Раздел 4

4,4Принцип наилучшего использования сырья

В настоящее время основная химическая и нефтехимическая

промышленности используют, в основном, минеральное сырье, которое делится на рудное, нерудное и горючее (органическое). Рудное

сырье представляет собой твердофазную совокупность минералов,

содержащую сульфиды или оксиды металлов и пустую породу, их вмещающую. Оно применяется для производства металлов и их соединений. Нерудное сырье содержит в своем составе соли, песок, глину, асбест и используется или в естественном состоянии, или перерабатывается на соли и минеральные удобрения. Горючие минеральные ископаемые представлены нефтью, газом, углем и сланцами и в ХТС используются в качестве источников сырья для производства органических продуктов или в качестве топливно-энергетических ресурсов. Так, при производстве аммиака на 1 т расходуется 1200 м³ природного газа, в том числе 650 м³ - на сжигание, а 550 м³ - на синтез.

Минеральное сырье относится к практически невозобновляемым ресурсам. В тоже время, используемые в производстве вода и воздух, в соответствии с круговоротом веществ в природе, относятся к числу возобновляемых ресурсов.

Особым видом сырьевых источников для производства химической продукции являются вторичные материальные ресурсы. Они представляют собой отходы производства и потребления, побочные и промежуточные вещества, образующиеся и не использующиеся в процесс е функционирования данной ХТС.

Бурное развитие химической и нефтехимической промышленности сопровождается непрерывным ростом потребления природных

ресурсов, что приводит к высоким темпам истощения естественных

источников сырья. По оценкам специалистов, запасы многих видов

минерального сырья израсходуются в течение нескольких десятков

лет. Резко падает качество сырья, уменьшается содержание основного компонента, возрастает доля примесей, повышается стоимость добычи. Возрастающий дефицит многих видов сырья является одной из важнейших проблем в химической промышленности.

Вторая проблема связана с большими расходными коэффициентами по сырью, доля которого в себестоимости химической продукции достигает 60%.

И, наконец, неполнота использования сырья приводит к образованию отходов и загрязнению окружающей среды.

Поэтому принцип наилучшего использования сырья включает:

- увеличение степени использования сырья;

- сокращение количества отходов;

- комплексное использование сырья.

Низкая степень использования сырья возникает по следующим

причинам:

термодинамическим (состояние равновесия обратимых реакций не позволяет про водить до конца основную реакцию);

кинетическим (не достигается теоретически возможная степень превращения из-за низких скоростей реакции);

обусловленным механизмом процесса (например, наличием побочных взаимодействий и др.).

Кроме того, на уровне организации производства к ним присоединяются технологические и конструкционные причины. Отсюда формируются основные приемы для увеличения степени использования сырья, базирующиеся на основных химических закономерностях.

1.2. Смещение равновесия при обратимых реакциях.

1.понижение или повышение температуры

2.увеличение или понижение давления

3.избыток реагента

Вывод продукта из зоны реакции

Аналогичный прием применяют и при получении бутадиена де­

гидрированием бутана.

1.3. «Закалка» системы в состоянии, наиболее выгодном для проведения процесса.

В процессе протекания основной реакции получают значительные количества целевого продукта, который впоследствии может

подвергаться нежелательным превращениям, в частности, разлагаться при длительном воздействии высоких температур. В этом случае

температуру необходимо резко понизить, провести «закалку» системы и тем самым снизить скорость разложение устойчивого целевого продукта.

1.4. Противоток веществ.

Использование противотока позволяет не только интенсифицировать процессы массо- и теплопередачи, но и увеличить глубину превращения исходных веществ (сырья).

Минусы-большое сопротивление фаз, большие энергозатраты. Противоток нельзя применять при дисперстности фаз, в солевых системах противоток способствует шламообразованию

1.5. Подавление побочных реакций.

Большая часть химических взаимодействий (основные реакции),

положенных в основу промышленных производств, сопровождаются

побочными реакциями, что приводит к снижению селективности и, следовательно, выхода целевого продукта, его загрязнению, а также усложнению систем разделения и очистки, уменьшению срока службы катализаторов и т. д.

а)Основным приемом воздействия на нежелательные процессы

является регулирование соотношения скоростей основной и побочной реакций. С этой целью чаще всего используют селективный катализатор.

Например, для реакций окисления аммиака:

4NНз + 502 = 4NO + 6Н2 О + 946 кДж, (1.16)

4NНз + 402 = 2NzO + 6Н2 О + 1156 кДж,

4NНз + 302 = 2Nz + 6Н2 О + 1328 кДж

термодинамически наиболее вероятной является реакция.

Использование в процессе селективного платинового катализатора позволяет резко повысить скорость основной реакции (1.16), что приводит к увеличению степени превращения аммиака до оксида азота 2 до 90%.

Б)подбор условий проведения процесса

1.Необходимо стремиться к созданию малоотходных производств, то есть уменьшению количества отходов. В идеале можно говорить о безотходных вариантах производства. Под безотходной технологией понимают такой принцип организации производства, при котором цикл: сырьевые ресурсы - производство - потребление – вторичные ресурсы построен с рациональным использованием всех компонентов сырья, всех видов энергии и без нарушения экологического равновесия.

Суммарный баланс в сфере производства может быть выражено следующим уравнением:

R = А(1 -ϕ) + S,

где R - расход природных ресурсов, кг/сутки;

А - количество отходов, образующихся в сферах производства и потребления, кг/с;

ϕ - средний коэффициент использования отходов (технологически возможная и экологически целесообразная степень использования отходов), кг/кг;

S - количество получаемого продукта, кг/с.

Отходы-вещ-ва не имеющие потребительской ценности .Если им находят применение ,они становятся вторичным материалом.

Таким образом, безотходное производство - это производство с замкнутыми

материальными и энергетическими потоками. Поскольку, реализовать в абсолютном варианте это невозможно, термин «безотходная технология» рассматривается в качестве теоретического предела, идеальной модели, которая может быть реализована лишь частично. Отсюда появляется понятие малоотходная технология – способ производства продукции, при котором вредное воздействие на окружающую среду не превышает уровня, допустимого санитарно-гигиеническими нормами, в частности, ПДК. Такие современные производства, как производство аммиака, азотной кислоты, серной кислоты из серы, метанола, этанола, аммофоса и др. относят к малоотходным или «чистым» технологиям.

1. Использование одного из реагентов в избытке

(относительно теоретически необходимого количества).

Для реакции аА + bВ =rR

а) Избыток реагента приводит к смещению равновесия. для реакции:

SO2+0,5O2=SO3(избыток O2)

Кр=РSO3/P0.5O2*PSO2

C увеличением парциального давления кислорода РО2 возрастает значение знаменателя. А поскольку константа равновесия Кр при данной температуре есть величина постоянная, то возрастает числитель-Р sоз, Т.е. равновесие смещается в сторону образования продуктов реакции.

б) Избыток реагентов ускоряет как химическую, так и диффузионную стадии процессов.

Напомним, что в системе газ - твердое тело скорость rj химической реакции

А +В =R определяется:

R= kCa C_В

а скорость диффузии Rдиф=к А(Стек .-С*)

в) Подавление побочных реакций. Окисление аммиака до оксида азота 1(3 реакции)

избыток кислорода

Избыток бензола предотвращает образование побочных веществ. При выборе компонента, используемого в избытке, необходимо руководствоваться следующими правилами:

1. Реагент, используемый в избытке, не должен быть дорогим.

Наиболее дешевым сырьем в процессах окисления является воздух.

Однако при этом необходимо учитывать, что при использовании воздуха, наряду с кислородом, вводится азот, который при организации рециклов может накапливаться в системе, понижая парциальное давление реагирующих веществ. Кроме того, он' разбавляет полученные продукты, что отрицательно сказывается на последующих стадиях процесса. Так, при конверсии СО водяным паром:

СО + Н2О =С02 + H2 (1.5)

процесс ведут при избытке воды, но большие масштабы производства водорода приводят к тому, что себестоимость водорода определяется расходом водяного пара;

2. Реагент, используемый в избытке, не должен принимать участия в побочных взаимодействиях;

3. Возможность использования избытка реагента для регулирования технологических параметров. Для реакции (1.5) избыток водяного пара позволяет регулировать температуру процесса. В процессе синтеза метанола:

СО + 2Н2 ~=СНзОН (1.6)

избыток водорода способствует смещению равновесия, ускорению

лимитирующей стадии - хемосорбции водорода, регулированию температуры, подавлению побочных реакций, а также увеличивает срок

службы катализатора в результате гидрирования продуктов уплотнения, отлагающихся на катализаторе в процессе синтеза;

4. Легкость регенерации. Например, при синтезе карбамида:

2NНз + СО2 =CO(NН2)2 +Н2О (1.7)

процесс проводят при мольном соотношении NНЗ :СО2 4:1, поскольку возможна его последующая регенерация путем нагревания

раствора с последующим водным поглощением вьделившегося аммиака.

Следует сказать, что применение реагента в избытке не всегда

возможно. Так, при организации циркуляционного процесса на базе

простой реакции избыток любого компонента будет накапливаться и

выполнять функции инертной примеси. Например, синтез аммиака

ведут при стехиометрическом соотношении N2:H 2 = 1 :3, а при синтезе этанола водяной пар берется в недостатке (Н2 О:С2Н4 = 0,8:1), поскольку его

избыток приведет к разбавлению полученного спирта и усложнению последующей стадии разделения.

прогресса. Снижать ресурсы оборудования не имело смысла, необходимо было

его универсально использовать. Наибольшее распространение гибкие системы получили в малотоннажной химии, которая в настоящее время объединяет производства громадного числа продуктов и материалов (несколько десятков тысяч). Это - химические реактивы, лакокрасочные материалы, химика-фармацевтические препараты, пестициды, сорбенты, катализаторы, ингибиторы. Особенностыо «малой» химии является быстрое удовлетворение потребности в высококачественных продуктах сложного состава в сравнительно небольших количествах.

Гибкой называется технологическая система, способная быстро перестраиваться необходимым образом в условиях внутренних и внешних возмущений. В данном случае речь идет не об устойчивости систем в связи со случайными изменениями параметров, а о целенаправленном изменении входных (сырье, энергия) и выходных

(продукт) потоков при соответствующем изменении внутрисистемных параметров. Чем шире допустимый диапазон изменений, тем более гибкой считается система. Гибкие ХТС могут функционировать как в периодическом, так и в непрерывном режимах. При этом ХТС, наряду с минимальной конструктивной избыточностью (по

аппаратуре, коммуникациям, арматуре) должна обеспечивать функциональную избыточность.

При разработке структуры гибких систем осуществляется

блочно-модульный подход: каждый модуль предназначается для

осуществления соответствующего процесса. В состав модуля входят не только основные, но и вспомогательные элементы, а из модулей, представляющих собой соответствующую подсистему, формируется гибкая, периодическая ХТС.

Между модулями не существует жестких связей. Они легко трансформируются, что способствует организации гибкой система. Она может иметь жесткую структуру, когда с помощью одних и тех же модулей получают родственные по свойствам и способам получения продукты (например, соли в технологии реактивов), или элементы модулей остаются теми же самыми, а связи между ними меняются путем переключения через коммуникации. Поскольку гибкие ХТС упрощают процесс расширения ассортимента продуктов,

их разработка особенно актуальна в условиях рыночных отношений. Например, в настоящее время разработана гибкая технология производства некоторых видов удобрений, разрабатываются системы производства метанола и аммиака в единой хтс.

Для сокращения количества отходов необходимо установить причины их образования. В химической технологии основными причинами образования отходов производства являются:

- наличие примесей в сырье;

- неполнота превращения реагентов в целевые продукты;

- протекание побочных реакций;

- образование побочных продуктов в основных реакциях.

Следовательно, для сокращения количества отходов и создания малоотходных

производств необходимо максимальное совершенствование химикотехнологических процессов. Одним из наиболее эффективных приемов уменьшения количества отходов является повышение эффективности каталитических процессов за счет повышения качества катализаторов.

Возможны сл.приемы по сокращению отходов:

1.Создание производств без сброса сточных вод в открытые водоемы. Для этого необходимо:

а) минимальное водопотребление(сокращение потребления свежей воды);

б) создание локальных производственных рециклов отработанной воды с очисткой её на определённом этапе технологической схемы(адсорбция иионообменные методы);

В) очистка и возврат сточных вод.

Г)замена водного охлаждения воздушным;

2.Создание производств не имеющих вредные выбросы в атмосферу:

а) создание непрерывных технологических процессов;

б) укрупнение мощностей(создание агрегатов большой единичной мощности);

В) схемы с рециркуляцией газов;

г) внедрение новых методов очистки газов (абсорбция ионный обмен).

3.Переработка и утилизация побочных продуктов и отходов. Наиболее выгодные условия создаются на комплексном многотоннажном предприятии.

Аммиак и мочевина(безотходное производство)

CH ₄ +2H₂О = CО₂ + 4H₂

N ₂ + 3H ₂ = 2NH₃ (1.8)

CО ₂ + 2NH₃ = (NH₂)₂CО + Н₂О

Главное требование к образ. отходам-они должны легко подвергаться регенерации.