Химические принципы

Методологические принципы

При создании безотходных производств применяются следующие методологические принципы:

1. По возможности полное использование сырья для производства продукции при максимальной экономии энергии, вспомогательных материалов и, в первую очередь, воды в рамках функционирования каждого предприятия;

2. Использование побочных продуктов и отходов одного производства для другого, для которого они могут служить сырьем; создание на этой основе комбинатов, на предприятиях которых происходит последовательное углубление переработки сырья;

3. Территориальное и функциональное объединение в систему комплексного производства комбинатов разнотипных предприятий, перерабатывающих различные химические вещества;

4. Дополнение указанных производственных комплексов предприятиями, осуществляющими завершающую переработку отходов в вещества, которые могут служить сырьем для других производственных комплексов или являются составляющими биосферы;

5. Расширение производственных связей между разными безотходными производственными комплексами и повышение тем самым степени замкнутости общей производственной системы как в хозяйственном, так и в биогеохимическом отношении;

6. Ликвидация ранее допущенных нарушений равновесия в природе;

7. Повышение надежности работы всех установок и производств в целом.

В задачу безотходных производств входит комплексная переработка определенного количества сырья в целевые продукты, являющиеся сырьем для других производств, и в чистые природные вещества (воздух, воду, нейтральную минеральную массу, способную включаться в качестве материнской породы в образование плодородной почвы и т. д.).

Обобщающим принципом при создании безотходных производств является системный подход, который следует использовать при создании, проектировании и эксплуатации производства.

Остальные более конкретные принципы, направленные на полное использование сырья и энергетических ресурсов, а также на охрану окружающей среды, могут быть подразделены на три группы: 1 – химические; 2 – технологические; 3 – организационно-управленческие.

Химические принципы отражают общую тенденцию в создании новых производств и совершенствовании действующих. Все они реализу-ются в виде конкретных химических приемов и методов, позволяющих приблизить производство к безотходному ресурсосберегающему.

Создание малостадийных (одностадийных) химических процессов. Чем меньше химических стадий требуется при получении из сырья целевых продуктов, тем меньше получается побочных продуктов. При этом также не только сокращаются расходы энергии, но и уменьшается число потоков, которые необходимо перерабатывать и энергию которых необходимо утилизировать.

В таких технологических процессах в большинстве случаев сокращается количество газовых потоков и воды, которые необходимо очищать от вредных примесей. В конечном итоге себестоимость продукта, полученного по методу с меньшим числом стадий, как правило, ниже. При этом, необходимо проводить сравнение затрат на производство одного и того же продукта разными методами на базе одного и того же сырья.

Так, например, если принять приведенные затраты в производстве бутадиена и изопрена методом двухстадийного дегидрирования н -бутана и изопентана за 100 %, то приведенные затраты при одностадийном дегидрировании н -бутана до бутадиена составят 77 %, а при одностадийном дегидрировании изопентана до изопрена – 83 %.

Разработка методов получения продуктов из доступного и дешевого сырья. Как правило, все новые методы получения продуктов направлены на замену сырья более дешевым, сокращение числа стадий, сокращение энергозатрат и уменьшение побочных продуктов. Наиболее характерным примером является замена пищевого сырья на не пищевое (в основном нефтяное) в производстве бутадиена. Замена сырья часто приводит к тому, что для получения продукта используется другой метод производства. Так, идет постепенная замена ацетилена более дешевыми нефтехимическими продуктами: в производстве нитрила акриловой кислоты — пропиленом, в производстве хлоропрена — бутадиеном и т.д.

Во многих случаях усовершенствование технологии касается вытеснения не только дорогостоящих, но и загрязняющих атмосферу и воду исходных видов сырья и полупродуктов. Особенно характерно это проявилось в производствах этиленоксида и пропиленоксида, где технология, основанная на использовании хлора (хлоргидринный процесс), была заменена технологией прямого окисления этилена и пропилена. При этом одновременно удается снизить и затраты на производство. Так, переход на метод прямого окисления этилена в производстве этиленоксида позволил более чем в два раза снизить затраты на его производство.

Разработка высокоэффективных процессов. Одним из основных принципов, позволяющих наиболее полно использовать сырье для получения целевых продуктов, является повышение селективности процессов. Селективность процесса прежде всего зависит от катализатора, а также от условий проведения процесса: температуры, давления, концентрации реагентов, растворителя (в случае жидкофазных процессов), времени пребывания реагентов в зоне реакции и других параметров, а также типа реактора. Выбор оптимальных параметров позволяет достигнуть максимальной селективности процесса.

Применение сопряженных методов. Наиболее ярким примером такого производства является кумольный метод получения фенола и ацетона. По этому методу из изопропилбензола одновременно получают два ценных продукта: фенол и ацетон. При этом себестоимость фенола, полученного этим методом значительно ниже, чем себестоимость фенола, получаемого другими методами (из каменноугольной смолы — в 1,8-3,0, из сланцев — в 4,5, из торфа — в 1,1, из продуктов лесохимии — в 1,05 раза). Необходимо также отметить, что качество фенолов, полученных из природного сырья, значительно ниже, чем синтетических.

Себестоимость кумольного ацетона в 2,5-3 раза ниже, чем его себестоимость при получении путем окисления изопропилового спирта. Кроме того, кумольный метод (по показателям ацетона) может конкурировать со способом, основанным на окисление пропилена.

При взаимодействие пропилена и гидропероксида этилбензола одновременно получается два ценных продукта: пропиленоксид и стирол; при взаимодействии пропилена и гидропероксида — трет -бутила — пропиленоксид — изобутилен и триметилкарбинол; совместное окисление пропилена и ацетальдегида позволяет получать пропиленоксид и уксусную кислоту, а совместное окисление пропилена и изопропанола — пропиленоксид и ацетон и т. д.

Такой подход особенно целесообразен, если получать несколько целевых продуктов не только из традиционного сырья, но и при использовании в качестве сырья продуктов, которые не находят еще широкого применения. Примером может служить процесс окислительного метилирования толуола, который позволяет в одну стадию получать из толуола, метана и кислорода одновременно стирол, этилбензол, фенол и крезолы в различных соотношениях. Получение продуктов этим методом обходится значительно дешевле (из 4,63 т толуола, 4,8 м³ природного газа и 4,26 т кислорода можно получить 1 т стирола, 1,243 т бензола, 0,848 т этилбензола, 0,67 т фенола и 0,215 т крезола), себестоимость стирола в этом случае будет в 1,4 раза, а удельные капиталовложения в 2 раза ниже тех же показателей базового варианта получения стирола.

Разработка технологии, позволяющей достигать высоких конверсий. Достижение высоких конверсий реагентов за один проход играет большое значение при создании безотходных производств. Это обусловлено тем, что при малых конверсиях необходимы большие рециклы по сырью, которые будут приводить к значительным энерго- и капзатратам; кроме того, при больших рециклах будут и большие потери этих веществ в окружающую среду.

Конверсия зависит от параметров процесса (температуры, давления, скорости подачи реагентов, соотношения реагентов, топливного эффекта и т. д.). Вместе с тем некоторые параметры, которые приводят к повышению конверсии, могут приводить к понижению селективности, а это приводит в свою очередь к увеличению выхода побочных продуктов. В связи с этим необходимо подбирать оптимальные условия проведения процесса.

Конверсия сырья также в обусловлена техникой безопасности. В частности, взрывоопасные концентрации часто не позволяют достигать высоких конверсий по всем компонентам за один проход сырья.

Совмещение нескольких реакций, направленных на получение одного и того же целевого продукта. При получении многотоннажных продуктов требуется подводить большое количество тепла или отводить его из реакционных устройств, что представляет сложную задачу. В процессах, требующих подвода тепла, возникает задача утилизации тепла нагретых продуктовых потоков. При осуществлении же экзотермических реакций требуется отводить значительное количество тепла. Вместе с тем, в одном аппарате можно проводить реакции, имеющие противоположные теплоты, т. е. одна из них должна протекать с подводом тепла, а другая — с отводом. При одновременном их протекании условия в реакторе приближаются к адиабатическим. Степень приближения условий процесса к адиабатическим зависит от теплоты каждой из реакций; если они равны, то будет наблюдаться адиабатический режим. Добиться его можно и при разных значениях теплоты реакций, если имеется возмож-ность менять производительность по отдельным реакциям, при этом удается значительно снизить теплоту суммарного процесса и не расходо-вать энергию на его проведение. Кроме того, при совмещении реакций повышается конверсия основного сырья и выход целевого продукта. Это обусловлено тем, что один из продуктов основной реакции вступает в следующую реакцию, что смещает равновесие в сторону образования целевого продукта. Например, процессы, основанные на окислительном дегидрировании различных углеводородов и спиртов. В этих процессах применяются в качестве катализаторов оксиды и соли металлов перемен-ной валентности IV, V и VI групп, на которых выделяющийся водород связывается кислородом. Благоприятное воздействие на такие процессы оказывают инертные разбавители, такие как вода, азот, оксид углерода и др.

Дата добавления: 2014-01-11