Реферат на тему:
Класифікація, техніко-економічні та екологічні характеристики сировини
Сировина є первинним предметом праці, а її видобуток — початком
будь-якої системи технологій. Для раціональнішого планування й аналізу
витрат суспільної праці у виробництві економіст (насамперед менеджери
виробництва) має бути добре обізнаним з техніко-економічними
характеристиками сировини і процесів її перетворення на споживні
вартості.
Термін «сировина» не є однозначним поняттям. У найбільш узагальненій
формі його слід розуміти як первинний предмет праці, узятий
безпосередньо з природи, матеріальний субстрат, який містить у собі
основу цільового продукту.
З погляду економіки, сировина — це видобутий природний ресурс, на який
витрачено певну працю і який потребує дальшої переробки в цільові
продукти.
Існують різні схеми класифікації промислової сировини: за походженням
(мінеральна, рослинна, тваринна), за агрегатним станом (тверда,
газоподібна, рідинна), за галузево-технологічним принципом використання
(рудна, нерудна, паливна).
Рудна сировина — це гірські породи або мінеральні агрегати, які містять
метали в такій кількості й у такій формі хімічного зв’язку з іншими
елементами, котрі дають змогу видобувати їх за сучасною промисловою
технологією і економічно виправдовувати зроблені витрати.
Нерудна сировина — це вся інша неорганічна сировина, яка не
використовується для видобутку металів.
Паливна сировина (вугілля, нафта, газ, торф, сланець) становить окрему
групу і використовується в паливно-енергетичній та хімічній
промисловості.
Що слід розуміти під техніко-економічними характеристиками сировини?
По-перше, хімічний склад сировини і наявність її в земній корі;
по-друге, доступність її видобутку і технологічної переробки;
по-третє, значення для економіки.
Розглянемо ці характеристики.
У природі стабільно існує 92 хімічні елементи (від водню до урану), які
в різноманітних поєднаннях створюють мільйони хімічних сполук
навколишнього середовища. Кладова хімічних елементів — це земна кора
разом зі Світовим океаном та атмосферою. Земна кора (літосфера) — це
тверда оболонка Землі глибиною від кількох десятків кілометрів під
гірськими масивами до кількох кілометрів під океаном. Основу земної кори
становлять осадкові породи, граніти й базальти із середньою густиною
2800 kg ( m–3. Нижня її межа — мантія (ультраосновний субстрат більшої
густини — 5300 kg ( m–3).
Схему профілю земної кори було наведено на рис. 13. Маса земної кори
оцінюється в 2,2 ( 1019 (22 трильйони) t.*
Про масштаби видобутку корисних копалин свідчать такі дані: у ХХ ст. із
надр Землі вилучено близько 300 млрд т. рудної сировини, що дорівнює
масі цілих гірських масивів. Звичайно, для промислової розробки
надаються тільки верхні шари земної кори з відносно високою
концентрацією корисного елемента. Кількість тих чи інших хімічних
елементів у земній корі є різною. Вміст елементів уперше підрахував
американський геохімік Ф. Кларк іще наприкінці минулого сторіччя.
Відтоді середній вміст елемента в земній корі, виражений у процентах,
називають кларком елемента. Тільки три елементи — кисень, кремній і
алюміній становлять 82,5 % маси земної кори, а разом із залізом,
кальцієм, натрієм, калієм, магнієм і титаном — понад 98 %. Отже, на
інших 83 елементи припадає всього 2 % маси кори.
Розподіл хімічних елементів у земній корі за декадами, запропонований
В. І. Вернадським, наведено в табл. 21.
Таблиця 21
Вміст елементів у земній корі та масштаби їх використання в економіці
Декада Маса в земній корі, % Елементи (видобуток, t/рік)
«Мільйонери» — 1 Мt «Стотисячники» — 100 kt «Тисячники» — 1 kt
Маловикористовувані та рідкісні Таблиця 22
Фізико-механічні характеристики
конструкційних матеріалів
Матеріал Густина, kg/m3 Модуль пружності Е, ГРа Межа міцності, МРа
Коефіцієнт лінійного розширення,
( ( 106 1/(С
Сталь 20 7800 200…210 400…600 12…15
Чавун С4 21 6800…7400 80…160 210 10…12
Латунь ЛКС 80 3 3 8600 90…140 350…400 20
Алюмінієвий сплав 2700 72 130…255 24
Полімер-органічне скло (поліметилакрилат) 1200 3,0 17,5…71,0 71
Полімер-фторопласт 4 2150…2350 0,47…0,85 21…25 —
Ситал магнезіальний 2700 — 140…180
(за згинання) 3…5
Вуглецеве волокно («Вуса») 950 350 2300 0,1
Звичайно, у довідниках завжди можна знайти детальні їхні характеристики,
але для розуміння загальних зв’язків між ними корисно хоч побіжно
розглянути залежність між властивостями елементів та їхніми
фундаментальними характеристиками.
Фундаментальною і точною характеристикою будь-якого матеріалу є його
атомний склад і будова міжатомного зв’язку, що зумовлюються місцем
елемента в Періодичній системі. На рис. 44 наведено фрагмент таблиці
Періодичної системи хімічних елементів у її так званому «довгому»
варіанті (періоди розміщені в одну лінію від елементів першої групи до
інертних газів) з елементами, які є компонентами сплавів конструкційних
металів. Неважко помітити, що метали з лівої частини таблиці є переважно
представниками s-елементів
(Li—2s1, Be—2s2, Mg3—s2), і лише алюміній має триелектронну конфігурацію
(3s2p1) зовнішнього (валентного) електронного шару.
Уся ця група металів — це легкі, низькоплавкі (виняток — Ве), корозійно
нестійкі метали. Температура їх плавлення, стійкість проти корозії і
щільність збільшуються зліва направо, що зумовлено збільшенням кількості
валентних електронів від одного s1 (Li) до трьох s2p1 (Al), отже
міцністю міжатомного зв’язку. У центрі таблиці — дев’ять металів IV, V і
VI груп 4, 5, 6 періодів, які є представниками так званих перехідних
d-елементів (d-металів).
Зовнішня (валентна) електронна конфігурація в металах представлена d і
s-електронами. Як і в групі s-металів (ліворуч), так і в дев’ятці
d-металів можна легко виявити закономірність підвищення температури
плавлення і густини зі збільшенням кількості електронів у зовнішній
(валентній) конфігурації від Ті (3d 24s2) до Cr (3d 54s1), від
Zr (4d 25s2) до Мо (4d 55s1) і від Нf (5d 26s2) до W (5d 46s2). Така
сама закономірність спостерігається в групах згори донизу від елементів
4-го до 6-го періодів.
Отже, знаючи цю закономірність, достатньо запам’ятати, в якого металу
найбільші числові значення характеристик (температура плавлення і
щільність) і в якого — найменші, щоб орієнтовно оцінити ці
характеристики в інших металів дев’ятки. Такими металами відповідно
будуть титан і вольфрам. Наприклад, температура плавлення титану
tпл = 1670(С, а вольфраму tпл = 3380(С. Для ніобію, який розміщено між
ними в V групі 5-го періоду, температуру визначимо (приблизно) як
середню арифметичну
Насправді температура плавлення ніобію 2400(С (розбіжність лише 5 %).
Хоча не в кожному випадку числові значення, отримані в такий спосіб,
матимуть достатню точність, але послідовність у ряду збільшення (чи
зменшення) таких характеристик є цілком вірогідною.
Вода й повітря у промисловості
,
.
v
6
j8
$вання. Так, нагадаємо (табл. 16), що для підігрівання 1 kg води на один
градус потрібно витратити 4,2 kJ (1 kkal), а для її випаровування —
2,26 MJ (539 kkal). За зворотних процесів — конденсації пари й
охолодження води — буде виділятися така сама кількість теплоти. Під час
випаровування кожна тонна води поглинає 2,26 GJ, що еквівалентно
енергії, яка виділяється під час згоряння понад 100 kg вугілля.
У сучасних теплових і атомних електростанціях теплоносієм від джерела
виділення теплоти (парового котла чи ядерного реактора) до
турбоелектрогенератора є вода. Вода й водяна пара за допомогою
теплообмінників нагрівають чи охолоджують технологічні середовища в
багатьох промислових процесах. Близько 25 % води в промисловості
застосовується для очищення технологічних газів, гідротранспортування
подрібненої сировини, вугілля, а також як розчинник і мийний засіб. У
низці хімічних, електрохімічних, біохімічних процесів вода
застосовується як основний реагент чи сировина.
Важливе значення для ефективного використання води у промисловості має
її якість. Оскільки вода — добрий розчинник, вона рідко трапляється в
природі в чистому (як речовина) стані. Для промисловості важливою
характеристикою якості води є кількість і хімічний склад розчинених у
ній солей. Природна вода, що містить солі кальцію і магнію (карбонати,
сульфати, хлориди), називається твердою водою (табл. 23), а вода, де
таких солей немає або їх дуже мало — м’якою.
Таблиця 23
Хімічний склад природних вод
Cl–
Океан 418 1329 11428 146 2768 19833
Ріки
Амур (м. Хабаровськ) 9,4 2,1 2,4 17,3 3,6 3,2
Дніпро (м. Київ) 36,4 5,8 5,0 75,2 8,6 3,1
Кура (м. Сарирабад) 45,9 14,7 37,9 93,9 61,4 23,8
Нева (колгосп Ново-Саратовський) 7,8 2,5 2,8 13,9 5,0 4,6
Об (м. Новосибірськ) 24,7 7,8 8,1 69,4 9,5 5,3
Колорадо (м. Остин) 105,8 9,5 102,7 108,4 199,0 159,5
Рейн (м. Кельн) 50,3 11,7 5,2 181,4 24,6 8,0
Ніл (м. Каїр) 15,8 8,8 11,8 84,6 46,7 3,4
Озера
Байкал 15,2 4,2 61 59,2 4,9 1,8
Женевське 42,3 3,39 4,22 51,4 40,5 0,79
Мічіган 26,2 8,26 4,74 58,3 7,1 2,72
Моря
Каспійське 360 730 3270 200 3010 5710
Чорне 250 650 5510 80 1310 9630
Найбільш небажаними солями у воді, яка застосовується в енергетиці та
різних мийних системах, є карбонатні солі кальцію і магнію. Нормальні
карбонатні солі CaCO3, MgCO3, які досить поширені в земній корі, у воді
майже нерозчинні, але якщо вода містить діоксид вуглецю (СО2), то
карбонати кальцію і магнію можуть переходити в розчин у вигляді кислих
солей — гідрокарбонатів Сa(HCO3)2 і Mg(HCO3)2. Природна вода завжди
розчиняє з повітря певну кількість діоксиду вуглецю, невелику, але
достатню, щоб утворилися гідрокарбонатні розчинні солі кальцію і магнію.
Відомо, що за нагрівання води, а тим більше за її кип’ятіння, розчинені
в ній гази випаровуються, а солі випадають в осад, утворюючи «накип», що
знижує ефективність роботи технологічного устаткування. Тверда вода
потребує обов’язкової спеціальної обробки, щоб звільнити її від
карбонатів кальцію і магнію. Характеристику питної води подано в
табл. 24.
Таблиця 24
Граничний можливий вміст хімічних
елементів у питній воді
500,0
Селен (Se6+) 0,001 Хлориди (Cl–) 350,0
Стронцій (Sr2+) 7,0 Цинк (Zn2+) 5,0
Основні параметри артезіанських свердловин,
що використовуються для живлення павільйонів
бюветного водозабезпечення м. Києва
Горизонт Глибина свердловини, метрів Дебіт, м3 за годину
Юрський від 256 до 337 25–75
Сеноманський від 90 до 193 2–147
Основні якісні показники води з артезіанських свердловин
Горизонт Жорсткість, мг. екв./л Лужність, мг/л Хлориди, мг/л Сульфати,
мг/л Залізо, мг/л Фтор, мг/л Нітрати, мг/л Нітрити, мг/л
Юрський 3,9–5,3 4–5,8 21–250 12,4–45 0,03–0,3 0,21–0,54 0 0
Сеноманський 4,2–6,6 5,2–7,6 5–50 2,6–35 0,1–0,29 0,14–0,47 0 0
В Україні, як і в інших країнах Європи, найбільшими споживачами води є
хімічна (35—40 %) і металургійна (30—35 %) промисловості.
Слід зазначити, що нині витрати води у промисловості значно менші, ніж у
сільському господарстві (майже вдвічі). Але найнебезпечніше забруднення
токсичними відходами річок триває всупереч впровадженню у виробництво
так званих «безвідходних технологій замкнутого циклу». Накопичені у
відстійниках і «нейтралізаторах» токсичні відходи з часом у
висококонцентрованих стоках однаково виходять у навколишнє середовище,
завдаючи ще більшої шкоди.
Так, промислові регіони Німеччини в кінці 80-х рр. щорічно скидали в
Рейн близько 250 тонн свинцю і 15 тонн кадмію, а в Ельбу — майже 4 тонни
ртуті.
Поряд з природною водою повітря атмосфери широко використовується в
різних технологічних процесах. Передовсім повітря витрачається в
енергетичних агрегатах під час спалювання органічних носіїв (вугілля,
газу, мазуту, бензину) — на теплових електростанціях і двигунах
внутрішнього згоряння. Великі об’єми повітря використовують у
металургії: для виготовлення 1 t сталі його потрібно понад 15 (103 m3,
1 t міді — близько 60 (103 m3. Повітря широко використовується для
транспортування матеріалів (пневмотранспорт), за теплопередачі й
охолодження технологічних об’єктів, як робоче тіло у пневматичних
системах.
Фізичні характеристики атмосферного повітря було наведено в табл. 15.
За температури нижчої від –192(С і тиску 760 mm Hg повітря зріджується в
блакитну легкорухому рідину зі щільністю 960 kg/m3.
Оскільки температура кипіння кисню –183(С вища, ніж температура кипіння
азоту –196(С, то кисень легше перетворюється на рідину, ніж азот,
унаслідок чого рідке повітря збагачується киснем. Рідке повітря можна
досить довго зберігати в спеціальних термосах — посудинах Дьюара. Під
час зберігання рідкого повітря вміст кисню в ньому додатково
підвищується внаслідок випаровування азоту. Рідке повітря використовують
у великих кількостях для добування з нього газів: кисню, азоту, аргону
та ін. методом ректифікації — перегонки. Горіння у чистому кисні
відбувається швидше, ніж у повітрі, і теплота не витрачається на
нагрівання азоту повітря. Цей ефект використовують для одержання високих
температур (до 3200(С) за спалювання ацетилену чи водню у зварювальних
апаратах.
Кисень інтенсифікує хімічні процеси багатьох виробництв. У доменному
процесі з допомогою кисневого дуття збільшують продуктивність плавки. У
виробництві сірчаної і азотної кислот, у процесі полімеризації етилену
кисень застосовують як каталізатор (0,5 % у суміші з етиленом), що
підвищує швидкість процесу і вихід поліетилену. Суміш зрідженого кисню з
органічною речовиною (вугіллям, деревиною) має сильні вибухові
властивості й застосовується в гірничо-добувній технології для підривних
робіт. На протилежність кисню, другий компонент повітря — молекулярний
азот, є хімічно малоактивним газом. Атмосферний азот у великій кількості
застосовують як вихідну речовину для синтезу аміаку і деяких інших
сполук, а також як інертне середовище.
Аргон широко застосовується як інертний газ у спецметалургії,
зварюванні, як робоче тіло у плазмотронах. Важливе значення у процесах
нової технології мають інші інертні гази. Наприклад гелій, вміст якого в
атмосфері Землі становить частки процента і котрий є найбільш стійким з
інертних газів, знов привертає до себе увагу.
Нині відновлюється інтерес до дирижаблебудування. Випробовуються
дирижаблі, які можуть легко транспортувати великогабаритні конструкції
(металеві опори електропередач, труби газонафтопроводів та ін.).
Заповнення дирижаблів сумішшю 85 % гелію і 15 % водню є вогнебезпечним,
а підйомна сила такої суміші менша, ніж у чистого водню лише на 7 %.
Експлуатація дирижаблів буде економічною, водночас, екологічно безпечною
для навколишнього середовища. У контейнерах з гелієм зберігають і
транспортують елементи ядерних реакторів, що виділяють тепло. Це
підвищує екологічну безпеку.
У майбутньому, коли буде реалізовано в енергетиці реакцію ядерного
синтезу гелію (основа енергетики сонця і зірок), гелій як побічний
продукт, буде широко доступний і іншим галузям промисловості. Зрозуміло,
що це водночас вирішить і екологічні проблеми енергогенеруючих
технологій.
Література
Колотило Д. М. К 61 Екологія і економіка: Навч. посібник. — К.: КНЕУ,
1999.
* За правилом «N».
* 1 млн т.
50
30
0
Si
Zn, Sn, Co
0,005
Mo
0,0005
W, U
0,002
0,00005
Fe
4
~700
Вміст у
земній корі, %
Світове виробництво, млн т
Nb
W
50
100
V
Вартість відносно алюмінію
(за масою)
20
Pt, Au
104
Ge
Sm
2,7 · 102
1,2 · 106
Ag, Hg
Al
~102
8
Hf
1,8 · 104
Fe
5
Mg
2
Ti
0
Cu, Ni
Zn, Pb, Sn
0,01
Be
Pb, Nb
0,001
Al, Cu
~15
0,0000005
Pt
0,00000005
0,00001
Ag
Au
Ni, Mg
500
10 ( 50
Ti, Mo, W, Co, V
1 ( 10
Ag, Au, Hg, Be
Al
1
Sn
4,5
Ni, Cr, Co,Ti
~5
Li
10
Mg, Cu
2
Zn, Pb
0,8
Fe
0,2
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
