Материал: OKhT_lektsii

Следует учитывать, что ограничение нагрузки может вызываться необходимостью отрогого соблюдения продолжительности контактирования реагентов с катализатором.

4). Использование образующихся в системе разности потенциалов. Если процесс протекает с изменением агрегатного состояния, необходимо использовать теплоту фазового превращения. Так, в процессе ректификации теплота конденсации

(при постоянной температуре) менее летучего компонента расходуется на испарение более летучего. Теплота, выделяющаяся в экзотермическом процессе, может использоваться для проведения эндотермической реакции, что имеет место, например, в шахтном конверторе паровоздушной конверсии метана, где протекают реакции:

СН4 + Н2 О ~ СО + 3Н2 - 206,4 кДж,

СН4 + 0,502 = СО + 2Н2 + 34,7 кДж.

Аналогичный прием используется в производстве Формальдегида

СНзОН + 0,502 = НСОН + Н2 О + 156,3 кДж,

СНзОН ~ НСОН + Н2 - 85,3 кДж.

Типичным примером использования возникающих в системе

разности потенциалов является использование в технологии азотной

кислоты энергии хвостовых газов после очистки от оксидов азота

(температура 700 0 С) для привода турбины компрессора, подающего в

систему воздух. Этот прием используется практически во всех многотоннажных энерготехнологических системах, что позволяет повысить экономичность их функционирования.

5). Разработка энерготехнологических схем (химико­энергетических системХтС). Энерготехнологическая система сочетает производство химической продукции с одновременным получением энергии. При этом уменьшается количество не утилизированного низко потенциального тепла и улучшаются 'экономические показатели процесса.

Структура ХЭС включает реакционное оборудование, осуществляющее целевое химическое превращение, систему выделения товарного продукта, а также жестко связанные с ними узлы преобразования энергии: генераторы водяного пара, высокотемпературные печи, рекуператоры тепла, турбогенераторы и турбокомпрессоры и т. п.

Энергия, производимая одновременно с товарным продуктом, может быть использована как на данном производстве, так и передана стороннему потребителю.

К энерготехнологическим системам следует отнести производство аммиака, азотной кислоты, метанола, серной кислоты и др. Наибольших успехов энерготехнология достигла в азотной промышленности и основном органическом синтезе. Этому способствовала разработка непрерывных процессов на основе агрегатов большой единичной мощности, позволяющих концентрировать энергию.

Реализация систем, включающих агрегаты большой единичной мощности, позволяет:

-снизить удельные капитальные затраты и уменьшить себестоимость продукции (на 15-20% при удвоении мощности);

- повысить производительность труда;

- уменьшить материалоемкость и сократить производственные площади.

Кроме того, становится рентабельным использование сложной системы автоматизации и регулирования параметров процесса. Следует, однако, отметить, что данные системы имеют и существенные недостатки:

- наличие жестких связей между отдельными элементами и

подсистемами;

- возрастает цена времени (вынужденные и незапланированные остановки приводят к большим затратам);

- залповые выбросы при продувке систем оказывают значительное отрицательное воздействие на окружающую среду;

- требуется высокая степень надежности агрегата;

- конструкционные и технические сложности монтажа агрегата.

4.3.2. Понятие эксэргия. Эксергия топлив

Эксергия — предельное (наибольшее или наименьшее) значение энергии, которое может быть полезным образом использовано (получено или затрачено) в термодинамическом процессе с учётом ограничений, накладываемых законами термодинамики; та максимальная работа, которую может совершить макроскопическая система при квазистатическом переходе из заданного состояния в состояние равновесия с окружающей средой (эксергия процесса положительна), или та минимальная работа, которую необходимо затратить на квазистатический переход системы из состояния равновесия с окружающей средой в заданное состояние^[1] (эксергия процесса отрицательна^[2]).

Альтернативны источники энергии

1. Гидроэлектростанция ( плохо со стороны экологии)

2. Атомная энергетика (опасно)

3. Солнечная энергия

4. Ветровая энергия

5. Приливные станции

Аспекты

1. Ресурсосбережение

CaCO3+ Fe+H2O C_nH_n+2

2. Экономика

3. Экология КПД= от 40 до 45 %

Истоичники энергии в ХТС

1. тепло экзотермических реакций

2. Потенциально горючих отходов

3. Высокотемпературные процессы

Теплообмен

1. Непосредственный теплообмен горячим потоком нагревается какой-то объём с непосредственным контактом (смеси и газов)

2. С использованием промежуточных теплоносителей

3. Через стенку ( непосредственного контакта нет) Металлы должны быть термически стойкими.

Приёмы ресурсосбережения:

1. Изоляция аппаратов , работающих при повышенных Т

2. Рекуперация тепла ( использование горячих выходных потоков для подогрева)

CH4+0,5 O2-> CO+2H2

3. Получение пара в котлах утилизатора.

Газ между катализаторной коробкой и стенками аппарата

4.Турбокомпрессоры

5. Турбогенераторы

6. Создание энерготехнологических систем

7. Совмещение в одном реакторе реакций с противоположным тепловым эффектом

4.4Принцип соразмерности.

Устанавливается противоречие возникающих при реализации основных технологических принципов. Противоречия могут быть физико-химическими, технологическими ,экономическими.

Основные противоречия:

-между термодинамикой и кинетикой Т

N2+3H2=2NH3 экзотерм, понизить температуру, а что бы увеличить скорость повысить температуру

-между выходом и скоростью

SO2+0.5O2=SO3+Q

Увеличение температуры приведет к увеличению скорости, но уменьшению выхода-решение ЛОТ. При высокой температуре –высокая скорость, при низкий температуре –высокий выход

-Между выходом и экономикой

СH4+H2O=CO+3H2 необходимо понизить давление для смещения равновесия в сторону продуктов, но на последующих стадия нужно высокое давление, так что повышаем давление на первой стадии

Принцип технологической соразмерности Этот принцип связан с улаживанием всех противоречий, возникающих при реализации первых четырех принципов. Очень часто возникает ситуация, когда, например, реализация принципа максимальной интенсивности процесса входит в противоречие с требованиями принципа экологической безопасности. Или необходимость выполнения принципа наилучшего использования сырья не согласуется с требованиями принципа наилучшего использования энергии. Принцип технологической соразмерности определяет приемы, позволяющие найти компромисс, оптимум для максимально возможной реализации остальных технологических принципов.

4.5.Принцип экологической безопасности

Основное содержание принципа экологической безопасности:

«НЕ НАВРЕДИ!»

Промышленные предприятия, в том числе химические, воздействуют на окружающую среду уже самим процессом функционирования. Промышленное строительство, прокладка инженерных и транспортных коммуникаций и особенно расширение добычи полезных ископаемых приводят к резкому возрастанию количеств территорий с нарушенными почвами и рельефом. Техногенные нарушения природной среды связаны с ландшафтными и экологическими нарушениями.

К ландшафтным нарушениям относятся:

- нарушение земельных угодий в результате прокладки трубопроводов, линий электропередач, дорог;

- отвод земляных участков под промышленные объекты и, соответственно, изъятия их из сельскохозяйственного и рекреационного оборотов;

- выработанные пространства в результате добычи полезных ископаемых;

- отвальные площади и шлаконакопители.

Экологические нарушения включают:

- изменения гидрогеологии в регионе;

- загрязнение прилегаюших территорий, воздушного и водного бассейнов.

Производство воздействует на все составляющие биосферы:

-атмосфера: забирается воздух в качестве сырья и для других

технологических нужд; выбрасываются с газами вредные вещества,

да и выброс безвредных веществ может нарушать экологическое равновесие;

- гидросфера: забор воды в качестве сырья и для других технологических нужд (например, в качестве охлаждающего агента в теплообменниках); истощение континентальных гидроресурсов и их загрязнение;

- литосфера: истощение запасов природных ресурсов; загрязнение поверхности земли отходами производства и потребления; невозобновляемые ресурсы уничтожаются (например, ископаемое топливо), и рассеиваются (например, металлы).

Основное негативное воздействие предприятий на окружающую

среду связано с образованием отходов, загрязняющих биосферу газовыми выбросами, сточными водами и твердыми отходами. К отходам относятся вещества, которые утратили свои первоначальные качества, не соответствуют требуемым стандартам и не обладают потребительской ценностью.

Поэтому, как только отходы при обретают потребительскую цен­ность, то переходят в разряд вторичных материальных ресурсов (БМР) или вторичных энергетических ресурсов (БЭР).

Необходимо различать отходы и побочные продукты. Побочные продукты - стандартизированные вещества, получаемые попутно в процессе химического производства, имеющие потребительскую ценность, но не являющиеся целевыми продуктами данной технологии. Например, отходящие газы обжига сульфидных руд, содержащие S02, используются в производстве серной кислоты или серы.

Следует отметить, что биосфера функционирует по циклическим принципам, в то время как производственная деятельность осуществляется по линейным принципам:

Сырье= производство = потребление (отходы,отходы)

Интересно отметить, что химические предприятия выбрасывают меньше вредных веществ, чем предприятия металлургии, ТЭЦ или автотранспорт, но более токсичные и в гораздо большем ассортименте. Кроме того, низкий кпд использования энергии в химикотехнологических системах (не более 40%), приводит к тепловым выбросам, нарушающим экологическое равновесие в зоне функционирования предприятия, а в глобальном масштабе - к тепловому загрязнению планеты.

Рассеивание тепла влияет на температурный режим среды обитания всего живого и может нарушить динамику про исходящих в ней процессов. Тепловые выбросы ХТС - это тепло дымовых газов; тепло, выводимое оборотной водой и с воздушным охлаждением; потери тепла в окружающую среду. Тепловые отходы образуются из-за неполноты использования тепловых и энергетических ресурсов. Реализация принципа наилучшего использования энергии в ХТС позволяет сократить тепловые выбросы,

Наиболее сложным является утилизация именно низкопотенциального тепла (потоки с температурой 100-200°С). Например, в достаточно совершенной ХТС по производству азотной кислоты температура выхлопных газов, несмотря на предварительную утилизацию их энергии, составляет 170°С.

На современном этапе основным направлением развития химической промышленности является создание «безотходных производств.

В настоящее время под безотходной технологией понимают такой принцип организации производства, при котором цикл: сырье­

вые ресурсы - производство - потребление – сырье построен с рациональным использованием всех компонентов сырья, всех видов энергии и без нарушения экологического равновесия:

Таким образом, безотходное производство - это производство С

замкнутыми материальными и энергетическими потоками.

Учитывая тот факт, что 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 - малоотxодная технология - способ производства продукции, при котором вредное воздействие на окружаюшую среду не превышает уровня, допустимого санитарно-гигиеническими нормами (в частотности, ПДК). в настоящее время применяется, в основном, термин «чистое производство» - это производство, которое характеризуется непрерывным и полным применением к процессам и продуктам природоохранной стратегии, предотвращающей загрязнение окружающей среды таким образом, чтобы понизить риск для человечества и окружающей среды. Например, такие современные производства, как производство аммиака, азотной кислоты, серной кислоты (из серы),

метанола, этанола, аммофоса и ряд других можно отнести к разряду малоотходным технологиям.

Однако, следует иметь в виду, что, например, для производства аммофоса путем взаимодействия аммиака с фосфорной кислотой необходимо предварительно провести операции обогащения апатитовой руды и разложения полученного концентрат (СаS(Р04)зF) серной кислотой:

СаS(Р04)зF + 5H 2 S04 = 5CaS04 ~ + 3НЗР04 + HF.

При этом на каждом этапе обрауется огромное количество отходов,

а проблема утилизации образующегося гипса (фосфогипса) является

одной из самых актуальных в технологии минеральных удобрений.

Это наглядный пример функционирования химического производства в единой системе и его ,следует учитывать при разработке малоотходных технологий.

Главное требование к образующимся отходам - они должны

легко подвергаться регенерации, а переходящие в окружающую сре­ду вещества должны быть ассимилированы экологическими системами. Примером образования подобного рода отходов является каталитическая очистка отходящих газов производства азотной кислоты.

Оксиды азота, остающиеся в отходящих после абсорбции газах, восстанавливаются метаном на аллюмопалладиевом катализаторе при температуре 700 0 С:

4NO + СН4 = С02 + 2Н2 О + 2N 2

Образующиеся при этом вещества легко включаются в соответствующий природный цикл. К недостатку данного метода следует отнести выброс большого количества СО2, что особенно актуально для агрегатов большой единичной мощности. Замена метана на аммиак позволит устранить это недостаток. Следует отметить, что допустимые пределы воздействия на окружающую среду определяются ус­тойчивостью соответствующих экосистем. Под термином устойчивость понимают способность системы сохранять свои свойства при изменении параметров её функционирования. Величина воздействия, которое данная система может перенести без вреда для себя, называют буферной емкостью системы. Воздействие, большее буферной

ёмкости, приведёт либо к перерождению системы, а в худшем случае

- к её гибели. Поэтому необходимо постоянно следить за последствиями воздействия производственных систем на окружающую среду

- проводить сё мониторинг*) и уменьшать, либо прекращать это воз­действие когда появляются первые признаки превышения буферной емкости.

Суммарный баланс в сфере производства может быть выражено

следующим уравнением:

R = А(1 -фи) + S,

где R - расход природных ресурсов, кг/с; А - количество отходов,

образующихея в сферах производства и потребления, кг/с;

У - средний коэффициент использования отходов (технологически

возможная и экологически целесообразная степень использования отходов), кг/кг;

S - количество получаемого продукта, кг/с.

Как видно, для уменьшения расхода природных ресурсов необходимо понизить удельное количество отходов производства A(l-Y).

Это возможно либо за счет сокращения количества образующихся отходов (А), либо за счет повышения среднего коэффициента использования отходов (У). Какой путь выбрать определяет техническая возможность предприятия и экономическая целесообразность.

Чтобы сократить количество образующихся отходов, необходимо установить причину их образования. Так, в химическом производстве

основными причинами образования отходов являются:

- наличие примесей в сырье;

-протекание побочных реакций;

- неполнота протекания основного взаимодействия;

- образование побочных продуктов в основных реакциях.

Следовательно, для сокращения количества отходов и создания "чистых" производств необходимо осуществлять максимальное совершенствование ХТС при комплексном использовании сырья.

Необходимо отметить, что практически все сырьевые источники

многокомпонентны и в среднем, примерно, 30% стоимости составляют сопутствующие компоненты. При комплексном использовании

сырья основным производственным операциям получения целевого

продукта сопутствуют дополнительные операции по извлечению

ценных, но не нужных основному производству веществ и переработки их в товарные продукты или полуфабрикаты, поставляемые другим предприятиям. При этом снижаются суммарные капитальные затраты, уменьшается себестоимость продукции, сокращается количество отходов производства.