
Рисунок 3 – просмотр архива
142
Библиографический список
1. «Стенд учебный для исследования работы полевой автоматики и
функциональной аппаратуры СУВФ-001», руководство по эксплуатации, ООО
«ЭлМетро-Инжиниринг», Челябинск.
2. «Регистраторы видеографические Элметро-ВиЭР», руководство по
эксплуатации, ООО «ЭлМетро-Инжиниринг», Челябинск.
ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ АНАЛИЗАТОРА УДЕЛЬНОЙ
ПОВЕРХНОСТИ
О.В Лазарева1, А.Н Погодаева2, Т.А Марактаева3
1
к.т.н, доцент кафедры автоматизации производственных процессов,
тел.:(3952)40-55-19 ,e-mail:lov_2126@mail.ru
2
студент гр.АТб-11-2 ИрГТУ, e-mail:pogodaeva_istu@mail.ru
3
студент гр.АТб-11-2 ИрГТУ, e-mail: lady_tatty@mail.ru
В процессе государственных приемочных испытаний на основе анализа
технической документации и результатов экспериментальных исследований
опытных образцов средств измерений, определяют: соответствие средств
измерений современному техническому уровню, требованиям технического
задания и распространяющихся на них стандартов; возможность
метрологического обслуживания и обеспечения нормированных значений
метрологических характеристик средств измерений при их серийном
производстве и в эксплуатации; номенклатуру метрологических характеристик,
подлежащих контролю при выпуске средств измерений из производства,
ремонта и в эксплуатации; рекомендуемую периодичность технического
обслуживания с учетом показателей надежности средств измерений. Оценка
показателей надежности приборов и средств автоматизации, является
обязательной процедурой, выполняемой на этапе выполнения эскизного
проекта.
Под надежностью средств измерений понимают способность их
сохранять заданные характеристики при определенных условиях работы в
течение заданного времени.
В данной работе проведена оценка надежности анализатора удельной
поверхности Sorbtometr-S, разработанного на базе кафедры автоматизации
производственных процессов при участии научно-инженерного студенческого
центра «Автоматика». Данный прибор является альтернативой к
применяющимся на данный момент анализаторам. Анализатор оптимизирован
с технической и экономической стороны. В основе работы лежит
высокотемпературный метод тепловой десорбции (ВМТД) патент РФ на
изобретение №2376582.
Вероятность безотказной работы сорбтометра определяли, полагая, что
закон распределения вероятности - нормальный с ограничениями: среднее
143
квадратическое отклонение σ≤0,2 τср.р. и наработка до проверки технического
состояния элементов системы τп.т.≤0,3 τср.р., где τср.р. - средний ресурс, ч.
Требуемый уровень надежности устройства в случае смешанного
соединения элементов, определяют по формуле:
Рс(τ) = ПРi(τ);
где Рi(τ) - вероятность безотказной работы i-го элемента.
Для систем автоматизации, последствия отказов которых оценивают не
только экономическим показателем, вероятность безотказной работы обычно
принимают не ниже 0,99, то есть Рс.т(τ) ≥0,99.
Время, в течение которого надо обеспечить указанную выше вероятность
безотказной работы, принимают, ориентируясь на структуру системы
технического обслуживания и ремонта, а также
на заданный уровень
надежности.
В состав сорбтометра
входят следующие элементы,
имеющие
различные значения показателей надежности: твердотельное реле Kippribor ,
термоэлектрический преобразователь ОВЕН ДТП 574, термопреобразователь
ХК(L), регулятор температуры ИТР 5930, регулятор температуры ИТР 5920,
ротаметр РС5. Характеристики надежности этих элементов приведены в
таблице 1.
Таблица 1.
Показатели надежности элементов сорбтометра
№ Тип элемента
Кол Интенси
Вероят
-во вность
Средн Среднее Квантиль ность
отказа
ий
квадрат нормаль безотка
-5
10 (1/ч) ресур
ичное
ного
зной
с τср.р., отклоне распреде работы
ч
ние, ч
ления U
P
(1800)
1 твердотельное
2
0,000025 5700
650
6
0,9999
реле Kippribor
2 термоэлектричес 1
0,0001
4700
500
5,8
0,9999
кий
преобразователь
ОВЕН ДТП 574
3 термопреобразов 1
0,00066 4700
500
5,8
0,9999
атель ХК(L)
4 регулятор
1
0,000312 7000
1300
4
0,9999
температуры
ИТР 5930
5 регулятор
1
0,000312 7000
1300
4
0,9999
температуры
ИТР 5920
6 ротаметр РС5
1
0,00025 3500
950
1,79
0,9633
144
ОВЕН 154
1
0,00001 30000 1200
23,5
0,9999
Находим вероятность безотказной работы элементов за время, равное
средней наработке до технического осмотра τп = τт.о = 1800 ч при нормальном
законе распределения по формуле:
Рi(τп) = F(U);
где F(U) - табулированная функция, значения которой табличные. U квантиль нормального распределения, равный:
U = (τср.р.–τп)/σ. ;
Значения
U
и
Р(τп)
приведены
в
таблице
1.
Рассчитываем вероятность безотказной работы системы, полагая, что отказ
любого элемента приводит к отказу всей системы:
Рс (1800) - 0,99997 · 0,9633 = 0,9626.
Полученное значение Рс (1800) = 0,9627 меньше требуемого Рс.т = 0,99. В
связи с этим уровень надежности надо повысить, например, резервированием дублированием ротаметра, имеющего самое низкое значение Р(τ). Тогда
вероятность безотказной работы системы будет:
Рс (1800) = 0,99997 · [1–(1–0,9633)2] = 0,9981.
Следовательно, система с дублированием ротаметром, или с его заменой
на более надежное устройство контроля расхода имеет требуемый уровень
надежности.
7
Библиографический список
1.
Половко А.М. Основы теории надежности: практикум. СПб.: БХВПетербург, 2006. – 557 с.
2.
Дианов В.Н. Диагностика и надежность автоматизированных
систем: учебное пособие. – М.: МГИУ, 2007.- 159 с.
3. М.В. Горбачева, Чан Зань Хыонг, О.В. Лазарева. Исследование
надежности и риска нерезервированной технической системы./ Материалы
ВНПК «Перспективы развития технологии переработки углеводородных,
растительных и минеральных ресурсов», Иркутск, 25-26 апреля 2013.- с. 116.
145
Научное издание
Материалы публикуются с файлов, предоставленных авторами
«ПЕРЕРАБОТКА ПРИРОДНОГО СЫРЬЯ»
Сборник научных трудов студентов, магистрантов, аспирантов
и молодых ученых
Института металлургии и химической технологии им. С.Б. Леонова
Иркутск 2014 г.
146