Технологические принципы

Технологические принципы отражают также как и химические общие тенденции в создании новых производств и совершенствовании действующих, но отличаются от последних тем, что их реализация связана с технологическими приемами и методами, такими как организация потоков, использование совмещенных процессов и др.

Использование рециркуляции по компонентам и потокам. Любой технологический процесс в химических производствах осуществляется с учетом:

– положения равновесия обратимой реакции, которое может быть неблагоприятным и обусловливать низкую конверсию сырья;

– химической активности продуктов реакции, т. е. способности их вступать в дальнейшие химические превращения в условиях получения; это вынуждает проводить процесс при малых конверсиях за один проход и, следовательно, при циркуляции непрореагировавшего сырья;

– необходимости использования одного из реагентов в большом избытке для обеспечения желаемого направления реакции, а, следовательно, его рециркуляции;

– скорости реакций: при наличии очень быстрых реакций иногда часть реакционных продуктов возвращают обратно в реактор, чем достигается их торможение;

– использования рециклов, при организации рециркуляции многократно используют множество вспомогательных веществ.

В промышленности с целью полноты использования сырья и тепла широко используется рециркуляция различных продуктов и потоков.

Можно указать на четыре аспекта эффективного применения рециркуляции: технический, химический, технико-экономический и экологический.

Рециркуляция является эффективным приемом для отвода тепла и поэтому позволяет осуществлять в промышленности высоко экзотермические реакции. Рециркуляция широко используется для достижения 100 %-ной конверсии реагентов при равновесных реакциях, реакциях, протекающих с малыми скоростями, и т. д.

Однако наиболее экономичной технологическая система будет при минимальных рециклах. Замкнутые технологические циклы позволяют с максимально возможной полнотой использовать сырье и исключить или снизить до допустимых выбросы отходов во внешнюю среду. В частности, рециркуляция позволяет достигать полной конверсии сырья, многократно использовать растворители, катализаторы, абсорбенты, экстрагенты, экстрактивные и азеотропные агенты, хладагенты и теплоносители.

Широко применяют также рециркуляцию реакционных продуктов. Такая рециркуляция может быть использована для отвода тепла за счет испарения рециркулята (например, в процессе оксосинтеза), а также в качестве хладагента или абсорбента при использовании конденсатора смешения для конденсации реакционной смеси. С этой целью можно использовать отдельные компоненты или смеси, имеющие высокую теплоту парообразования. Рециркуляцию по отдельным или нескольким компонентам применяют в автоэкстрактивной, экстрактивной, азеотропной ректификации, экстракции, абсорбции, что позволяет разделять азеотропные или близко кипящие смеси и значительно сократить затраты энергии на их разделение.

Применение совмещенных процессов. Правильное применение совмещения различных процессов позволяет повысить не только конверсию реагентов, но и выход целевых продуктов при меньших затратах энергии. Для этого можно совмещать реакционные и массообменные процессы, а также несколько массообменных и несколько реакционных процессов.

Наиболее важное значение имеют реакционно-массообменные процессы, позволяющие, например, в случае равновесных реакций достигать полной конверсии реагентов при высокой селективности процесса. При этом сокращаются энергетические затраты, так как исключаются рециклы по сырью и не нужны аппараты, предназначенные для отделения сырья от целевых продуктов. Особенно большой эффект достигается при использовании специального формованного катализатора, который одновременно выполняет функции массообменных ячеек. В химической технологии находят еще большее применение реакционно-абсорбционные процессы (хемосорбция), реакционно-ректификационные и реакционно-экстракционные процессы. Такое сочетание позволяет улучшать показатели не только реакционных процессов (повышать конверсию и селективность), но и массообменных процессов (за счет протекания реакции преодолеваются ограничения, обусловленные структурой диаграммы фазового равновесия).

Широкое применение найдут такие методы разделения, как автоэкстрактивная ректификация, когда в качестве экстрактивного агента используются компоненты, содержащиеся в самой разделяемой смеси, а также автоабсорбционный и автоконденсационный процессы, в которых в качестве абсорбента или хладагента используются компоненты или фракции конденсата реакционных продуктов. Все эти процессы являются сложными, т. е. в них одновременно протекает несколько массообменных процессов. Совмещенные процессы являются экономически эффективными и экологически чистыми; они не требуют введения новых веществ в систему и, следовательно, эти вещества не загрязняют целевые продукты.

Полнота выделения продуктов из реакционной смеси. В многотоннажных производствах при незначительном содержании примесей в сырье они будут выделяться в значительных количествах (иногда десятки тысяч тонн в год). Любые продукты, побочные для одного процесса, могут служить сырьем для других процессов или производств.

При получении одновременно нескольких целевых продуктов их себестоимость будет ниже, чем в случае, когда их получают отдельно каким-либо методом. Если возможно использовать на последующих этапах смесь нескольких компонентов или какую-то фракцию, выделять все индивидуальные вещества не обязательно, учитывая то, что на разделение тратится большое количество энергии.

Выделение же всех продуктов из реакционных смесей в виде индивидуальных компонентов или их фракций позволяет наиболее полно использовать сырье с целью получения целевых продуктов без загрязнения окружающей среды, т. е. позволяет одновременно решить экономическую и экологическую задачи. Кроме того, в результате различных процессов получают такие продукты, которые после выде­ления можно использовать в качестве топлива на этом же производстве. К ним могут быть отнесены водород, метан и некоторые другие химические вещества. В качестве отходов можно выделять только те продукты, которые нельзя использовать, но можно включить в кругооборот природы, не нарушая его.

Разработка процессов с низким энергопотреблением. Создание такой технологии, которая позволяла бы производить целевые продукты с минимальными затратами энергии, при этом значительно проще решать задачу регенерации тепла. Кроме того, если сокращается расход пара, то сокращается и количество водяного конденсата, который необходимо использовать в производстве.

Сокращение расхода холода также позволяет упростить решение экологических задач. Это обусловлено тем фактом, что в качестве хладагента, во многих случаях используется вода. При охлаждении технологических потоков получается значительное количество теплой воды с невысокой температурой, которую приходится сбрасывать в водоемы без утилизации тепла. Это приводит к тепловому загрязнению водоемов. Применение циркуляции оборотной воды с охлаждением в градирнях или переход к воздушным холодильникам не решают проблемы как утилизации тепла, так и теплового загрязнения. Кроме того, применение градирен приводит к выбросу в атмосферу большого количества пара и капельной воды. Основным направлением в повышении энергетической эффективности производств является снижение их энергоемкости, в том числе за счет использования внутренних ресурсов самой химико-технологической системы.

Полнота использования энергии системы. Многие процессы протекают с выделением большого количества тепла, которое должно отводиться с целью поддержания оптимальной температуры в реакторе, а, следовательно, достижения оптимальных конверсий сырья, выходов целевых продуктов и производительности систем, а также обеспечения безопасных условий ведения процесса. Кроме того, многие даже эндотермические процессы протекают при высоких температурах, а последующее улавливание реакционных продуктов и их разделение на чистые компоненты или фракции протекают при более низких температурах. Необходимость охлаждения реакционных смесей также приводит к появлению вторичных энергетических ресурсов. И, наконец, в большинстве производств образуются побочные продукты, которые могут служить топливом, в частности, и на данном производстве. Отсюда появляется необходимость утилизации тепла практически во всех производствах.

Использование ВЭР не только снижает расход энергии в каждом производстве, но и предотвращает сброс тепла в окружающую среду.

Таким образом, основным резервом экономии тепла в процессах является повышение эффективности использования вторичных энергетических ресурсов (тепло газовых и жидких потоков), уровня регенерации тепла охлаждаемых продуктов, а также внедрение современных энерготехнологических систем. Источниками вторичных энергетических, прежде всего тепловых, ресурсов в отрасли являются: физическое тепло контактных и уходящих газов технологических печей, нагретых продуктовых потоков, тепло парового конденсата и др. Использование имеющихся вторичных топливно-энергетических ресурсов зависит от их количества, энергетического потенциала, возможности использования полученной энергии. При этом в качестве утилизационного оборудования в отрасли уже используются: воздухоподогреватели различных конструкций и размеров, котлы-утилизаторы различных типов, теплообменники, газовые холодильники и другое оборудование.

Использование вторичных ресурсов высокого энергетического потенциала не вызывает затруднений на разных стадиях самого технологического процесса, например, при подогреве исходного сырья и других потоков, которые необходимо подогревать. Пар, получаемый в котлах-утилизаторах, может быть использован в кипятильниках ректификационных колонн и других теплообменных аппаратах.

Труднее использовать вторичные ресурсы низкого энергетического потенциала. Но тем не менее это возможно. Так, водяной конденсат можно применять в котлах-утилизаторах, а его избыток и просто горячую воду — для отопления предприятия и обогрева трубопроводов, заменяя ими водяной пар.

Одним из эффективных методов использования вторичных энергетических ресурсов является производство холода в абсорбционных холодильных машинах, в которых в качестве теплоносителя могут применяться: вторичный пар, перегретый конденсат, горячая вода, горючие газы и др. Наиболее эффективным мероприятием по снижению потерь тепла на предприятиях является максимальная замена греющего пара горячей водой.

Разработка технологии с минимальным расходом воды и использованием ее кругооборота. Большинство химических предприятий относится к числу наиболее водоемких. Так, на производство 1 т нитрилакриловой кислоты расходуется 1960 м³ воды. Вода используется как охлаждающий, так и нагревающий агент, для приготовления различных растворов, в качестве исходного сырья или полупродукта, для улавливания газообразных выбросов, для промывки оборудования и продуктов и других целей. Возможность загрязнения воды ставит прежде всего задачу сокращения ее потребления, а также многократного использования.

Одним из основных принципов разработки технологии для безотходных производств является сокращение потребления свежей воды и переход на замкнутые системы промышленного водоснабжения с повторным использованием в этих системах отработанных сточных вод.

С этой целью на первом этапе решаются следующие задачи:

– разделение систем канализации по характерным видам стоков, подлежащих обязательной очистке на очистных сооружениях, осуществление систем водооборота всех охлаждающих вод;

– возврат в системы промышленного водоснабжения условно чистых и ливневых стоков;

– строительство новых, расширение и реконструкция существующих локальных и общезаводских установок по обезвреживанию высококонцентрированных специфических сточных вод и осадков, получаемых при очистке сточных вод и отходов в процессе производства, с обязательной утилизацией тепла и концентрированных минерализованных рассолов.

Высокое качество очищенной воды достигается за счет применения комбинированной или многоступенчатой очистки сточных, вод, которая может включать в себя следующие методы очистки: механический, биологический, химический, физико-химический, очистку активным углем, обратным осмосом, ультрафильтрацией и др. При этом в каждом производстве в зависимости от количества оборотной воды, количества и качества примесей в ней должна применяться своя система очистки.

Второй этап создания системы оборотного водоснабжения связан с охлаждением оборотной воды. Возможны следующие системы оборотного водоснабжения: с охлаждением воды, с очисткой воды, а также с очисткой и охлаждением воды.

В настоящее время наибольшее распространение получили системы оборотного водоснабжения с охлаждением воды, которые, в свою очередь, подразделяются на замкнутые, полузамкнутые и комбинированные. При этом в замкнутой системе охлаждение технологических потоков или продуктов осуществляется оборотной водой в закрытых теплообменных аппаратах, а оборотная вода охлаждается воздухом в закрытом оребренном теплообменнике.

В полузамкнутой системе охлаждение технологических продуктов происходит также в закрытых теплообменных аппаратах, а охлаждение воды — на градирне или других охладителях.

В комбинированной системе обессоленная или умягченная вода охлаждается оборотной водой в закрытых теплообменных аппаратах, а оборотная вода охлаждается в градирне. В некоторых случаях целесообразнее охлаждать обессоленную или умягченную воду в оросительных холодильниках.

Вместе с тем применение воздушных холодильников, градирен, воздушно-конденсационных установок и др., не решает важных проблем утилизации тепла и теплового загрязнения атмосферы. Это связано с тем, что, с одной стороны, из теплой воды не утилизируется тепло, а с другой стороны, при использование воздушных холодильников или воздушно-конденсационных установок в атмосферу выбрасывается значительное количество теплого воздуха, а применение градирен, как отмечалось ранее, большое количество пара и капелек воды.

Следовательно, необходимо создавать технологию с минимальным использованием воды и способы утилизации тепла из подогретой воды.

Полнота использования газовых потоков и очистка газовых выбросов. В химических и других производствах выделяется значительное количество газообразных побочных продуктов (СО, CO₂, НСl, Cl₂, H₂, N₂, O₂ и др.), а, следовательно, получается большое количество газовых выбросов, содержащих продукты реакций, а также растворители и другие вспомогательные вещества.

В связи с этим очистка газовых потоков от названных веществ позволяет решать одновременно две задачи:

1) экологическую, когда очищаются газовые выбросы;

2) экономическую, когда улов­ленные продукты могут быть использованы на производствах отрасли в качестве сырья или вновь выполнять вспомогательную роль (например, растворителя).

При циркуляции различных газовых потоков с целью полной конверсии сырья или повторного их использования, они должны очищаться от вредных примесей, которые могут являться, например, ядами катализатора. Кроме того, в циркуляционных газах накапливаются инертные примеси и, следовательно, необходимо частично выводить газовые потоки из системы для очистки от них.

Наибольшее количество циркуляционных газов получается за счет большого избытка одного из газовых реагентов в процессе получения целевого продукта. Это обусловлено условиями проведения химического процесса и безопасностью его осуществления. Например, при производстве винилацетата из этилена и уксусной кислоты соотношение этилена и воздуха (кислорода) определяется нижними и верхними пределами взрываемости. Следовательно, должен вводиться избыток этилена или воздуха (кислорода), что приводит к созданию циркуляционных газовых потоков, в которых накапливаются инертные газы.

Во многих процессах специально добавляются инертные газы с целью понижения парциального давления исходных реагентов или для отвода тепла. В этом случае для их повторного использования тре­буется очистка от продуктов реакций.

В окислительных процессах чаще всего в качестве окислителя применяется кислород воздуха. Следовательно, всегда будут газовые выбросы в виде азота и других инертных газов, которые уносят продукты реакций.

К числу наиболее распространенных методов очистки газовых потоков относятся: абсорбционный, хемосорбционный, адсорбционный и каталитический.

В производствах для обеспечения безопасной работы широко используется вентиляция. Вентиляционные выбросы также необходимо очищать от вредных химических веществ. Для наиболее полного извлечения примесей из воздушных и газовых потоков следует использовать совершенные и высокоскоростные методы и соответствующее оборудование.

Применение аппаратов и технологических линий большой единичной мощности. Практически все химические производства были многотоннажными (непрерывно наращивалась мощность отдельных агрегатов и установок производств), но часто за счет использования нескольких параллельно работающих аппаратов или технологических линий с меньшей мощностью. Так, они достигают по производству (тыс. т/год): метанола — 750-1500; стирола — 350; оксида этилена —150-180; винилхлорида —250-500; нитрила акриловой кислоты (НАК) — 50-170; винилацетата — 140; пропиленоксида — 150.

Повышение концентрации производства или агрегатной концентрации производства, т. е. внедрение укрупненных агрегатов и высоко производительных линий, как правило, позволяет увеличить выпуск продукции с меньшими капитальными затратами. Например, при увеличении мощности технологических линий в 4 раза удельные капитальные вложения в производство этилового спирта возросли только в 2,3 раза. Эта экономия достигается в результате сокращения (в расчете на единицу мощности) затрат на изготовление оборудования и его монтаж, а также на строительство зданий и сооружений. Кроме того, снижаются эксплуатационные затраты, возрастает производительность труда.

Укрупнение мощностей агрегатов создает дополнительные условия для внедрения и эффективного использования более прогрессивных систем управления, основанных на использовании современных средств автоматизации.

Применение аппаратов большой единичной мощности как с экономической, так и экологической точек зрения требует более тщательного анализа всей технологии с учетом других принципов ее создания. В частности, наличие агрегатов большой единичной мощности, работающих непрерывно, требует высокой надежности работы как основного, так и всего вспомогательного оборудования, применения ЭВМ для управления.

Кроме того, при наличии агрегатов и технологических линий большой единичной мощности получается большое количество побочных продуктов, для переработки которых необходимо обязательно строить установки на этом же производстве, так как транспортировка их на другие предприятия затруднена. Имеются и другие сложности в применении аппаратов и технологических линий большой единичной мощности: необходимость в специальном монтажном оборудовании, транспортировка его к месту установки, трудности проведения ремонтных работ.

Применение непрерывных процессов. Один из важнейших принципов создания безотходных технологий, что объясняется их преимуществами:

1) создание технологий для безотходных производств требует внедрения новых методов регулирования и управления этими процессами, поддержания стабильности и точности всех параметров работы аппаратов, что облегчается при непрерывном режиме работы производства;

2) возможностью достижения значительно большей производительности оборудования за счет полноты его использования;

3) получением более однородной по качеству продукции, что приводит к значительному сокращению объема некачественной продукции, которая в большинстве случаев не находит квалифицированного использования и требует дальнейшей пе­реработки или утилизации;

4) легкостью автоматизации, в частности, с применением ЭВМ;

5) высокой производительностью труда;

6) отсутствием периодической загрузки сырья и выгрузки продуктов, что значительно уменьшает загрязнение окружающей среды, а также улучшает условия труда;

7) большей безопасностью производства за счет малой вероятности попадания веществ в окружающую среду.

Применение непрерывных процессов позволяет не только повышать экономические показатели производства, улучшать условия труда, но и повышать его экологические показатели, сокращая количество побочных продуктов или продуктов, не соответствующих ГОСТ.

Полнота использования жидких и твердых отходов. В химических и других производствах образуется значительное количество жидких отходов и твердых отходов (отработанные катализаторы, адсорбенты, полимеры и др.). При создании безотходных производств необходима прежде всего их утилизация или переработка. Это возможно сделать при переработке этих веществ в рамках основных технологических процессов (полиалкилбензолы при производстве алкилбензолов) или на отдельных установках в рамках основного производства (регенерация катализаторов, адсорбентов и т. д.). И, наконец, некоторые отходы (полимеры, олигомеры) могут ис­пользоваться в других производствах в качестве сырья. Примером может служить добавка в строительные материалы полимерных отходов, которые обеспечивают водоотталкивание. И только в исключительных случаях жидкие отходы могут использоваться в качестве топлива, если их регенерация сильно затруднена и не найден способ их использования.

Высокая степень автоматизации. Разработка технологии безотходных производств предопределяет взаимосвязь технологии и автоматизации. Наиболее эффективными с точки зрения создания безотходных производств являются непрерывные процессы. А они наиболее эффективны, когда регулируются автоматически. Такие процессы автоматизировать легче, т.к. значения параметров регулирования обычно меняются незначительно. Тем более в безотходных производствах предъявляются жесткие требования к выходным величинам процессов (в частности, максимум выхода основных продуктов, минимум отходов данного производства и исключение потерь различных продуктов).

Автоматизация позволяет значительно повысить надежность и эффективность работы как отдельных аппаратов, так и всей системы в целом, особенно при наличие большого числа разнотипных аппаратов, связанных между собой большими материальными и энергетическими потоками.

В условиях непрерывного увеличения скоростей реакций, роста температур и давлений, укрупнения единичных мощностей агрегатов, технологических линий производств, повышения требований к качеству выпускаемой продукции важное значение имеет внедрение автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП). Причем переход от локальной автоматизации к АСУТП позволяет снизить материальные затраты на производство продукции, повысить производительность технологического оборудования и труда, внедрить более рациональные формы организации производства и повысить надежность всей технологической установки.

Наиболее распространенной является двухуровневая структура технической реализации управления, когда на нижнем уровне имеется ряд мини-ЭВМ, выполняющих задачи подсистемы контроля, управления и частично или полностью решающих задачи подсистемы оперативного управления. На верхнем уровне находится более мощная ЭВМ, которая получает часть информации от мини-ЭВМ и выполняет функции, относящиеся к подсистемам планирования, учета и т. д.

Любой непрерывный технологический процесс характеризуется параметрами состояния, которые с точки зрения АСУТП можно разделить на две группы: системные, определяющие конструктивные особенности элементов системы (мощность установки и отдельных аппаратов, тип оборудования, взаимное расположение аппаратов установки и т.д.) и режимные (скорости потоков, давление, температура, концентрации потоков и т.д.). Некоторые из этих параметров являются управляемыми, а другие не управляемыми.

Управляемые параметры должны удовлетворять следующим требованиям:

1) точно и однозначно характеризовать технологический процесс;

2) должны быть связанными с критерием оптимизации, при этом целевая функция должна либо измеряться непосредственно, либо вычисляться по другим измеряемым параметрам;

3) быть высокочувствительными и существенными;

4) позволять создавать наиболее простые математические модели стационарных и переходных режимов управляемого процесса;

5) быть измеримыми.

Обеспечение высокой надежности и стабильности работы технологической системы. Проблема повышения надежности весьма актуальной и без ее решения вряд ли возможно дальнейшее укрупнение ведущих технологических агрегатов по производству многотоннажной продукции. Непрерывность предопределяет равную надежность всех аппаратов, входящих в технологическую систему. Многотоннажность и применение аппаратов большой единичной мощности требует высокой надежности всех аппаратов, т.к. выход из строя одного из аппаратов не только нарушает работу всего производства, но и может в значительной степени влиять на окружающую среду.

Надежность работы ТС с точки зрения экологии должна предусматривать не только механическую надежность, но и технологическую. Например, обязательно применение специальных аварийных емкостей и аппаратов, в которые сбрасываются газовые и жидкие выбросы при срабатывании соответствующих клапанов в случае значительного отклонения параметров от нормы. Предусматривается и аварийный сброс газов на факел. Это может происходить при повышении давления в аппаратах, при их переполнении жидкими продуктами, при необходимости сброса некондиционных продуктов и полупродуктов и т.д.

Значительное влияние на надежность аппаратуры оказывает коррозия. Поэтому создание нового безотходного производства должно предусматривать условия работы, позволяющие исключить коррозию.

Большое значение при работе уже действующих безотходных производств имеет их стабильность. В частности, значительные колебания состава продуктов реакций, направляемых на разделение и очистку, нарушают оптимальный режим работы соответствующих установок разделения и могут привести не только к ухудшению качества целевых продуктов, но и к увеличению количества отходов и даже к выбросам токсичных веществ.

Дата добавления: 2014-01-11