Міністерствоосвіти і науки України
НТУ „ХПІ”
Факультет Кафедра
Спеціальність _
(код, найменування)
ДИПЛОМНИЙПРОЕКТ
освітньо-кваліфікаційногорівня бакалавра
Темапроекту:
Технологіяутилізації нікелю та марганцю у виробництвісинтетичних алмазів
Керівник ДП ________________________________________
(посада, прізвище, ім’я, по батькові)
Виконавець ____________________________________________
(прізвище, ім’я, по батькові)2010
РЕФЕРАТ
Звіт про ДП: 71 стор., 25 табл., 34джерел, 1 рисун.
Ключові слова:СИНТЕТИЧНИЙ АЛМАЗ, ВИЛУГОВУВАННЯ, КИСЛОТА, З’ЄДНАННЯ, НІКЕЛЬ, МАРГАНЕЦЬ.
У бакалаврськійроботі розглянута технологія очищення синтетичних алмазів.
Розглядаласятехнологія утилізації нікелю та марганцю у виробництві синтетичних алмазів,розрахований матеріальний і тепловий баланс, розрахунок основного апарату,розрахована собівартість продукції. Розглянуті питання з охорони праці.
РЕФЕРАТ
Отчет о ДП: 71стр., 25 табл., 34 источника, 1 рисун.
Ключевые слова:ИСКУССТВЕННЫЙ АЛМАЗ, ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ, КИСЛОТА, СОЕДИНЕНИЯ, НИКЕЛЬ, МАРГАНЕЦ.
В бакалаврскойработе рассмотрена технология очистки синтетических алмазов.
Рассмотреннаятехнология выделения никеля и марганца в производстве искусственных алмазов. Вработе описана технологическая схема утилизации соединений никеля и марганца,рассчитан материальный и тепловой баланс, расчет основного аппарата, рассчитанасебестоимость продукции. Рассмотрены вопросы по охране труда.
ЗМІСТ
Вступ
1. Літературний огляд
1.1 Загальні відомості про синтез алмазів
1.2 Фізико-хімічні основи процесусинтезу алмазів
1.3 Основні методи утилізації відходів
2. Загальна характеристика сировини іготової продукції
3. Опис технологічної схеми
4. Енергозбереження та екологія
5. Розрахунок матеріального балансу
6. Розрахунок теплового балансу
6.1 Розрахунок приходу тепла
6.2 Витрати тепла
7. Розрахунок основного апарату/>
8. Охорона праці
8.1 Загальнахарактеристика умов здійснення технологічного процессу
8.2 Промислова санітарія
8.3 Пожежна безпека
9. Техніко-економічне обгрунтування
9.1. Розрахунок виробничої потужностіпроектованого цеху
9.2. Розрахунок вартості і потреби сировини іматеріалів
9.3 Визначення витрат по вартостіенергоресурсів
9.4 Розрахунок амортизаційнихвідрахувань
9.5 Розрахунок затрат на оплату праці
9.6Розрахунок річного фонду оплати праці керівників та спеціалістів
9.7 Розрахунок витрат по утриманню йексплуатації обладнання
9.8 Розрахунок загальновиробничихвитрат
9.9 Калькуляція собівартості продукту
Висновки
Список джерел інформації
ВСТУП
Виробництво надтвердих матеріалів є однією з важливихгалузей хімічної промисловості, основна частка якої на сьогоднішній деньналежить синтезу синтетичних алмазів. Завдяки їх особливим властивостям,останнім часом спостерігається деяка тенденція підвищення попиту на синтетичніалмази і алмазний інструмент, тоді як в промисловому виробництві України,загалом, відбувається спад. Розвиток виробництва синтетичних алмазів привело до того, щовони зайняли домінуюче місце у виготовленні алмаз – абразивного інструмента.
В даний чассинтетичні алмази зайняли міцне місце в промисловості усього світу, і їхня рольтут безупинно зростає. На жаль, синтезувати великі монокристали алмазів –задача дуже складна. Найбільший розмір випуску серійно технічних монокристалівалмаза складає 1,2 мм, а для багатьох промислових процесів вимагаються більшвеликі алмази.
В той же час екологічна обстановка як і ранішезалишається дуже складною на підприємствах алмазного виробництва.
В даній науковій роботі велика увага була приділена нетільки утилізації шкідливих з’єднань металів–каталізаторів, але й також рухроботи був спрямований на визначання основних оптимальних параметрів очищеннясинтетичних алмазів, таких як, розмір гранул, тип кислоти та концентрація, часвилуговування.
Тому метою даної дипломної роботи є розробкатехнологій, яка зменшила б екологічне навантаження на навколишнє середовище, асаме створення технологічної схеми, яка б дозволяла ефективно утилізувати з’єднаннянікелю та марганцю. Для цього необхідно вивчити особливості вилуговування цихметалів із продукту синтезу різними кислотами та визначити оптимальні умови длятієї кислоти, яка буде найбільш екологічно безпечною.
1. ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД1.1 Загальні відомості про синтез алмазів
Синтезсинтетичних алмазів був вперше здійснений у 1953 р. у Швеції та Америці, та у1959 р. в СССР. Однак, отримані на той час кристали алмазу могли бутивикористані лише у якості абразивного матеріалу, тому як розміри окремихкристалів не перевищували 0,8 мм та мали низьку механічну стійкість. Синтезвеликих монокристалів, який був реалізований набагато пізніше, був пов’язанийзі складностями технічного та економічного характеру. В цьому відношеннінайбільш перспективною для технічного застосування була шаровидна (діаметром6–7 мм) променево-радіальна форма алмаза або балас, яка володіла стійкістюнавіть більш вищою, ніж монокристали алмазу та більш проста у виготовленні.
Одразу ж післяуспішного синтезу алмазів типа балас почалось їх застосування у промисловістьна Московському комбінаті твердих сплавів, Українському інституті надтвердихматеріалів та Полтавському заводі синтетичних алмазів. Дослідження синтетичнихбаласів у бурильній техніці показало їх високу ефективність при проходженніскважин в різних по характеру ґрунтах, та особливо широко синтетичний баласзастосовується зараз при виготовленні волок при виробництві проволоки.
Поряд з роботою над методами синтезу алмазів проводилися дослідженняфізико-хімічних властивостей отриманих речовин та вивчення механізму їхсинтезу. Останнє питання являє собою науковий інтерес та в повному об’ємі залишаєтьсяне розібраним і по сьогоднішній день.
Усівідомі способи виготовлення алмазів можна віднести до трьох великих груп.
Першагрупа об’єднує різні варіанти, які є найбільш розповсюдженими у технологіїсинтезу алмазів при високих статичних тисках. Він утворюється стисненням нанагріванням механічної суміші порошку вуглеграфітового матеріалу у присутностічастинок метала-каталізатора в області термодинамічної стійкості алмаза вкамері високого тиску. Зазвичай при синтезі алмазів в якості каталізаторазастосовують декілька металів або їх сплави [1].
До другоїгрупи відносяться синтез алмазу при високих динамічних тисках, в детонаційнихта ударних хвилях із різноманітних вуглецьвмістних матеріалів. Цей методсинтезу у зрівнянні зі статичним дає можливість на декілька порядків скоротититривалість циклу та застосувати тиски до 104 МПа, у діапазонітемператур 2000–4000 К. При цьому на відміну від синтезу при високих статичнихтисках, елементи контейнерів із реакційними матеріалами виготовляють зі сталіабо інших матеріалів, до яких не входить вольфрам. Вибуховий методхарактеризується виготовленням мікрочастинок алмазу у вигляді кристалів ізневеликою кількістю дефектів поверхні. Алмази отримують з відносно невеликимвиходом по відношенню до всієї маси початкового продукту [2].
Прямийперехід графіту до алмазу при ударному нагруженні Алдером та Християном у 1961р. У 1975 році був розроблений метод отримання вибухових алмазів у системіметал–вуглець методом ударно–хвильового нагруження. Такі алмази виготовляють увигляді мікропорошків підвищеної абразивної здатності з розміром 1-80, а інодій до 200 мкм. Детонаційні алмази отримані шляхом осадження із газової фази, щомістить вуглець та плазми при їх високотемпературному детонаційному сжиманні[3]. Такі алмази представляють собою ультра дисперсний порошок із розміромзерен до 20 нм.
Третягрупа включає до себе засоби синтезу алмазів при низьких тисках із газовоїсереди, що включає в себе вуглець, з плазми та потоків атомів та іонів вуглецю(в області термічної мета стійкості алмазу).
Відомізасоби осадження алмазних плівок із застосуванням високо енергетичних атомнихта іонних пучків шляхом лазерного та плазмохімічного осадження. В багатьохвипадках отримують не алмазні, а алмазоподібні плівки, тобто такі, в яких атомивуглецю пов’язані між собою хімічним зв’язком, яка характерна для алмаза, алене утворює достатньо великих областей когерентного розсіювання, як у алмаза[2].
Нарощуваннязатравочних частинок алмазу відбувається у газовій середі, що містить вуглець,та при тисках нижчих за атмосферний та температурах близько 1273 К. Тому якбільш стійка в цих умовах фаза вуглецю – графіт блокує поверхню затравочнихкристалів, тому й товщина наростаючого слою рідко коли перевищує 1–3 мкм. Томучастіш за все утворюються алмазографітові зони, що по черзі змінюються [2].
Алмазнікристали можуть утворюватися у графітових блоках при дії на них лазернимпроменем. У цьому випадку атоми вуглецю переходять у збуджений стан до енергіїв 1 еВ, а їх конденсат представляє собою вміст вуглецевих фаз із густиноюблизько 2,48 г/см3. Міцність імпульсу при випромінюванні досягає 109Вт. Посилаючи такий промінь на графітовий блок, можна досягнути утворення вньому алмазних мікрочастинок [1].
Такимчином, синтез алмазів із матеріалів, що містять вуглець у присутностіметалів–каталізаторів при статичному тиску є найбільш ефективним та найбільшрозповсюдженим.1.2 Фізико-хімічні основи процесу синтезу алмазів
Існуючутехнологію синтезу алмазів умовно можна розділити на дві стадії: синтез вапарат високого тиску і збагачення одержаного продукту синтезу з виділеннямочищеного товарного алмазного продукту. Розглянемо окремо кожну з цих стадій.
1.2.1 Синтез вапаратах високого тиску
В данийчас відомо два методи синтезу алмазу в області його термодинамічноїстабільності: дія на матеріал, що містить вуглець, високим статичним тиском ітемпературою у присутності розчинника вуглецю; дія високим статичним тиском ітемпературою без застосування розчинників (прямий перехід графіту в алмаз).Теорія синтезу алмазу по першому методу вперше була розроблена О.И. Лейпунськім[4].
Алмаз в системах метал–вуглецьодержують в апаратах при тиску близько 4000 МПа і температурах понад 1400 К,використовуючи як джерело вуглецю графіт. Розчинники обираються з рядуперехідних металів, в який входять: Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Cr, Ta,Mn і ін. [1, 4]. Експериментально встановлено, що для кожного розчинника є свояобласть утворення алмазу, якою відповідають мінімальна температура та тиск.Якщо розташувати метали-розчинники вуглецю в ряд по зростанню температуриплавлення, а саме: Mn, Ni, Co, Fe, Pt, Cr, Nb, Ta, то кореляція міжмінімальними параметрами процесу синтезу не спостерігається [4]. Якщорозглянути ці метали залежно від температури плавлення їх евтектичних розчинів,включаючи і карбідні евтектики від величини розчинності вуглецю в них, томінімальні значення температури плавлення мають в першу чергу такі метали: Fe,Co, Ni, Mn. Мінімальна температура синтезу алмазів декілька відрізняється відмінімальних температур плавлення метал-вуглець, оскільки при високому тискутемпература плавлення системи метал-вуглець декілька підвищується. Проте прямазалежність параметрів процесу синтезу від температури плавлення розчиніввуглецю в металах очевидна.
Застосування при синтезівисококапілярноактивних (по відношенню до графіту) металевих розплавівперехідних металів, здатних добре змочувати графіт, позитивно впливає наступінь перетворення графіту в алмаз. Такі розплави добре обволікають графіт, врезультаті збільшується швидкість його розчинення.
Відомі рекомендації по збільшеннюступеня перетворення графіту в алмаз за рахунок заміни чистого нікелю йогосплавом з марганцем.
Досягнутий ефект пояснюєтьсязниженням температури плавлення сплавів, крім того слід враховувати змінукапілярних і адгезійних властивостей металевих розплавів по відношенню дографіту і алмазу [1, 2].
Одним з параметрів, що впливають на синтез алмазів євластивості початкового вуглеграфітового матеріалу. В даний час тільки графіт єєдиною сировиною для отримання штучних алмазів в промислових умовах і саместруктуру графіту визначає не тільки початковий вуглецевий матеріал, але в значніймірі вид його переробки.
1.2.2 Збагаченняпродукту синтезу алмазів
Розвиток процесів синтезу алмазів звикористанням різних металів-розчинників, таких як: Ni, Mn, Fe, Co і графітурізних родовищ привело до появи продуктів синтезу різних по складу ідисперсності [5]. Відомо, що синтетичні алмази, що виготовляються різнимиспособами витягують з реакційних сумішей, що є агломератами, що містять міцнозчеплені один з одним графіт, алмаз, каталізатор, продукти взаємодії графіту зкаталізатором (карбіди).
Різноманітність методів синтезувимагає застосування різних методів для витягання алмазів. Процес витяганняалмазів умовно можна розділити на три основні етапи: розчинення металевоїскладової з отриманням алмазо-графітової суміші, утилізаціянеперекристалізованого графіту, контрольне очищення алмазної сировини [2].
Для підвищення ефективності розкриттяпродукту синтезу на вільні складові перед стадією видаленняметалів-каталізаторів одержану тверду масу піддають дробленню. Існуюча практиказбагачення показала, що оптимальним великим дроблення, що забезпечує збереженнявеликих кристалів алмазів, є дроблення до 2–4 мм.
Результати досліджень і практиказбагачення продукту синтезу показали, що тільки механічні або тільки фізичні методине володіють достатньою селективністю при руйнуванні зростків графіт–алмаз,графіт–метал [2]. Для руйнування зростків застосовується так само короткочаснаобробка кислотами. При такій обробці відбувається набухання і відшаруванняграфіту від алмазу і металу.
Перший етап витягання алмазів полягаєв розчиненні каталізатора кислотами або їх сумішами. Розплави лугів, якправило, руйнують кристали алмазів, тому на Україні і в зарубіжній практиці длярозчинення металів при витяганні алмазів використовують частіше різнімінеральні кислоти або їх суміші. Найчастіше для видалення металів, спечипіддають обробці при невеликому нагріванні.
Використання методів флотацій взбагаченні алмазів найефективніше при витяганні дрібних алмазів з проміжнихалмазографітових сумішей розміром менше 0,5 мм, а так само при остаточному витяганні алмазів з шламів. Тому цей метод зазвичай використовують у поєднанні зіншими методами, що дозволяє витягувати алмази з алмазографітової суміші зрозміром алмазу більше 0,5 мм.
Слід зазначити, що вибір того абоіншого методу збагачення алмазів на практиці диктується в основномуструктурними особливостями, якісним і гранулометричним складом продукту,зернистістю збагачення. Найбільший ефект дають комбіновані схеми збагачення.
Подальше збагачення алмазногоконцентрату полягає у виборчому доокисленні графіту різними окислювачами. Середспособів окислення графіту слід виділити такі групи: окислення різнимигазофазними окислювачами, окислення в рідині, окислення з використаннямсуспензій, окислення розплавами, окислення твердими матеріалами.
На третьому етапі обробки продуктусинтезу алмазів віддаляються нерозчинні у воді, кислотах (за винятком HF) іводних розчинах лугів з'єднання, якщо останні присутні у великій кількості(більше 1 %). Зазвичай після видалення графіту в алмазах містяться компонентилітографського каменя. Як правило, для їх видалення використовують сплавалмазів з лугом. Звільнені від домішок кристали алмазів промивають водою івисушують, а рідку фазу, змішують з кислотним потоком і направляють на подальшунейтралізацію [6].
Таким чином, не дивлячись навикористання різних методів збагачення продуктів синтезу алмазів одержаних всистемі Mn–Ni–С одним з основних видів відходів є кислі стоки, що містять всвоєму складі з'єднання марганцю і нікелю.
1.2.3 Фізико-хімічніхарактеристики відходів
До складу стічних вод, що утворюються в технологічномуциклі синтезу алмазів, входять: з'єднання марганцю, нікелю, шести– і тривалентногохрому, HCl, H2SO4 і силікати. Розділення цієї сумішіпредставляє дуже складне технологічне завдання, при цьому одержані шлами увигляді складних з'єднань в які входять MnO2, NiO, Cr2O3не є ліквідними на хімічному ринку і достатньо складні в переробці.
Одним з ефективнихметодів зниження утворення токсичних відходів може бути розділення потокуз'єднання нікелю і марганцю і потоку з'єднання хрому, що містить, що містить, зподальшою утилізацією цих металів. Їх роздільна утилізація дозволяєорганізувати замкнутий цикл з практично повною відсутністю токсичних відходів.На практиці це можливо при відділенні двох рідких потоків один від одного:потоку що утворюється на стадії витягання металів-каталізаторів і потокуграфіту, що утворюється на стадії окислення. Розчини, що одержуються післявитягання металів-каталізаторів, містять велику кількість іонів цих металів. Восновному це розчини HCl різної концентрації з підвищеним вмістом з'єднаньмарганцю і нікелю [7].
Слід зазначити, що в розчинах одержуваних в результатіобробки продуктів синтезу алмазів HCl можливі значні коливання концентраційрозчинених компонентів. Причиною цих коливань є з одного боку екзотермічністьпроцесу розчинення металів, а звідси як наслідок неконтрольованість температурипроведення процесу, а з іншого боку той факт, що процес витягання металів проводятькілька разів з кінцевою промивкою твердої фази водою. Цей факт слід врахуватипри подальшому виборі методу утилізації відходів.
1.3 Основні методи утилізації відходів
Існують багато засобівутилізації нікелю, марганцю та їх суміші, коли неможливо утилізувати окремо.
Серед основнихметодів утилізації з’єднань нікелю можна виділити наступні: фізичні методи;сорбційні методи; електро-хімічні методи; з використанням цементації; осадженняфосфатами; осадження реагентами, що містять сірку; осадження карбонатами;осадження гідроксидами.
Серед методів поутилізації з’єднань марганцю слід зазначити такі: фізичні методи; сорбційніметоди; осадження сульфідами; осадження гідроксидами, осадження фосфатами тавикористання окисників.
Про методиутилізації нікелю та марганцю при їх одночасній присутності описано детальніше.
1.3.1 Фізичні методи
Відомий спосіб виділення хлоридів марганцю і нікелю зрозчинів насиченням їх газоподібним хлороводнем. Для цього використовують газ,одержаний при відновленні хлоридів цих металів до металу за допомогою водню.Однак фізичні методи володіють рядом недоліків: використання токсичних івибухонебезпечних реагентів, високі енергетичні витрати на проведення методу,висока тривалість процесу.
1.3.2 Електрохімічні методи
Застосування гальванокоагуляції для очищення стічнихвод від з'єднань нікелю і марганцю. Пропонований метод заснований навикористанні ефекту короткозамкнутого гальванічного елементу, поміщеного воброблюваний розчин. Іде витягання металів як гальванічних пар: Fe–Cu, Fе–C,Mg–C і т.д. При очищенні стічних вод із здійсненням інтенсивної аераціїповітрям, концентрація цих металів в очищеній воді досягає по 0,1 мг/л.
З розчинів після стадії витягання металів HCl призбагаченні надтвердих матеріалів запропоновано витягувати нікель, шляхомелектрохімічної екстракції на нерозчинних анодах. Оптимальною концентрацієювиділення нікелю з розчинів є 10–40 г/л.
Хоча, вживані електрохімічні методи володіють поряднедоліків: проведення процесу при температурі 340–345 К, висока чутливість доконцентрацій компонентів розчину, велика тривалість процесу, неможливість досягненнянорм гранично допустимі викиди по забруднюваних компонентах за одну стадію івисокі енергетичні витрати.
1.3.3 Сорбційні методи
Відомий спосіб очищення стоків металургійнихпідприємств від марганцю, нікелю і заліза. Спосіб полягає у фільтруванні стічнихвод через шар адсорбенту фракцією 0,6–1,25 мм із швидкістю фільтрування 0,6–8м/ч. Як адсорбенти використовують мінерали кальцію силікатів складу 2CaO·SiO2і 3CaO·SiO2. При початковій концентрації марганцю, заліза і нікелю встоках 1,3 і 1 мг/л відповідно спосіб дозволяє одержувати в результаті очищеннястічні води з концентрацією цих металів 0,045; 0,04; 0,03 мг/л. У разіприсутності в стоках тільки одного з трьох металів, кінцева концентрація йогознаходиться на тому ж рівні.
Таким чином, використовуваний метод має недоліки:застосування тільки для очищення розбавлених розчинів, велика тривалістьпроцесу.
1.3.4 Використання цементації
Розглядається можливість очищення розчину, що містить25 г/л марганцю, 0,2 г/л нікелю і 0,02 г/л кобальту з використанням цементації.Очищення від домішок нікелю і кобальту здійснювалося введенням марганцевого пилуабо невеликих шматочків. Вивчення проводили для розчинів MnSO4, щомістили, при рН=5–7. В результаті проведених досліджень було одержано, щотільки при тридцятикратному надлишку марганцю, що вводиться, при температурі298 K концентрація нікелю знизилася до 40 мг/л. При використанні підвищеноїтемператури і як відновник SO2, зниження концентрації нікелю врозчині не спостерігалося.
Одним з недоліків використання цементації є великавитрата металевого марганцю. Крім того, даний метод не дозволяє досягатигранично допустимих викидів по нікелю.
1.3.5 Осадження сірковміснимиреагентами
Існує процес очищення розчинів, що містять 25 г/лмарганцю, 150 г/л (NH4)2SO4, 0,25 г/л нікелю.Як сульфіди використовували сульфіди марганцю, амонію і натрію. При очищенні звикористанням MnS були отримані результати, згідно яким, для повного очищення(відсутність) оптимальними умовами проведення процесу є рН=5–7, температура 293К і перемішування протягом 1 ч, відстоювання до 18 ч. Підвищення температури до365–375 К значно прискорює очищення і зменшує кількість MnS, що вводиться.Вміст сульфідної сірки в розчині після очищення – близько 0,015–0,017 г/л.Одержуваний осад NіS практично не містить в своєму складі з'єднань марганцю.
Існує спосіб очищення хромвмісних розчинів від важкихметалів, зокрема від марганцю і нікелю з використанням Na2S. Вінполягає в обробці розчинів, що містять важкі метали натрію сульфідом в декількастадій при рН=6,5–9,0 і пониженні до рН=2–4 після кожної стадії. При вмістімарганцю і нікелю в початковому розчині 1,2 і 1,65 г/л спосіб забезпечує очищеннядо 0,06 і 0,05 мг/л відповідно.
Таким чином, використання сульфідів для осадження недозволяє розділяти марганець і нікель, при цьому воно приводить до утворенняопадів, що містять сульфіди нікелю і марганцю, які складні в подальшому розділенні.Крім того, використання цього методу обмежене із-за здатності сульфідівпіддаватися гідролізу і виділяти токсичний сірководень.
1.3.6 Осадження гідроксидами
Був досліджений процес очищення марганцевого електроліту,що містить 24–26,5 г/л MnSO4, CoSO4 0,02 і 0,2 г/л NiSO4,і електроліту, до складу якого окрім перерахованих з'єднань входив 150–180 г/л(NH4)2SO4 від нікелю і кобальту звикористанням NаOH. Було одержано, що при рН=8,7 кінцевий розчин містить 2–2,5 мг/лнікелю і спостерігається повна відсутність кобальту.
Відмітною особливістю процесу осадження марганцю увигляді Mn(OH)2 від осадження гідроксидів деяких інших металів єсхильність його до співосадженню з цими гідроксидами. Наприклад, при осадженніз розчинів, що містять іони марганцю і цинку, причиною співосадження єутворення малорозчинного ZnMnO3.
Були вивчені термічні перетворення системи гідроксидівпри співвідношенні Ni(OH)2:Mn(OH)2=2:1. При нагріваннісуміші цих гідроксидів до 473–525 Кспостерігається утворення суміші переважно шаруватих аморфних оксидів. Далі принагріванні до 673 К спостерігається утворення суміші оксидів Mn(III,IV) і NіO.При 573 К спостерігається початок кристалізації з'єднання складу. Далі принагріванні до 773 К спостерігається існування окрім Ni6MnO8,ще і NiMnO3. При подальшому нагріванні до 1073 К Ni6MnO8і NiMnO3 перетворюються на NiMn2O4 іNіO.
Таким чином, найбільш прийнятним методом утилізаціїметалів – каталізаторів синтезу алмазу, який вміщує Ni та Mn є вилуговуванняйого мінеральною кислотою з подальшим осадженням у вигляді гідроксидів. Дотеперішнього часу найбільш не вивченою є стадія вилуговування мінеральнимикислотами та вибір кислоти є одним із важливіших питань, які визначаютьподальші умови отримання товарних продуктів солей нікелю та марганцю.
2. ХАРАКТЕРИСТИКА СИРОВИНИ І ГОТОВОЇ ПРОДУКЦІЇ
Сірчана кислота –H2SO4 – сильна двоосновна кислота. Її маса складає 98. Прозора,масляниста рідина, що немає запаху. Змішується з Н2О та SO3у будь-яких відносинах.
Температуракипіння водних розчинів H2SO4 збільшується зі збільшеннямконцентрації. Вона досягає максимуму при вмісті кислоти 98,3%.
H2SO4– сильний окислювач, особливо при нагріванні, при цьому вона відновлюється доSO2 [8].
Окислювальнівластивості для розбавленої кислоти не характерні. Розбавлена кислота взаємодієз усіма металами, що знаходиться у ряду електричної напруги металів до водню зйого виділенням.
На технічнусірчану кислоту існує стандарт по ГОСТ 2184–77*. За фізико-хімічним показникамсірчана кислота повинна відповідати нормам, які вказані у таблиці 2.1 [8].
Таблиця 2.1 – Фізико-хімічніхарактеристики сірчаної кислотиНайменування показника Контактна Олеум Покращена Технічна покращений технічний 1-й сорт 2-й сорт 1 2 3 4 5 6
Масова частка моно–гідрата (H2SO4), % 92,5–94,0 Не менш 92,5 Не нормується
Масова частка віль–ного ангідрида (SO3), % – – – Масова частка заліза (Fe), % 0,006 0,02 0,1 0,006 Не нор–мується Масова частка залиш–ку після прокалки, % 0,02 0,05 Не нор–мується 0,02 0,02 Масова частка свинця (Pb), % 0,001 Не нормується 0,0001 Не нор–мується Прозорість Прозора Не нормується
Азотна кислота – HNO3 – негорючапожежонебезпечна рідина, сильний окислювач. Її маса складає 63. При контактіспричиняє самозагорання, сильно димить на повітрі, виділяючи оксиди азоту іпари HNO3, які утворюють з вологоюповітря туман; необмежено розчиняється у воді. Пари кислоти в 2,2 рази важче заповітря згідно з даними.
Випускається марки А і Б. Застосування марки А: у виробництвівиробів електронної та радіоелектронної промисловості, в процесах нітрування органічнихсполук, у виробництві вибухових речовин, при хімічній обробці металів, вмедицині, у виробництві пластмас і інших цілях. Застосування марки Б: використовуєтьсядля гальванічних робіт у виробництві хімічних реактивів, для розчинення домішок виробничихпродуктів, в процесі нітрування органічних сполук, у виробництві вибуховихречовин і ін.
На технічнуазотну кислоту існує стандарт по ГОСТ 701–89 [9]. За фізико-хімічним показникам азотна кислота повиннавідповідати нормам, які вказані у таблиці 2.2 [9].
Таблиця 2.2 – Фізико-хімічніхарактеристики азотної кислоти
Найменування
показника Норма для марки А (ОКП 21 21 31 0200) Б (ОКП 21 21 31 0300)
Мас. доля HNO3, %, не меньше 98,6 97,5
Мас. доля H2SO4, % не більше 0,05 0,06
Мас. доля окислів азоту (N2O4), % не більше 0,2 0,3 Мас. доля залишку після прокалювання, % не більше 0,014 0,025
Соляна кислота – HCl – їдка, важка до горіння рідина. Молекулярна маса36. Утворює дим на повітрі. Її пари не утворюють вибухонебезпечної суміші зповітрям. ГДК в робочій зоні 5 мг/м3. Клас небезпеки 2. Випускаєтьсямарки А та Б.
На технічнусоляну кислоту існує стандарт ГОСТ 857–95 [10]. Зафізико-хімічним показникам соляна кислота повинна відповідати нормам, які вказаніу таблиці 2.2.
1. Масову долю Hgнормують в кислоті, яку отримують ртутним електролізом із H2 та Cl2;
2. Допускаєтьсядля харчової промисловості по узгодженню зі споживачем виготовлення кислоти змасовою доле хлористого водню н.б. 26%;
3. В кислоті, щопоставляють для травлення металів, масова доля Fe не нормується.
Таблиця 2.3 – Фізико-хімічніхарактеристики соляної кислотиНайменування показника Норма для марки А (ОКП 21 22 11 0100) Б (ОКП 21 22 11 0200)
Вищий сорт
(ОКП 21 22 11 0220)
Перший сорт
(ОКП 21 22 11 0230) Зовнішній вигляд Прозора безкольорова або жовтувата рідина Прозора жовтувата рідина Мас. доля HCl, % не менше 35 33 31,5 Мас. доля Fe, % не більше 0,001 0,002 0,015 Мас. доля залишку після прокалювання, % не більше 0,01 0,015 0,1 Мас. доля вільного Cl, % не більше 0,002 0,002 0,008 Мас. доля As, % не більше 0,0001 0,0001 0,0002 Мас. доля Hg, % не більше 0,0003 0,0004 0,0005
Неочищенийалмаз
Як сировинавикористовується графіт і каталізатор. Графіт – мінерал темно–сірого або чорногокольору, твердість 1–2, щільність 2,2 г/см3, вогнеупорний,електропровідний, хімічно стійкий, структура шарувата, гексагональна, довжинаміж атомами в базисній площині складає 1,42 А, а між атомами сусідніх базисних3,38 А. (Порівняно великі відстані між базисними площинами, а отже і малаенергія зв'язку, що обумовлюють здатність графіту залишати сліди принатисканні).
Графіт одержують також штучно – нагріванням антрацитубез доступу повітря, утворюючи щільні блоки.
Каталізатор – сплав нікелю (40%) з марганцем (60%),таке співвідношення (евтектичне) відповідає мінімальній температурі плавленняданого сплаву.
Після сплавки паці піддають гострінню на токарськихверстатах, з метою одержання стружки.
Механічна суміш часточок графіту та каталізатора зрозмірами від 1200 до 100 мкм (у залежності від режиму синтезу) застосовуютьсяяк спорядження.
Матеріалами контейнера можуть служити суміш вапняків,окислів алюмінію, магнію.
Порошкоподібна суміш графіту й алмаза, що утворилася впроцесі синтезу має різні фізичні і хімічні властивості. Алмази, що одержуютьсястатичним методом мають більший розмір часток, чим отриманих динамічним методомі являють собою моно кристали. Вибухові алмази – це частки розміром 20–30 мкм,що складаються з полікристалів поверхні та мають складну форму. Алмази,отримані динамічними методами характеризуються більш високою реакційною здатністю.
Алмаз по своємухімічному складу є чистим вуглецем, так само як і графіт, що таким чином, єполіморфними модифікаціями того самого елемента, однак властивості їх різні. Цепояснюється відмінністю в будівлі їхніх кристалічних структур. Алмаз володієкубічними гранецентрованими решітками з відстанями між атомами 0,356 нм. Графітмає шаруваті гексагональні решітки; відстані між атомами в шарі дорівнює 0,142нм, а між шарами 0,339 нм. Такі великі відстані між шарами обумовлюютьслабість хімічного зв'язку по цьому напрямку, завдяки чому графіт є пухкою,м'якою речовиною, шари легко сковзають і відокремлюються друг від друга. Алмазже, як відомо, є самим твердим з усіх відомих нам речовин. Ця властивість восновному визначає цінність алмаза, як матеріалу в найрізноманітніших галузяхпромисловості (різці, фрези, абразивні кола, шліфувальні порошки і пасти,бурові долота і коронки, волоки протягання дроту, пилки для розрізуваннякаменів).
Щільність алмазадорівнює 3,5 г/см3, щільність графіту 2,26 г/см3. Порівнянняцих чисел показує, що одержанню алмаза буде сприяти високий тиск (збільшеннящільності, відповідно до принципу Ле Шател’є).
При низькихтемпературах теплоємності графіту та алмазу сильно відрізняються за своїмзначенням, у міру ж підвищення температури ця різниця в їхніх розмірахзменшується та після Т=600 К значення стають однаковими і складають 16,30Дж/(моль·К).
Фізико–хімічнівластивості алмазів залежать від наявності в кристалічних решітках атомівдомішок, наявності сторонніх фаз, мікротріщин та інших дефектів. У природнихалмазах домішки знаходяться у виді окремих атомів і їхніх сполучень, а такожвходять до складу великих і субмікроскопічних з’єднань різних мінералів.Домішки металів і неметалів розподіляються по обсягу кристалів нерівномірно, уповерхневому шарі їхня концентрація вище. Наявність металевихвнутрішньокристалічних з’єднань і поверхневих домішок характеризуєтьсявеличиною питомої сприйнятливості.
Поверхневідомішки впливають також на питомий електричний опір алмазу, причому, чимбільше, тим електричний опір менше. Внутрішньокристалічні і поверхневі домішкиістотно погіршують експлуатаційні властивості алмазів. Для видалення домішоквикористовують хімічний і термохімічний методи очищення, однак при їхнійдопомозі не завжди вдається одержати алмази з високим питомим опором.
Очищенийпродукт синтезу.
Розвитоквиробництва синтетичних алмазів привів до того, що вони зайняли домінуюче місцеу виготовленні алмаз –абразивного інструмента.
У новомустандарті усунуті недоліки, якими страждав попередній ДСТ, а також врахованийбагатий вітчизняний і закордонний досвід виробництва синтетичних і природнихалмазів та їхнього застосування, накопичений в останні десятиліття у всілякихгалузях промисловості. Новим ДСТУ передбачені марки алмазних порошків, їхнязернистість, вимоги до них і методи контролю, гарантуючи відповідностіпорошків, що випускаються, цим вимогам.
Стандартпоширюється на порошки, як із природних, так і синтетичних алмазів, призначенийдля виготовлення алмазів абразивного інструмента і застосування внезакріпленому стані у виді паст і суспензій. Алмазні порошки в залежності відрозміру зерен, методу їхнього одержання і контролю поділяються на дві групи:шліф порошки, одержувані шляхом розсіву на ситах з контролем зернової сполукиситовим методом та мікропорошки, одержані шляхом класифікації з використаннямрідини і контролем зернової сполуки під мікроскопом.
Одержати алмазнийпорошок, що складається тільки з зерен одного розміру, не представляє можливим.Крім основної фракції, що переважає в складі порошку, ДСТ передбачає наявністьпобічних фракцій. При цьому зміст зерен основної і побічної фракцій у шліфпорошках встановлюється у відсотках від маси контрольованого порошку, а вмікропорошках – від загального числа зерен, підданих контролю під мікроскопом.
Новий стандартпередбачає випуск шліф порошків із синтетичних алмазів п'яти марок: АСО, АСР,АСВ, АСК, АСС.
АСО – зерна ізшорсткуватою найбільш розвинутою поверхнею, що ріже, і підвищеною крихкістю, щозабезпечує їхнє гарне утримання в зв'язуванні і самозагострювання в процесіроботи.
Вони володіютьпрекрасними властивостями, що ріжуть, працюють з мінімальними витратами енергіїі виділенням тепла. Алмази цієї марки рекомендуються для використання вінструментах на органічному зв'язуванні з застосуванням охолодної рідини і безнеї.
АСР – зерна зменшою крихкістю і більшою міцністю, чим зерна АСО, також мають розвитуповерхню і добре утримуються в зв'язуванні. Рекомендуються для виготовленняінструмента на металевих і керамічних зв'язуваннях, можуть використовуватися ідля інструмента на органічному зв'язуванні.
АСВ – зерна зменшою крихкістю, більшою міцністю, мають більш гладку поверхню в порівнянні ззернами АСО й АСР. Рекомендуються для виготовлення інструмента на органічнихзв'язуваннях, що працюють при підвищених питомих поверхнях.
АСК – зерна зменшою крихкістю і меншою міцністю в порівнянні з зернами АСО, АСР, АСВ.Рекомендуються для виготовлення інструмента на твердих металевих зв'язуваннях,які застосовуються в особливо тяжких умовах роботи – різання й обробкиприродного каменю, граніту, мармуру, вапняку, а також інших твердих матеріалів.
АСС – зернавеликої форми, що мають невелику міцність у порівнянні із синтетичними алмазамивсіх перерахованих марок, а також з перерахованими алмазами. Рекомендуються длявиготовлення бурового інструмента, виправлення абразивних кіл, різання йобробки корунду й інших особливо твердих матеріалів.
Шліф порошки зприродних алмазів випускаються однієї марки – А і призначаються для інструментана металевих зв'язуваннях.
Новим стандартомвперше у світі регламентується міцність зерен шліф порошків із синтетичних алмазів.При цьому якість шліф порошків із природних алмазів, як звичайно,характеризується тільки зерновою сполукою, а шліф порошків із синтетичнихалмазів – зерновою сполукою і міцністю.
Міцність на стискшліф порошків із синтетичних алмазів варіюються в широких бокових вівтарях.Наприклад, для зернистості 160/125 міцність зерен алмаза марок АСО, АСР, АСК іАСС виражається співвідношенням 1,00:2,14:2,96:5,35:10,70. Це дозволяє длякожного конкретного випадку обрати оптимальну марку алмаза і тим самим значно збільшитиефективність використання синтетичних алмазів і розширити сферу їхньогозастосування.
Алмазні порошки увідповідність з новим ДСТУ випускаються таких марок: АСМ і АСН – із синтетичнихалмазів; АМ і АН – із природних алмазів.
Мікропорошкимарок АСМ і АМ – нормальної абразивної здатності; рекомендуються длявиготовлення алмаз–абразивного інструмента, паст і суспензій, для обробкитвердих сплавів, скла, кварцу, порцеляни, германія, кремнію й інших найбільштвердих і тендітних матеріалів. А також обробки деталей сталі, чавуна,кольорових металів і сплавів інших усіляких матеріалів, при необхідностіодержання чистоти поверхні 9–14 класів.
Мікропорошкимарок АСН і АН мають підвищену абразивну здатність і рекомендуються в основномудля виготовлення інструмента, паст і суспензій, застосовуваних при обробцікристалів природних (брильянтових і інструмента) і синтетичних алмазів,корунду, рубіна, спеціальної кераміки й інших понад твердих, тендітних важкооброблювані матеріали.
Новим ДСТ такожвперше у світовій практиці регламентується абразивна здатність мікропорошків ізприродних і синтетичних алмазів і шорсткість обробленої ними поверхні.
Мікропорошкизернистістю 3/2 і 1/0 перевірці на абразивну здатність не піддаються івипускаються тільки марок АСМ і АМ.
Перевірцімікропорошків на шорсткість обробленої ними поверхні перевіряється при обробцітвердого сплаву Т15ДО6 чи ВК6 за ДСТ 3882-67. Досягається при цьому шорсткістьповерхні і клас чистоти незалежно від марки мікропорошку повинні бути не нижчеприйнятих за ДСТ.
Домішки вприродних і синтетичних шліф порошках не повинні перевищувати 1,5 %, а вмікропорошках – 2,5 %. Вміст вологи в шліф і мікропорошках і із синтетичних, іприродних алмазів не допускається більш 0,2 %.
Новий стандартпередбачає наступні позначення шліф і мікропорошків: марка алмаза, величиназернистості і ДСТ 9206–70.
Як прикладиприводяться умовні позначки шліф порошків із синтетичного алмаза АСОзернистістю 125/100, природного алмаза А зернистістю 400/250 і мікропорошку АСНзернистістю 10/7.
Порошкирозфасовуються у флакони ємкістю від 10 до 500 каратів. Точність зважування прирозфасовці наступна: від 10 до 50 каратів – 0,05 карата, від 100 до 100 каратів– 0,10 карата, від 2500 до 5000 каратів – 0,20 карата.
Упровадження ДСТ9206-70 на порошки алмазні, безумовно, буде сприяти подальшому підвищеннюякості алмазних порошків і інструмента з них і підвищенню ефективностівикористання синтетичних і природних алмазів у народному господарстві.
Для визначенняякості алмазних порошків необхідно:
- визначитизернову сполуку порошків;
- визначитиміцність шліф порошків із синтетичних алмазів;
- визначитиабразивну здатність алмазних мікропорошків;
- випробуватиалмазні мікропорошки на шорсткість обробленої ними поверхні;
- визначитизміст домішок в алмазних порошках;
- визначитизміст вологи в порошках.
Склад очищеногопродукту синтезу наведений у таблиці 2.4.
Таблиця 2.4 – Складочищеного продукту синтезуМас. доля алмазу, % н/м 27,0 Мас. доля графіту, % н/м 54,0 Мас. доля Ni та Mn% не більше 1,5
Мас. доля S (у перерахунку на SO3, % не більше 0,5 Вологість, % не більше 3,0
2.3.1Фізико–хімічні властивості сульфату марганцю
Сульфатмарганцю MnSO4 – має температуру плавлення 973 К,приблизно при 1123 К розкладається на Mn3O4, SO3 і SO2. Розчинність у воді (г у 100 г): 52,9 (273 К), 64,8 (298 К), 35,5 (373 К), 20,5 (393 К), 3,9 (433 К). Відомі гідрати MnSO4 з 1,2,4,5 і 7 молекулами води.Моногідрат MnSO4·H2O утворюється при нагріванні іншихгідратів сульфату марганцю до ~473 К, випадає із водних розчинів при 423 – 433К. Дігідрат MnSO4·2H2O і тетрогідрат MnSO4·4H2O метастабільні. Дігідрат випадає зводних розчинів 298 – 313 К, тетрогідрат – при 300К. Пентогідрат MnSO4·5H2O має температуру плавлення 328 К.Гептогідрат MnSO4·7H2O – рожеві кристали, температураплавлення 281,6 К. Сульфат марганцю утворює аміакат з шістьма, а моногідрат зп’ятьма молекулами NH3. Сульфат марганцюзустрічається в природі у вигляді мінералів смікіту MnSO4·H2O, малардиту MnSO4·7H2O, джококуіту MnSO4·5H2O, ілезіту MnSO4·4H2O.
Одержуютьсульфат марганцю обробкою піролюзиту MnO2 горячою концентрованою H2SO4, розчиненням Mn і MnO у H2SO4, прокалюванням піролюзіту збезводним FeSO4, безводний сульфат марганцю –нагріванням його гідратів до 553 К.
Сульфатмарганцю – проміжний продукт при переробці марганцевих руд і шламів. Йоговикористовують для синтезу інших сполук Mn, як компонент електроліту приодержані MnO2 і Mn, компонент фарбників у текстильнійпромисловості, каталізатор у органічному синтезі, мікродобриво.
2.3.2 Фізико–хімічні властивості сульфату нікелю
Сульфатнікелю NiSO4 – лимонно–жовті кристали, щорозкладаються вище 973 К з утворенням NiO і SO3, тиск дисоціації 7,5 кПа (1033 К); гігроскопічний;розчинність у воді (г у 100 г): 21,4 (273 К), 29,94 (303 К), 33,39 (323 К),43,42 (372 К). Утворює гідрати, найважливіший з них – нікелевий купорос NiSO4·7H2O, який кристалізується з воднихрозчинів в інтервалі 276,4 до 304,5 К; температура плавлення 304,5 К;розчинність у воді 101 г у 100 г (283 К). Моногідрат NiSO4·H2O стійкий вище 357,8 К, збезводнюєтьсяпри 553 К. Гідрати з 2, 3, 4, і 5 молекулами води метастабільні,кристалізуються з водних розчинів при 363 – 371 К.
Нікелевийкупорос одержують взаємодією Ni, NiO, Ni(OH)2 або гідрокарбонату Ni з H2SO4; розчиненням Ni у розбавленій H2SO4, що вміщує трохи HNO3, з наступною нейтралізацієюгідроксокарбонатом нікелю і упарюванням.
Сульфатнікелю зустрічається у природі: мінерали мореіозіт NiSO4·7H2O, ретгерсит α – (NiSO4·6H2O), нікельгексогідрит β – (NiSO4·6H2O).
Нікелевийкупорос, а також суміш гепта- і гексагідратів використовують для одержаннячистого електролітичного Ni, інших сполук Ni і нікельвмістних каталізаторів; нікелевий купорос – компонентелектролітів у гальванотехніці для нанесення покриттів на метали; нікелевийкупорос застосовують також як фунгіцид.
3. ОПИС ТЕХНОЛОГІЧНОЇ СХЕМИ
На рисунку 3.1наведено принципову технологічну схему технології утилізації нікелю та марганцюу виробництві синтетичних алмазів.
Неочищений продуктсинтезу подається на сита С, де розділяється на три фракції: d=0,75 мм; d=0,375мм та d=0,125 мм.
Гранули, діаметряких d>0,75 мм подаються знову на подрібнення у дробарку Д та знову повертаютьсяна сита. Після сит неочищений продукт синтезу йде на вилуговування у реактор–вилужувачВЛ1, куди також подається сірчана кислота з цеху приготування розчину.
Після закінченняциклу вилуговування, що складає 2 години, рідка фаза що являє собою розчини H2SO4з концентрацією w=5–15 % ваг., що містять в своєму складі MnSO4 і NiSO4,декантується таподається в збірник ЗБ1.
Із ВЛ1 нижнячастина суспензії подається на фільтр Ф1, де розділяється на тверду фазу таматочний розчин. Тверда частина – алмазографітова шихта, йде на подальшупереробку та отримання алмазу.
Відфільтрованийрозчин після фільтра Ф1 подається у збірник ЗБ1.
У ЗБ1 відбуваєтьсяосадження сполук нікелю та марганцю за допомогою розчинів NaOH та H2O2,які подаються зцеху приготування розчинів. Крім того тут використовується розчин NaOH, що утворюється на стадіїкінцевого очищення алмазів від домішок, що містять близько 1 % з'єднанькремнію.
Отримана суспензія після ЗБ1 відстоюється у відстійникуВТ. Очищена рідина – водно-сольовий розчин з відстійника ВТ йде на переробку, асуспензія на фільтрування до фільтра Ф2.
При фільтруванні на фільтрі Ф2 утворюється очищенарідина і осад, що містять в своєму складі з'єднання таких елементів як:марганець, нікель, натрій, кремній та органічні сполуки.
/>
Відфільтрована рідина прямує на подальшу переробку, атверда фаза, яка містить переважно гідроксиди і оксиди марганцю і нікелюспрямовується у вилужувач ВЛ2, де піддається обробці NH4OH зконцентрацією 20–24 %. В результаті такої обробки з'єднання нікелю переважнопереходять в розчин, а з'єднання марганцю та заліза залишаються в нерозчиненомувигляді.
Отримана суспензія фільтрується на фільтр–пресі Ф3.Після чого тверда фаза, що містить з'єднання марганцю і 5–10 % нікелю, вперерахунку на чистий метал, прямує на металургійну переробку.
Після відділення твердої фази на фільтрі Ф3 із розчину,що містить аміачні комплекси нікелю відгоняють аміак разом з парою за допомогоюкип’ятіння у КЛ. Далі аміак з парою прямує на конденсацію у АТ, а після чогознову потрапляє на стадію вилуговування сполук нікелю у ВЛ2. В результатівідгонки пари з аміаком нікель випадає в осад у вигляді Ni(OH)2,який відділяється від розчину фільтруванням на фільтрі Ф4. Обробкою осадуNi(OH)2 за допомогою H2SO4 одержують розчин NiSO4у ЗБ2, який є товарним продуктом. Після фільтрування розчин NaOH прямує на отриманнянікелю (II) гідроксиду у КЛ.
Таким чином, запропонована схема дозволяє значнополіпшити екологічний стан у промисловому районі і дозволяє повернути ціннийнікель у вигляді додаткової ліквідної хімічної продукції.
Для існуючого виробництва синтетичних алмазівзапропоновано принципову технологічну схему очищення стічних вод, що містятьз'єднання марганцю і нікелю, з двома способами утилізації водно-сольовогорозчину; електродіаліз з отриманням NaClО і H2 або спрямовуваннярозчину у водооборотну систему підприємства.
4. ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ ТА ЕКОЛОГІЯ
Запропонована схема утилізації нікелю та марганцюзначно скорочує кількість необхідних енергоресурсів за рахунок використанняенергії розігріву реакційної суміші при розчиненні сірчаної кислоти та зарахунок реакції взаємодії металів з кислотою. Додатково для скороченнякількості енергоресурсів проводиться автоматичне регулювання температури іпідігрів вмикається на останній стадії.
За рахуноквикористання H2SO4 зменшується кількість газо образнихвикидів та спрощена схема утилізації твердих відходів у вигляді суміші солей нікелюта марганцю.
Стічні води, та газові викиди, що містять іони нікелюта марганцю – токсичні речовини з досить різноманітним впливом на організм:можуть викликати зміни в кровообігу, органах подиху, нервовій системі, обмінречовин; загальну реактивність організму.
Екологічна обстановка залишається дуже складною.Проводиться багато досліджень з метою створення безвідходних технологій, щодозволять ліквідувати чи забезпечити мінімальні шкідливі викиди у водоймища, ґрунті атмосферу.
Весь комплекс проведених досліджень і запропонованатехнологічна схема дозволяють скоротити кількість викидів та кількістьнеобхідних енергоресурсів до мінімально можливих величин.
5. РОЗРАХУНОК МАТЕРІАЛЬНОГО БАЛАНСУ
Вихідні дані:
Концентрація H2SO4 = 15 %;
Співвідношення Ni/Mn = 40/60;
Ступіньперетворення (a) – 97 %;
Продуктивність –20 млн. карат/місяць або 4000 кг/місяць;
Співвідношення(алмаз+графіт) / (Ni+Mn) = 50/50.
Маса суміші алмазів,що подається на очистку:
/> (5.1)
Сумарна маса Ni+Mn:
/> (5.2)
Визначаємо масу Ni:
/> (5.3)
Визначаємо масу Mn:
/> (5.4)
Процес очищенняалмазу від солей Ni представляємоу вигляді рівняння:
Ni + H2SO4 = NiSO4 + H2. (5.1)
По цьому рівняннюрозрахуємо кількість H2SO4, необхідну для взаємодії з нікелем:
/>. (5.5)
Тоді кількістьотриманого NiSO4 складатиме:
/>. (5.6)
Кількістьодержаного H2 за результатами реакції (5.1) складе:
/> або
/>. (5.7)
Залишилось Ni після реакції:
/>. (5.8)
Процес очищенняалмазу від солей Mnпредставляємо у вигляді рівняння:
Mn + H2SO4 = MnSO4 + H2. (5.2)
По цьому рівняннюрозрахуємо кількість H2SO4, необхідну для Mn:
/>. (5.9)
Тоді кількістьотриманого MnSO4 складатиме:
/>.
Кількістьодержаного H2 за результатами реакції (5.2) складе:
/> або
/>.
Залишилось Mn після реакції:
/>.
Усього по реакції(5.1) та (5.2) необхідно H2SO4:
/>.
Залишилось H2SO4 після реакцій (5.1–5.2):
/>.
Усього по реакції(5.1) та (5.2) необхідно H2:
/> або
/>.
Розрахуємокількість води, необхідної для отримання 15 % H2SO4:
/>.
Результатирозрахунків зводимо у таблицю 5.1.
Таблиця 5.1 – Матеріальний балансПрихід Витрати Компонент m, кг
м3 Компонент m, кг
м3 Алмаз+графіт 4000 Алмаз+графіт 4000 Ni 1600 Ni 48 Mn 2400 Mn 72
H2SO4 6934
H2SO4 208,02
H2O 39293
H2O 39293
NiSO4
NiSO4 4077,3
MnSO4
MnSO4 6391,4
H2
H2 137,3 1537,5 Усього: 54227 – Усього: 54227
6. РОЗРАХУНОК ТЕПЛОВОГО БАЛАНСУ
Вихідні даніприведені в таблиці 6.1.
Таблиця 6.1 – Теплоємність та тепловий ефектречовин [11]Компонент Теплоємність при 25 °С, Дж/моль·град Тепловий ефект при 25 °С, кДж/моль Алмаз+графіт 7,3 Ni 26,05 Mn 26,32
H2SO4 (15%) 137,57 194,6
H2О 75,3
NiSO4 80,0 –888,0
MnSO4 100,0 –994,0
H2 28,83
Тепловий ефектреакцій (5.1) та (5.2) розраховуємо за формулою:
/> (6.1)
За даними таблиці6.1 розраховуємо тепловий ефектреакції (5.1):
/>.
За даними таблиці6.1 розраховуємо тепловий ефектреакції (5.2):
/>.
Розрахунокзводимо до визначення необхідної кількості тепла:
/> (6.2)
де Qпралмаз – тепло, що подається залмазом, кДж/моль;
QпрNi – тепло, що подається з Ni, кДж/моль;
QпрMn – тепло, що подається з Mn, кДж/моль;
/> – тепло, що пішло з H2SO4, кДж/моль;
/>– тепло, що пішло з H2O, кДж/моль;
QТ1р-ції – тепло, що пішло на 1–у реакцію, кДж/моль;
QТ2р-ції – тепло, що пішло на 2–у реакцію, кДж/моль;
Qвиталмаз – тепло, яке виходить залмазом, кДж/моль;
QвитNi – тепло, яке виходить з Ni, кДж/моль;
QвитMn – тепло, яке виходить з Mn, кДж/моль;
QвитMnSO4 – тепло, яке виходить з MnSO4, кДж/моль;
QвитNiSO4 – тепло, яке виходить з NiSO4, кДж/моль;
/> – тепло, яке виходить з H2SO4, кДж/моль;
/> – тепло, яке виходить з H2O, кДж/моль;
QвитH2 – тепло, яке виходить з H2, кДж/моль;
Qвит – тепло витрат (2 %), кДж/моль.6.1 Розрахунок приходу тепла
Розрахунокприходу тепла розраховується за формулою:
/> (6.3)
де mі – маса компонента, кг;
tівх – температура входу, дорівнює 25 °С;
Сі –теплоємність, кДж/моль·град.
Тепло, якенадходить з алмазом:
/>
Тепло, щонадходить з нікелем:
/>
Тепло, щонадходить з марганцем:
/>
Тепло, якепоступає з сірчаною кислотою:
/>
Тепло, якепоступає з водою
/>
Тепло, що пішлона реакцію (5.1):
/>
Тепло, що пішлона реакцію (5.2):
/>
Сумарний прихідтепла:
/>6.2 Витрати тепла
Розрахуноквитрату тепла розраховується за формулою:
/> (6.4)
де tівих – вихідна температура °С.
Вихідне теплоалмазу складає:
/>
Вихідне тепло знікелем:
/>
Вихідне тепло змарганцем:
/>
Вихідне тепло NiSO4:
/>
Вихідне тепло MnSO4:
/>
Тепло, щовиходить з сірчаною кислотою:
/>
Тепло, щовиходить з водою:
/>
Вихідне тепло з Н2:
/>
Тепло витрат:
/>
Тоді вихіднатемпература потоків за умови витрат дорівнює:
/> (6.5)
/>+ 2021769,7
/>°С
Вихідне теплоалмазу складає:
/>
Вихідне тепло знікелем:
/>
Вихідне тепло змарганцем:
/>
Вихідне тепло NiSO4:
/>
Вихідне тепло MnSO4:
/>
Тепло, щовиходить з сірчаною кислотою:
/>
Тепло, щовиходить з водою:
/>
Вихідне тепло з Н2:
/>
Результатирозрахунків зводимо у таблицю 6.2.
Таблиця 6.2 – Тепловий балансПрихід тепла Витрата тепла Кількість теплоти кДж/моль Кількість теплоти кДж/моль
Qпралмаз 730000
Qпралмаз 725036
QпрNi 1042000
QпрNi 31047,43
QпрMn 1579200
QпрMn 47053,84
QпрH2SO4 23847727,7
QвитNiSO4 8099125,2
QпрH2O 73968346,38
QвитMnSO4 15869891,35
QТ1р-ції –28478 710566,9
QТ2р-ції –50310
QпрH2O 73465361,6
QвитH2 98260,8
Qвит 2021769,7 Всього: 101088486 Всього: 101068112,8
7. РОЗРАХУНОК ОСНОВНОГО АПАРАТУ
Реактор–вилуговувач маєвигляд циліндричного апарату, з конічним днищем.
Усі апарати працюють 8годин в день. Один цикл складає 2 години. Знаючи кількість розчину, якийпереробляється за місяць, знайдемо об’єм розчину, який переробляється за одинцикл.
/>кг/годину.
/>м3.
Знайдемо об’єм апарату:
/>, (7.1)
де (1+0,5) – співвідношення,
/>кг.
/>л.
Так як відомо, щоспіввідношення висоти апарату до його діаметру дорівнює приблизно 1,7, тоді
H = 1,7·d (7.2)
/>
З попередньої формулизнайдемо діаметр апарату:
/>м.
Тоді висота апаратудорівнюватиме із формули (7.2):
H = 1,7·0,295 = 0,501 м.
Так як за умовою висотаконічної частини апарату у 6 разів менша за загальну висоту, то:
/> м.
Знайдемо об’єм конічної частини:
/>м3= 1,9 л.
Знайдемо об’єм циліндричної частини апарату:
/>м3= 5,7 л.
V = Vцил – Vкон = 0,0057 – 0,0019 = 0,0038 м3.
Висоту апарату приймаємо 510 мм. Висоту конусної частини приймаємо 85 мм. Діаметр апарату приймаємо 300 мм.
Із зовнішньої сторониапарат покривається рубашкою, що підігріває робочий розчин.
Враховуючи середовище вапараті вибираємо матеріал апарату.
Середовище: H2SO4 (15 %), при Т = 20–37 ˚С.
Матеріал: сталь Х18Н10Т +поліетиленова футеровка.
8.ОХОРОНА ПРАЦІ8.1Загальна характеристика умов здійснення технологічного процесу
8.1.1Значення охорони праці
Охорона праці –це система правових актів та відповідальних їм соціально-економічних,організаційно технічних, санітарно-гігієнічних, лікувально-профілактичнихзасобів, та заходів які забезпечують збереження життя, здоров’я та працездатностілюдини в процесі [12].
Головним їїзавданням є забезпечення безпечної та високопродуктивної праці, зниження таліквідація виробничого травматизму та професійних захворювань.
В теперішній часв хімічній промисловості здійснюється комплексна механізація та автоматизаціянайважливіших виробничих процесів.
Вровадженнябезперервних виробничих процесів дозволяє знизити велику кількість милупромислових цехів, звести до мінімуму викидання шкідливих речовин в навколишнєсередовище. Також впроваджується наукова організація праці та вдосконаленевисокопродуктивне обладнання. Використовуються відходи виробництва.
Все дозволяєпідвищити не тільки продуктивність праці, але і покращити умови праці напідприємствах.
8.1.2Аналіз небезпечних та шкідливих виробничих факторів, які були присутні припроведенні процесу, приведені в таблиці 8.1.
Таблиця 8.1 –Перелік небезпечних та шкідливих виробничих факторів та їх джерелНебезпеч–ний (шкід–ливий) виробничий фактор ГОСТ 12.0.003–74 [13] Нормативно-технічний документ, регламенту–ючий умови безпеки Джерело виник–нення Характер дії фактора на організм людини Нормативний показник та його значення 1 2 3 4 5 Висока електрична напруга 380 В
ПУЭ–87 [14] ГОСТ
12.1.030–81* [15] Змішувач, насоси, дробарка та інше. При проходженні через організм людини електрич–ний струм має термічну, електро–літину, механічну та біологічну дію. Це може призвес–ти до двох видів уражень: електричним трав–мам та електрик–ним ударам.
Сила струму порового від чутливого: пос–тійний І=5–7 А, змінний
І=0,6–1,6 мА, пороговіго невідпускаючо–го, постійний
І=50–80 мА, змінний
І=10–15 мА, фібриляційний струм постій–ний І=300 мА, змінний
І>50–100 мА.
Вибухо– та пожежне–безпечність H2O2, Н2SO4, та інші.
ГОСТ
12.1.044–89* [16]
ДСТУ 2272:
2006 [17]
ГОСТ
12.1.004–91* [18] Реактори розчин–ники, реактор, та інші. При попаданні в епіцентр пожежі опіки, задуха димом, вибух. Див табл. 8.3 Запилюва–ність
ГОСТ 12.1.005–88 [19]
ГОСТ 12.1.007–88 [20] Заванта–ження та виванта–ження змішува–ча, реак–тора, дробарки. Див. табл. 8.2
ГДК, мг/м3 (див. табл. 8.2)
Продовженнятаблиці 9.11 2 3 4 5 Шум
ГОСТ 12.1.003–83* [21]
ДСН 3.3.6.037–99
[22] Вентиля–ційне устатку–вання, насос, дробарка та інші. Передається на робочі місця, які не мають джерел вібрації. При дії на організм людини виникають відхи–лення в переди–ричній, нервовій та серцево-судин–ній системах та в опорно-руховому апараті. При тривалій дії вини–кає «вібраційне захворювання»
Віброшвид–кість – V, м/с, віброприско–рення а, м/с2 та їх логарифмічні рівні La, Lv, дБ Lv = 92 дБ.
Шкідливі речовини (Н2SO4, NaOH та інші)
ГОСТ 12.1.005–88 [19]
ГОСТ 12.1.007–88 [20] Техноло–гічний процес Див. табл. 8.2
ГДК, мг/м3 (див. табл. 8.2) Несприят–ливий мікроклімат (підвищена температура поверхні обладнання та матеріа–лів)
ГОСТ 12.1.005–88 [19]
ДСН 3.3.6.042–99 [23] Реактор синтезу, сушиль–ний барабан, піч для спікання, термоо–кислювач та інші. Порушення терморегуляції організму, тепло–вий удар, судорожна хворо–ба.
Припустимі та оптимальні температура, oC, відносна вологість, j, %, швидкість руху повітря (м/с)
(див. табл. 8.4) Статична електрика
НПАОП
0.00–1.29–97 [24]
ГОСТ 12.1.018–93 [25] Процеси дроблен–ня фільт–рації (просіву)та інші. Негативно діє на психо-фізичний стан, судороги, фізіологічна дія, головний біль, порушення сну. Мінімальна енергія зажигання мДж
8.1.3Токсикологічна характеристика речовин і матеріалів
Токсикологічнахарактеристика речовин і матеріалів, які обертаються в процесі, приведенні втаблиці 8.2
Таблиця 8.2 –Характеристика речовин і матеріалів, які обертаються у виробництвіНайменуван–ня речовини
Клас небезпеки
ГОСТ 12.1.007–88 [20]
ГДК в повітрі та робочій зо–ні, мг/м3
ГОСТ 12.1.005–88 [19] Характер дії речо–вини на організм людини Перша допо–мога та заходи безпеки 1 2 3 4 5 Ni металіч–ний 2 0,5 Впливає на крово–течний та вугле–водневій обмін, прогресує наявний рак. Відсутність чи зниження апетит, функціональні змі–ни центральної нервової системи, сенсибілізатор. ЗІЗ – пецодяг, распіратор ШБ–1 «Пелюстка», «Айстра–2» та інші. Вентиляція, захисні пасти, механізація. Mn і його сполуки 2 0,3 Небезпечно вдиха–ти пил, діє на нервові тканини Спецодяг, захисні оку–ляри, венти–ляція.
H2SO4 2 1 Подразнююча та припікаюча дія. Опіки шкіри. Вели–ка глубина уражен–ня, розщіпляє біл–кові речовини. Порушення дихан–ня і функцій нервової системи. Промити водою, ЗІЗ – кислотостій–кий спецодяг протигаз мар–ки Б, БНФ, захисні окуляри, гумові чоботи, рукавиці. NaOH 2 0,5 Діє припікаючи після опіків утворюються. Промити водою, розчи–ном слабих кислот (оцто–вої та інших).
H2O2 3 1,4 Запальні хвороби шкирі. Подразнен–ня слизових, зайво–рювання бронхів та легенів. Спецодяг, распіратори, вентиляція, герметизація обладнання.
Продовженнятаблиці 8.21 2 3 4 5
Na2SiO3 3 2 Подразнення слизової оболонки верхніх дихальних шляхів, опіки очей, на шкурі – лишає видні утворення Захист органів дихання, шкі–ри.
NiSO4 2 0,5 Головний біль, запалення слизис–тої носу, виразки на носовій перего–родці, у гортані, трахеї. ЗІЗ, промити уражені ділянки водою.
NH4OH 3 20,0 Високі концернт–рації мають високу сльозогінні дії, кашель, біль в очах, задуха, запаморочення. Промити во–дою вражені ділянки, вди–хання чистого повітря. ЗІЗ – лужностійкий спецодяг, про–тигаз марки КД, захисні окуляри, гумо–ві чоботи, рукавиці. Графіт, алмази: природні, штучні.
4
4
6
8 Технічний вуглець оказує подразню-ючу дію, захворю–вання легенів (антрокос) ЗІЗ – спец–одяг, рапіра–тори, «Айстра–2», «ШБ–1», «Пелюстка», вентиляція.
8.1.4Характеристика пальних речовин та матеріалів
Пожежно– івибухонебезпечні властивості речовин і матеріалів, що застосовуються в процесі,наведені в таблиці 8.3.
Таблиця 8.3 – Характеристикапожежновибухової і пожежної небезпеки речовин і матеріалів, що обертаються увиробництвіНазва речовини (матеріалу) Характеристика пожежо– і вибухо–небезпечності
Показники пожежної вибухонебезпечності
ГОСТ 12.1.044–89* [16]
Категорія та група вибухової суміші
ГОСТ 12.1.011–78* [26] графіт
Температура само–
спалахування, оС
Нижня концентра–ційна межа спала–хування, г/м3
830
17–24 Вибухонебезпеч–ний (А), Т1
NH4OH
Температура само–
спалахування, оС
Концентраційні ме–жі поширення полум’я:
нижній
верхній
650
15
28 Т1
Сульфатна кислотає сильним окислювачем. Розбавлення сульфатна кислота розчиняє метали при цьомувиділяється водень, а взаємодія її з лужноземельними металами супроводжуєтьсясамозайманням.
Концентрованасульфатна кислота при взаємодії з металами може утворювати діоксиди сірки,сірку, сірководень. Присутність сульфатної кислоти посилює пожежобезпечнівластивості деяких окиснювачів та багатьох органічних речовин та матеріалів.
У присутностіпероксида водню спирти, кетони, ароматичні вуглеводні самозаймаються, абостабть чуттєвими до нагріву. Самозаймаються також тверді горючі матеріали, якбумага, деревина та інші.
8.1.5Характеристика виробничого приміщення
Відповідно до ДБНВ.1.1.7–2002 [27] вогнестійкості приміщення цеху Ш, тому що основні будівельніконструкції виготовлюють з цегли та залізобетону.
Відповідно доНАПБ Б–07.005–86 [28] приміщення цеху за вибухопожежною та пожежною небезпекоювідноситься до категорії В.
По ступенінебезпечності ураження електричним струмом приміщення відповідно до ПУЕ–87 [14]відносять до класу приміщень особливо небезпечних, так як є можливістьодночасного доторкання до маючих з’єднань з землею металоконструкціямибудівель, з однієї сторони, і до металевих корпусів електрообладнання – зіншої, температура в приміщеннях підвищена, а також хімічно–активне середовищеруйнує ізоляцію струмоведучих частин електрообладнання.
Відділення цеху,де здійснюється процес змішування, подрібнення та інші матеріали відносяться докласу зон П–ІІа, П–ІІ, а також мають місце зони – 22 відповідно НПАОП 40.1–1.32–01[29].
Все це відповідаєданим нормам.
8.1.6Ширина санітарно–захисної зони згідно ДНАОП 0.03–3.01–71 [30] – 100 м.8.2 Промислова санітарія
8.2.1Допустимі параметри метереологічних умов
Вибрані по ГОСТ12.1.005–88 [19], ДСН 3.3.6.042–99 [23], допустимі параметри мікроклімату приведені в таблиці 8.4
Таблиця 8.4 – Допустиміпараметри метереологічних умовКатегорія робіт по енергозатратам Період року
Температура, оС Відносна вологість, % не більше Швидкість руху повітря, м/с, не більше Середньої тяжкості ІІа Холодний 17–23 75 0,3 Середньої тяжкості ІІа Теплий 18–27
65 при 26 оС 0,2–0,4
Для забезпеченняпараметрів мікроклімату зазначених в таблиці 8.3, в роботі передбачено:
- автоматизаціяпроцесу;
- механізаціяпроцесу довантаження загрузки матеріалів;
- герметизаціяобладнання (дробарки, змішувачі–раектори та інші);
- теплоізоляціяобладнання (сушильний барабан, термоокислювач та інші);
- застосуванняЗІЗ (спецодяг, захисні окуляри, распіратори ШБ–1, «Пелюстка», «Астра–2» таінші);
- застосуваннязгідно СНіП 2.04.05–91* [31] вентиляції, опалення в холоднийперіод року.
8.2.2Характеристика виробничого освітлення, згідно ДБН В.2.5–28–2006 [32], приведеноу таблиці 8.5
Так, якприміщення цеху знаходить в IV поясі світлового клімату, то:
lN=lN·mN,(8.1)
де m – коефіцієнт світового клімату, дорівнює0,9 (вікна на північ);
N – номер групи збагаченостіприродним світлом.
/>
Таблиця 8.5 –Характеристика виробничого освітленняХарактер оглядової роботи Розмір об’єкту розпізнання, мм Розряд і підрозряд здорової праці Характеристика фону Контраст між об’єктом розпіз–нання і фоном Природне освітлення Штучне освітлення Вид КПО е, % Вид
Еmin,
лк Джерело світла, тип світильника Середньої точності 0,5–1 Vг світлий великий
бок–ве
суміщене
комбі–новане
1,5
0,9
4,0
загаль–не
комбі–новане
150
300 Люмінісцементні лампи ЛД 40–4 ЛД 80–4 ПВЛМ 2´40 НОГЛ–80 8.3 Пожежна безпека
8.3.1 Можливі причини пожежіпорушення процесу та правил пожежної безпеки, несправність обладнання, короткезамикання, розчинів кислот, самозаймистих матеріалів та інших.
8.3.2Пожежна безпеказабезпечується згідно з ГОСТ 12.1.004–91* [18] системами попередженняпожежі, протипожежного захисту, організаційно технічними заходами.
8.3.3 Заходи протипожежногозахисту:
1) наявністьзасобів оповіщення при пожежному електрична пожежна сигналізація, телефоннийзв'язок;
2) застосуваннязасобів пожежогасіння (зовнішній та внутрішній водопровід);
3) автоматичнізасоби пожежежогасіння (спринклерні);
4) первиннізасоби пожежогасіння (для приміщень категорій В S=500–600 м2, вогнегасникивуглекислотні ВВК–5 – 2шт, повітрянопінні ВПП–10 – 6 шт, ящики з піском, бочказ водою). Механічні припинення горіння та ізоляція, охолодження, розбавлення,механічний зрив полум’я.
Висновок
Проведені вищезаходи дозволяють забезпечити безпечні та нешкідливі умови праці при виконанніпроцесу.
9. ТЕХНІКО–ЕКОНОМІЧНЕ ОБГРУНТУВАННЯ
/>/>
Однією з важливих проблем сучасного розвитку виробничої базив Україні є збільшення ефективності роботи транспорту, поліпшення капітальнихбудівель і забезпечення населення товарами хімічної промисловості.
Для визначення витрат на випуск й собівартість продукціїрозраховуються капітальні витрати на виробництво. Розрахунки вартості сировини,палива проводяться на підставі коефіцієнтів.
Штатний розклад, складений на основі заводських даних, фонд заробітної платирозрахований на основі діючих тарифних ставок на підприємствах України.
Заробітна плата ІТП і службовців прийнята згідно існуючогопосадового окладу (сітки).
Розмір капітальних витрат на будівництво визначають напідставі їхнього обсягу й вартості 1 м3.
9.1 Розрахунок виробничої потужностіпроектованого цеху
Виробнича потужність цеху (G) розраховується по ведучомуустаткуванню.
відповідно до формули:
/> (9.1)
де G – потужність цеху, т/рік;
А – кількість однотипногоустаткування, дорівнює 1 шт.;
П – найбільша міцність одиниціустаткування, дорівнює 0,0179 т/год;
Феф – ефективний фонд часу роботи одиниціустаткування, год/рік.
Річний фонд часуроботи устаткування залежить від режиму роботи цеху. Цех утилізації нікелю тамарганцю у виробництві синтетичних алмазів працює в 1 зміну тривалістю 8 год.
Ефективний фонд часу розраховують відповідно до формули:
/>(9.2)
де Д – кількістьробочих днів у році, дорівнює 365 днів;
С – кількістьзмін у добу, дорівнює 1 шт.;
r – тривалість зміни, дорівнює 8 год.;
ДО1 – коефіцієнт зупинки й ремонту устаткування, дорівнює 0,99;
ДО2 – коефіцієнт на переустаткування(переоснащення), дорівнює 0,98;
Р – кількість днів ремонту, дорівнює 10–19 днів, приймаємо 19днів.
/>
/>
9.2 Розрахуноквартості і потреби сировини іматеріалів
Потреба в сировині та матеріалах представлена таблиці 9.1.
Таблиця 9.1 – Потреба в сировині та матеріалахСировина Питомі норми витрат, т/т Об’єм виробництва, т Річна потреба, т Луг, т 21,7 48 1041,6 Пероксид водню, т 2,8 134,4 Сульфатна кислота, т 8,5 408 Всього 1584
Розрахунок вартості сировини та матеріалів представлений втаблиці 9.2. При визначенні оборотних коштів вартість сировини й матеріаліввраховуються з податком на додану вартість, який складає 20 % від вартості матеріалів.
Таблиця 9.2 – Вартість сировини та матеріалівМатеріал Ціна, грн./т Витрата, т Вартість, грн. На 1 т продукту, т На річну програму, т На 1 т продукту На річну програму Луг, т 800 21,7 1041,6 17360 833280 Пероксид водню, т 600 2,8 134,4 1680 80640 Сульфатна кислота, т 1200 8,5 408 10200 489600 Всього 29240 1403520
9.3Визначення витрат по вартостіенергоресурсів
Розрахунок вартості будь-якого виду енергоресурсів,електроенергії, визначається відповідно до формули:
/>
де Ре – вартість виду енергоресурсу;
/> — погодинні витрати />-ресурсів нак-устаткування;
Феф – ефективний річний фонд часу роботик-устаткування, дорівнює
2681 год/рік:
К1 – коефіцієнт навантаження, дорівнює 0,75;
К2 – коефіцієнт одночасності, дорівнює 0,8;
К3 – коефіцієнт втрат, дорівнює 1,05.
Розрахунок потреби в енергоресурсах представлений в таблиці 9.3.
Таблиця 9.3 – Розрахунок потреби електроенергіїОбладнання Кількість обладнання, шт. Потужність, кВт/год Кількість годин роботи, год Необхідна потужність, кВт/рік 1 2 3 4 5 Дробарка 1 3,543 9500 Насоси 2 4,16 2681 11150 Фільтри 4 18,82 50450 Реактор 1 3,915 10500 Всього 8 30,436 81600 /> /> /> /> /> />
В таблиці 9.4 розраховано загальну потребу у енергоресурсах.
Таблиця 9.4 – Розрахунок потреби в енергоресурсахНайменування Витрати на виробництво 1 т Витрати на річну програму Ціна, грн. Витрати на 1 т., грн. Витрати на річну прог–раму, грн.
Вода, м3 529,55 25418,4 11,07 5862,1 281380,8 Електроенергія, кВт/год 1360 65280 0,54 734,4 35251,2 Всього 6596,5 316632
9.4 Розрахунок амортизаційнихвідрахувань
Початкова вартість устаткування приведена в таблиці 9.5.
Таблиця 9.5 – Вартість устаткуванняУстаткування Кількість одиниць Ціна одиниці устатку–вання Ціна всього встановлено–го устатку–вання, грн. 30 % монтаж та транспортування Вартість устатку–вання, грн. 1 2 3 4 5 6 Дробарка 1 32000 32000 9600 41600 Нососи 2 10000 20000 6000 26000 Фільтри 4 40375 161500 48450 209950 Реактор-вилуговувач 1 40000 12000 52000 Всього 253500 76050 329550 Силові машини і облад–нання (7–8 % від вартос–ті) 26364 1 2 3 4 5 6 Невраховане обладнання (10–12 % від всього врахованого) 32955 Транспортування (5 % від графи 4) 12675 Монтаж (20 % від графи 4) 50700 Спец роботи (8 % від графи 4) 20280 Всього 472524 Амортизація (15 % від вартості) 70878,6
9.4.1 Розрахунок кошторисної вартостібудівництва
Площа ділянки поділяється на виробничу, допоміжну тапобутову. Виробнича площа розраховується на основі даних о кількостіобладнання. Допоміжна площа для вентиляційного обладнання складає 40–50 % відвиробничої при цеху, який займає понад 200 м2 й 50–60 % при виробничій площі до 200 м2. Побутова площа розраховується виходячи зкількості робочих на ділянці й удільних норм площі на одного робочого, якавизначається за нормами й правилами СНиП 2.09.04–87.
Розрахунок вартості будови споруд виконується на основіоб’єму будівництва та вартості 1 м2 споруди. В вартість спорудивключать ще:
опалення й вентиляція 5 %
водопровід й каналізація 10 %
освітлення 5 %
інші роботи 6 %.
Розрахуноквартості споруд наведено у таблиці 9.6.
Таблиця9.6 – Кошторис затрат на будівництво спорудНайменування споруди Вартість будівничих робіт Вартість допоміжніх робіт Загальна вартість допиміжніх робіт, грн Повна вартість виробни–чих споруд, грн
Об’єм, м3
За 1 м3, грн Загальна вартість Опалення та вентиляція, грн Водопровід та каналізація, грн Електроосвітлення, грн Інші роботи, грн Виробниче 1008 250 151200 7560 15120 9072 7560 39312 190512 Адміністративні 65 380 13600 650 1300 780 650 3380 16380 Всього 274428 Амортизація (10 % від вартисті) 27443
Амортизація виробничих приміщень = 10 % * 190512 = 19051,2грн.
Амортизація побутових приміщень = 10 % * 67536 = 6753,6 грн
Амортизація адміністративних приміщень = 10 % * 16380 = 1638грн.
Загальна амортизація приміщень = 27443 грн.
9.5 Розрахунок затрат на оплату праці
Річний фонд оплати праці складається з фонду основноїзаробітної плати й фонду додаткової оплати праці. Фонд основної заробітноїплати робітників залежить віл результатів їхньої роботи і визначаєтьсятарифними ставками, установленими розцінками, посадовими окладами, а такожнадбавками і доплатами в розмірах, не перевищуючих установлених законодавством.Розрахунок чисельності робочих приведений у таблиці 9.7.
Таблиця 9.7 – Розрахунок чисельності робочихНазва професії Чисельність робочих у зміну Кількість змін за добу Явочна чисельність Коефіцієнт облікового складу Облікова чисельність робочих Основні робітники: Апаратник 5 1 5 1,47 8 Оператор 2 1 2 1,47 3 Ітого: 7 11 Допоміжні робітники Черговий слюсар 2 1 2 1,43 3 Електрик 2 1 2 1,43 3 Черговий механік 2 1 2 1,43 3 Ітого: 6 9 Всього: 20
Склад і кількість керівників, спеціалістів, службовців підприємстварозраховується згідно вибраної організаційної структури і штатного розкладу.
Таблиця 9.8 – Баланс робочого часу одного робочогоПоказники Робочі Основні Допоміжні Календарний фонд часу, дні 365 365 Неробочі дні, всього, в тому числі: – свята; 12 12 – вихідні 98 98 номінальний фонд робочого часу 2040 2040 невиходи на роботу, дні: – основні та додаткові відпустки: 18 18 – відпустка учням; – – – відпустка по вагітності й пологам; – – – по хворобі; 10 10 – виконання державних обов’язків; 5 – корисний фонд робочого часу, дні; 228 234 середня тривалість робочого дня. год.; 8 8 корисний фонд робочого часу в рік. год.: 1824 1872 коефіцієнт переходу 1,47 1,43
Коефіцієнт переходу розраховується згідно формули:
Кпер=Фоб/(Фрм*См)
Кпер= 2681/(1824*1) = 1,47; Кпер =2681(1872*1) = 1,43.
В таблиці 9.8 наведені розрахунки річного фонду оплати праціосновних та допоміжних робочих.
Таблиця 9.8 – Розрахунки річного фонду оплати праці основнихта допоміжних робочихНазва професії Списочна кількість робочих Тариф–ний розряд Тарифна ставка, грн./год Еф. фонд часу одного праців–ника Фонд заробіт–ної пла–ти по тарифу, грн. Доплати та над–бавки, грн. Основ–ний фонд зарпла–ти, грн. Дод. оплата праці, грн. Річний фонд оплати праці, грн. Основні працівники Апарат–чик 5 3 5,42 2678 72578,3 14515,6 87093,9 8709,4 95803,3 Опера–тор 2 5 6,01 2678 32189,56 6437,9 38627,5 3862,75 42490,2 Ітого 104767,9 20953,5 125721,4 12572,2 138293,5 Слюсар 2 5 5,62 2678 30100,72 6020,1 36120,8 3612,08 39732,88 Елект–рик 2 4 6,01 2678 32189,56 6437,9 38627,5 3862,75 42490,25 Механік 2 5 7,12 2678 38134,72 7626,9 45761,6 4576,16 50337,76 Ітого: 100425,0 20085,0 120510 12051,0 132561,0
9.6 Розрахунокрічного фонду оплати працікерівників та спеціалістів
Розрахунок річного фонду оплати праці (РФОП) керівників таспеціалістів наведено в таблиці 9.9.
Таблиця 9.9 – Розрахунок РФОП керівників та спеціалістівКатегорія працюючих Чисельність, чол. Оклад в місяць, грн. Кількість місяців Основний фонд зарплати, грн. Дод. оплата праці, грн. РФОП, грн. Нач. цеху 1 1900 12 22800 2280 25080 Заст. нач. цеху 1 1600 12 19200 1920 21120 Технолог 1 1100 12 13200 1320 14520 Майстер 1 1220 12 14640 1464 16104 Економіст 1 1020 12 12240 1224 13464 Лаборант 1 917 12 11004 1100,4 12104,4 Всього 6 12 93084 9308,4 102392,4
9.7 Розрахунок витрат по утриманню йексплуатації обладнання
Розрахунок витрат по утриманню й експлуатації обладнаннянаведено в таблиці 9.10.
Таблиця 9.10 – Розрахунок витрат по утриманню й експлуатаціїобладнанняНазва статті Розмір витрат, грн. Примітка 1 Витрати на оплату праці 1.1 Основна заробітна плата допоміжних робітників 120510 1.2 Відрахування на соціальне страхування 43745,13 36,3 % від з/п 2 Матеріальні витрати 2.1 Витрати на проведення технічного обслуговування 16477,5 5 % від вартості обладнання 2.2 Витрати на технічне обслуговування 3954,6 1,2 % від вартості обладнання 3 Амортизація обладнання 70878,6 4 Інші невраховані витрати 19313 5 % від врахованих Всього 274878,8
9.8 Розрахунок загальновиробничихвитрат
Загальновиробничі витрати наведено в таблиці 9.11
Таблиця 9.11 – Розрахунок загальновиробничіх витратНазва статті Розмір витрат, грн. Примітка 1 Витрати на оплату праці 1.1 Основна заробітна плата керівників та спеціалістів 218805,4 1.2 Відрахування на соц. страхування 79426,4 36,3 % від з/п 2 Витрати на проведення ремонту 12349,26 4,5 % від вартості будівлі 3 Витрати на утримання будівлі 5488,56 2 % від вартості будівлі 2.2 Витрати на технічне обслуговування 3954,6 1,2 % від вартості обладнання 3 Амортизація будівлі 27443 4 Витрати на винахідливість та раціоналізацію 16965,77 5 % від з/п всіх робітників Всього 364432,9
9.9 Калькуляція собівартості продукту
Калькуляція собівартості продукту складається згіднопроведених розрахунків й наведена в таблиці 1.12.
Таблиця 9.12 – Калькуляція собівартості продуктуНайменування статей витрат Витрати, грн. На одиницю На річний випуск 1 2 3 1. Матеріальні витрати сировини й матеріалів 1.1 Основні 29240 1403520 2. Енерговитрати 2.1. Електроенергія 734,4 35251,2 2.2. Вода 5862,1 281380,8 Всього 6596,5 316632 3. Оплата праці 1 2 3 3.1. Основна оплата основних робітників 2761,7 132561,0 3.2. Відрахування на оплату праці 760,6 36508,8 4. Затрати на утримання й експлуатацію обладнання 5726,6 274878,8 5. Загальновиробничі витрати 7592,4 364432,9 6. Загальнохозяйствені витрати 5031,2 241497,6 Всього виробнича собівартість 57709 2770031,1
ВИСНОВКИ
Розділення процесу очищення алмазу на окремі стадії,дозволило розробити гнучку технологічну схему, по якій можлива і утилізаціяшкідливих викидів, і зміна деяких параметрів як по кількісному, так і поякісному складі.
Розроблена принципова технологічна схема з утилізаціїнікелю та марганцю у виробництві синтетичних алмазів дозволяє закласти в проектмайбутнього промислового виробництва найбільш ефективні на сьогоднішній деньтехнологічні рішення.
Таким чином, в роботі проведенорозрахунки матеріального та теплового балансів, розрахунок основного апарату, розрахункиз охорони праці та розрахована собівартість очищення відходів алмазноговиробництва.
CПИСОК ДЖЕРЕЛ ІНФОРМАЦІЇ
1. Синтетические сверхтвердые материалы: В 3 т. / Алешин В.Г., Андреев В.Д., Богатырева Г.П., Шульженко А.А. / Под ред.Новикова Н.В. – Киев, 1986. – Т.1.: Синтез сверхтвердых материалов.
2. Синтез алмазов / Новиков Н.В., Федосеев Д.В., ШульженкоА.А., Богатырева Г.П. / Под ред. Новикова Н.В. – Киев: Наукова думка, 1987.
3. Некоторые свойства алмаза, полученного взрывнымметодом / Ададуров Г.А., Балуев А.В., Бреусов О.И. и др. // Неорганическиематериалы. – 1977. – №4. – С. 649–653.
4. Безруков Г.Н., Бутузов В.П., Самойлович М.И.Синтетический алмаз. – М.: Недра, 1976. – 118 с.
5. Новиков Н.В. Развитие технологии синтеза алмазов //Сучасне матеріалознавство XXI сторіччя. – Київ: Наукова думка. – 1998. – С. 333–352.
6. Путятин А.А., Никольская И.В., Калашников Я.А.Химические методы извлечения алмазов из продуктов синтеза // Сверхтвердыематериалы. – 1982. – №2. – С. 20–28.
7. Гринь Г.И., Семенов Е.А., Козуб П.А. Вопросы ресурсосбережения в производствесинтетических алмазов // Матеріали III наукової конференції “Молодь у вирішенні регіональних та транскордоннихпроблем екологічної безпеки. Перспективи формування Пан'європейськоїекологічної мережі”. – Чернівці: Зелена Буковина. – 2004. – С. 180–182.
8. ГОСТ 2184–77.Кислота серная техническая. Технические условия.– Введен 01.02.93.
9. ГОСТ 701–89. Кислота азотная концентрированная. Технические условия. –Введен с 01.06.90.
10. ГОСТ 857–95. Кислотасоляная синтетическая техническая. Технические условия.– Введен с 01.01.97.
11. Карапетьянц М.К., Карапетьянц М.Л. Основне термодинамические константынеорганических и органических веществ. – М.: Химия, 1968.
12. Закон України “Про охорону праці”, К.:11.02 р.
13. ГОСТ 12.0.003–74*. ССБТ. Опасные и вредныепроизводственные факторы. Классификация.– Введен 01.01.76.
14. Правила устройства электроустановок ПУЭ–87. –М.: Энергостройиздат, 1988.
15.ГОСТ 12.1.030–81* ССБТ. Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление. – Введен 01.01.82.
16.ГОСТ 12.1.044–89* ССБТ. Пожаровзрывобезопасность. Номенклатура показателей и методы их определения. – Введен 01.01.91.
17. ДСТУ 2272:2006 ССБТ. Пожежна безпека. Терміни тавизначення – Діє з 01.01.07.
18. ГОСТ12.1.004–91* ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования. – Введен 01. 07. 95.
19. ГОСТ12.1.005–88 ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочейзоны. – Введен 01.01.89.
20.ГОСТ 12.1.007–88 ССБТ. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности. – Введен 01.01.89.
21. ГОСТ12.1.003–83* ССБТ. Шум. Общие требования безопасности. – Введ. 01.01.1989.
22.ДСН 3.3.6.037–99. Санітарні норми виробничого шуму, ультразвуку та інфразвуку.– К.: 1999.
23.ДСН 3.3.6.042–99. Санітарні норми мікроклімату виробничих приміщень. – К.: 2000.
24.НПАОП 0.00–1.29–97 Правила захисту від статичної електрики. Діє з 01.01.98.
25.ГОСТ 12.1.018–93 ССБТ Пожаровзрывобезопаснотьстатического электичества. Общие требования. – Введ. 01.01.1995.
26.ГОСТ 12.1.011–78* ССБТ Смесивзрывоопасные. Классификация и методы испытаний. – Введ. 01.07.1979.
27. ДБН В.1.1–5–2002 Пожежна безпека об’єктівбудцівництва. – Діє з 01.01.03.
28. НАПБ Б-07.005-86 Определение категорий помещений и зданий повзрывопожарной и пожарной опасности. – Действуют с 01.01.87.
29. НПАОП40.1–1.32–01 Правила будови електроустановок. Електрообладнання спеціальнихустановок. – Діє з 01.01.02.
30. ДНАОП 0.03–3.01–71 Санитарные нормы проектирования промышленныхпредприятий. – Действует с 01.01.72.
31. СНиП 2.04.05–91*У. Отопление, вентиляция и кондиционирование. – М.:Стройиздат, 1992.
32. ДБН В.2.5–28–2006. Природне та штучне освітлення. – К.:Мінбуд, 2006.
32. ГОСТ 2.791–74. ЕСКД. Обозначения условные графические.Отстойники и фильтры. – Введен 01.01.75.
33. ГОСТ 2.793–74. ЕСКД. Обозначения условные графические.Элементы и устройства машин и аппаратов химических производств. – Введен01.01.81.
34. СТВУВ–ХПІ–3.01–2000 – Текстові документи у сферінавчального процесу. – Чинний від 2001–01–01.