книги / Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза

мых количествах и требуемого качества. Еще Д. И. Менделеев ука­ зывал: «Главная цель передовой технологии —отыскание способов производства полезного из бросового, бесполезного».

В связи с этим создание современной, экономически целесо­ образной и экологически безопасной технологии производства про­ дуктов основного органического и нефтехимического синтеза, а также принципов управления установками и производствами яв­ ляется важной задачей химиков-технологов разного уровня. Так на уровне бакалавриата изучаются общеинженерные дисциплины и общие принципы химических технологий.

Инженер химик-технолог, подготовленный на базе бакалав­ риата, может проектировать производства и управлять ими. При этом он должен уметь выбирать, как уже было отмечено, эконо­ мически целесообразную и экологически безопасную технологию. И наконец, магистр занимается разработкой теоретических ос­ нов и технологических принципов технологий основного органи­ ческого и нефтехимического синтеза. Эти же задачи решаются при выполнении кандидатских и докторских диссертаций. При этом инженер и магистр должны использовать основы специальных тех­ нологий, владеть методиками экономических расчетов, уметь вы­ бирать наиболее подходящее оборудование и надежную систему контроля и регулирования параметров производства. Для этого они должны знать на необходимом уровне основы конструирова­ ния аппаратов и функционирования контрольно-измерительных приборов с целью создания системы автоматизации производст­ ва. Все эти задачи в настоящее время решаются с помощью элек­ тронно-вычислительной техники и компьютеров. Следовательно, специалисты всех уровней должны уметь пользоваться такой тех­ никой и программным обеспечением. Более того, инженер дол­ жен владеть системами автоматизированного проектирования и управления производством.

Вопросы охраны труда, техники безопасности и охраны окру­ жающей среды для производств основного органического и нефте­ химического синтеза представляют большую актуальность. Знания в этих областях для специалистов, работающих в отрасли ОО

иНХС, необходимы для всех направлений их подготовки.

Инаконец, несмотря на то, что технолог является централь­ ной фигурой при разработке технологии, проектировании и экс­ плуатации производства, он должен работать в контакте с другими специалистами (механиками, автоматчиками, экономистами, элек­

триками и т. д.). Поэтому именно у технолога должно быть особен­ но развито чувство коллективизма и руководителя.

Необходимо также отметить, что технология особенно дина­ мична в отрасли основного органического и нефтехимического син­ теза, в которой достаточно быстро меняются не только режимы, конструкции аппаратов, но и сами способы производства различ­ ных продуктов. Следовательно, необходимо готовить высококва­ лифицированных химиков-технологов, а также систематически по­ вышать квалификацию уже работающих.

Всвязи с этим настоящее пособие будет полезным не только

впроцессе подготовки специалистов, но и при их переподготовке.

Вданном пособии изложены все принципы технологий основ­ ного органического и нефтехимического синтеза с иллюстрацией их применения в конкретных производствах, которые рассматри­ ваются в Московской государственной академии тонкой химичес­ кой технологии им. М. В. Ломоносова в курсе «Принципы химиче­ ских технологий».

Эти курсы систематизируют ранее полученные знания по тео­ ретическим основам реакционных процессов, физико-химическим основам разделительных и совмещенных реакционно-массообмен­ ных процессов, а также по оборудованию заводов и основам проек­ тирования производств отрасли.

Задачи создания и совершенствования производств основного органического и нефтехимического синтеза должны решаться на базе системного подхода, изучающего технологии во взаимосвязи

сокружающими его объектами. Системный подход позволяет в про­ цессе разработки технологии и проектирования производств учесть большинство факторов, влияющих на работоспособность как все­ го производства (системы в целом), так и отдельных ее элементов (установок, цехов), а также взаимосвязи между отдельными аппа­ ратами, установками, входящими в производство или в его состав­ ные части, например цеха.

Другими словами, системный подход дает возможность при со­ здании и проектировании производства рассматривать его как це­ лое, когда разрабатываются отдельные его части и способ их объе­ динения. В связи с этим в пособии рассматривается системный подход, который позволяет создавать и проектировать сложные про­ изводства основного органического и нефтехимического синтеза.

Пособие состоит из двух частей. В первой части изложены тео­ ретические основы технологий основного органического и нефте­

химического синтеза, в состав которых входят системные законо­ мерности, теоретические основы процессов, протекающих

вреакторных узлах, физико-химические основы и технологичес­ кие принципы разделительных и совмещенных реакционно-мас­ сообменных процессов и, наконец, принципы создания безотход­ ных (малоотходных) производств.

Во второй части рассмотрены как теоретические основы, так и сами технологии ряда важнейших производств основного орга­ нического и нефтехимического синтеза. Эти производства выбра­ ны таким образом, чтобы в их технологиях проанализировать все принципы, при этом в каждой технологии рассматриваются прин­ ципы, которые использованы при создании производства, или те, на базе которых может быть усовершенствована технология.

Вданном варианте пособия отдельные главы написаны совме­ стно с проф. А.В. Тимошенко.

Авторы выражают благодарность ст.н.с. JI.B. Костиковой и ст. преп. В.А. Сысоеву за полезные замечания, сделанные в ходе работы над рукописью, а также проф. Ю.А. Писаренко за помощь

вподготовке книги к изданию.

1

Т е о р е т и ч е с к и е о с н о в ы т е х н о л о г и и к р у п н о т о н н а ж н ы х ПРОИЗВОДСТВ

ОРГАНИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ

Глава 1. Технологическое оформление

п р о и з в о д с т в о с н о в н о г о ОРГАНИЧЕСКОГО

И НЕФТЕХИМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА (ООиНХС)

0 Химическая технология как наука.

0Особенности технологии основного органического и нефтехимического синтеза.

0 Структура производства и отрасли.

0 Режимы работы технологических объектов.

0Обшие принципы создания технологических процессов.

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ КАК НАУКА

Технология - это совокупность знаний о способах и средствах проведения производственных процессов (от греч. «техно» —искус­ ство, ремесло или производство; «логос» —учение, наука).

Можно сформулировать технологию как науку о производстве. За последнее время появились более полные определения техноло­ гии. В частности, технологию характеризуют как науку о рациональ­ ных средствах и способах осуществления производственных про­ цессов или науку о рациональных методах и процессах переработки сырья в продукты потребления и средства производства.

Согласно другому определению, технология - наука, изучаю­ щая способы и процессы переработки продуктов природы (сырья) в предметы потребления и средства производства.

По характеру использования исходного вещества издавна от­ личают химическую технологию от механической. В производст­ венных процессах, связанных с применением механической тех­ нологии, у обрабатываемого исходного материала происходит

восновном изменение лишь внешней формы. При этом материал качественно не изменяется.

Химическая технология за счет реакций приводит к качест­ венным преобразованиям исходных веществ. В ней они проявляют свою внутреннюю активность в отличие от пассивной роли

вмеханической технологии. Следовательно, в результате химичес­ кого процесса изменяется не только форма, что может быть и в любом физико-механическом процессе, не только агрегатное состояние, что наблюдается при осуществлении физических про­ цессов, но и молекулярная структура исходных веществ. Сле­ довательно, в химической технологии протекают прежде всего про­ цессы, приводящие к изменению состава, свойств, внутреннего строения и агрегатного состояния исходных веществ. Поэтому хи­ мическая технология позволяет использовать химическую актив­ ность веществ для получения новых соединений и материалов, ко­ торые отличаются по своим физико-химическим свойствам от исходных и могут быть использованы человеком.

Химическая технология может рассматриваться в четырех ас­ пектах:

Ос точки зрения анализа путей превращения сырья в готовые продукты, т. е. с точки зрения выбора способов и методов пе­

реработки сырья на основе изучения различных процессов;

вс точки зрения анализа работы типовых аппаратов и машин (выбора конструкций и параметров их работы) и их взаимо­ связи между собой;

© с экономической и социальной точек зрения; О с точки зрения экологической безопасности.

Как наука химическая технология базируется на законо­ мерностях общей, органической и физической химии, физики, ма­ тематики, общехимических и общеинженерных дисциплин, а также на общетехнологических закономерностях, в основу кото­ рых положен прежде всего системный подход.

Главнейшей задачей технологии является определение наивы­ годнейших условий проведения технологических процессов.

Таким образом, химическая технология фокусирует самые суще­ ственные черты развития науки о производстве. Для нее характе­

16 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

рен также качественно более высокий уровень производственного использования самого вещества, его внутренней активности. Кро­ ме того, химической технологии присуща возможность более пол­ ного использования отходов производства за счет их превращения

вценное сырье для других производств.

Взадачу химической технологии в настоящее время входит не только создание необходимых видов веществ и материалов, но и производство энергии, защита окружающей среды и др. Химиче­ ская технология охватывает широкий круг методов и процессов, которые связаны не только с молекулярным изменением исходных продуктов, но и с фазовыми переходами, используемыми при раз­ делении продуктов химического синтеза.

Всвязи с этим, химическая технология как наука связана с изу­ чением химических, физико-химических, массо- и теплообменных и других процессов, с выбором методов и способов переработки исходного сырья в продукты и предметы потребления, а также сред­ ства производства и, наконец, с выбором маршрута прохождения сырья и полупродуктов по различным аппаратам, связанным в еди­ ную технологическую схему.

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ОСНОВНОГО ОРГАНИЧЕСКОГО И НЕФТЕХИМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА

Технологии основного органического и нефтехимического син­ теза присущи все преимущества химической технологии, к числу которых можно отнести: использование внутренней активности ис­ ходных продуктов; возможность получения продуктов требуемого состава за счет изменения молекулярной структуры исходных ве­ ществ; объективная возможность более полного использования отходов производства; получение энергетически выгодных продук­ тов из природного сырья и др.

Эти технологии обладают рядом особенностей. К их числу мож­ но отнести многотоннажность, непрерывность, многовариантность, многомаршрутность, кооперирование и комбинирование; быстрое об­ новление производства, высокие производительность труда, капитало- и энергоемкость, высокая степень автоматизации, многообразие аппаратурного оформления и др.

Многотоннажность. Производства основного органического и нефтехимического синтеза обеспечивают сырьем практически все другие отрасли народного хозяйства, поэтому они ответственны не

только за выпуск продуктов большого ассортимента, но и за их крупномасштабное производство. Так, например, мировое производ­ ство составляет (в млн т/год) этилового спирта —>2; стирола —>8; фенола - >3; винилацетата - ~2,7. Следовательно, технология долж­ на разрабатываться для многотоннажных экономически целесообраз­ ных производств.

В свою очередь, следствием многотоннажности является, во-пер­ вых, применение в технологии аппаратов большой единичной мощ­ ности и, во-вторых, непрерывность производства. Так, например, еди­ ничная мощность агрегатов синтеза метанола уже достигает 300 тыс.

тв год, а в перспективе не исключена возможность создания устано­ вок синтеза метанола с единичной мощностью 500 и даже 1000 тыс.

тв год. В странах СНГ единичная мощность агрегатов производст­

ва этанола достигает 140, изопропанола - 100, агрегатов оксосинтеза —120—150 тыс. т в год. Действующие установки дальнего зару­ бежья по производству фенола имеют производительность 120—150, а по ацетону —75—90 тыс. т в год.

Увеличение мощностей единичных агрегатов приводит к сокра­ щению удельных капитальных вложений, энергетических затрат, расхода воды и повышению производительности труда.

Непрерывная технология позволяет достигать не только боль­ шую производительность, но и более высокое качество продуктов. Предприятия, работающие по непрерывной технологии и имею­ щие агрегаты большой единичной мощности, являются капитало­ емкими и, главное, энергоемкими, так как в непрерывной схеме используется большое количество аппаратов, расположенных на большой территории. Это требует обоснованного выбора точки строительства предприятия, так как для этого необходимо обла­ дать достаточно дешевой энергией и требуемой площадью.

Многовариантность путей получения одного и того же конечного продукта также характерна для этой отрасли. Это обусловлено, вопервых, тем, что один и тот же продукт может быть получен из раз­ личных видов сырья. Например, винилацетат, являющийся одним из важнейших мономеров, может быть получен из ацетилена или этилена; фенол, используемый для синтеза капролактама и различ­ ных смол, может быть получен из продуктов переработки угля, неф­ ти, сланцев, древесины и др. В то же время один вид сырья может быть использован для получения различных продуктов. Например, из этилена можно получить уксусную кислоту, уксусный ангидрид, этиловый спирт, винилацетат и другие вещества.

18 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных...

Все это приводит к расширению сырьевой базы отрасли. Появ­ ляется возможность выбора наиболее экономичного сырья, а так­ же более полного его использования.

Кроме того, для получения одного и того же продукта могут быть использованы различные химические процессы переработки сырья. Например, стирол мс жет быть получен из этилбензола тер­ мическим дегидрированием, каталитическим дегидрированием, окислительным дегидрированием, а также через гидропероксид этилбензола. За счет этого появляется возможность выбора про­ цесса, позволяющего более полно использовать сырье для получе­ ния целевого продукта.

Снижение затрат на производство возможно не только посред­ ством выбора наиболее дешевого сырья, но и благодаря уменьше­ нию норм его расхода.

Многомаршрутность прохождения промежуточных продуктов обусловлена многочисленностью и многообразием процессов и ап­ паратов, применяемых в технологии основного органического и нефтехимического синтеза. Так, например, если рассматривать только основные процессы и аппараты производства винилацетата из ацетилена и уксусной кислоты, то можно предложить свыше 30 вариантов технологических схем. При этом на каждом этапе были проанализированы следующие варианты:

®использование в качестве катализатора ацетата цинка на акти­ вированном угле или ацетат кадмия на оксиде алюминия;

®проведение основного химического процесса в реакторе со ста­ ционарным слоем катализатора или в реакторе с псевдоожи­ женным слоем катализатора;

®улавливание частиц катализатора с помощью циклонов, уста­ новленных на реакторе, или с помощью струйного скруббера с трубкой Вентури;

©конденсация газообразных продуктов, выходящих из реакто­ ра, в трубчатых теплообменниках или в смесительных аппара­ тах (скрубберах);

©ректификация реакционной смеси проводится по первому ва­ рианту, когда вначале отделяют легколетучие компоненты, а затем выделяют винилацетат, или по второму варианту, когда вначале отделяют винилацетат вместе с легколетучими компо­ нентами, а затем последние отделяют от винилацетата.

На самом деле при исследовании и проектировании рас­ сматривается еще больше технологических схем (до 40 вариантов).

Такие затраты считаются оправданными, если выбран даже не оп­ тимальный, а наиболее приемлемый вариант. Важную роль здесь играет технико-экономическое сравнение вариантов с учетом всех технологических и физико-химических ограничений.

Кооперирование и комбинирование различных процессов, уста­ новок и производств, взаимосвязанных единой технологией, поз­ воляет более полно использовать сырье, утилизировать отходы про­ изводства, объединить последовательные стадии переработки. Например, в пределах одного комбината можно получать ацеталь­ дегид, уксусную кислоту, поливинилбутираль и другие продукты на базе производства винилацетата. В производствах, объединенных единой технологией, в качестве сырья используется этилен, полу­ чаемый при переработке нефтяных фракций. При этом одновре­ менно образуется пропилен, являющийся сырьем для оксосинтеза, а далее 2-этилгексанола и пластификаторов. Для этих же целей мо­ жет использоваться и ацетальдегид.

Широкий ассортимент продуктов основного органического

инефтехимического синтеза требует большого количества произ­ водств. Строительство комбинатов приводит к их сокращению

иснижению себестоимости продуктов за счет сокращения вспомо­ гательных служб, например, водо-, энергоснабжения и др.

Высокая степень автоматизации является важной особенностью производств основного органического и нефтехимического синте­ за. В настоящее время для управления производством применяют­ ся компьютеры, что позволяет более точно соблюдать все техноло­ гические параметры, а следовательно, и повышать качество выпускаемых продуктов и производительность труда.

Совмещенные процессы получили значительное распростра­ нение в производствах основного органического и нефтехимиче­ ского синтеза. Причем имеет место совмещение как нескольких реакционных процессов, так и реакционных процессов с массо­ обменными. Примером первых могут служить сложные химиче­ ские процессы, в которых одна реакция является экзотермической,

адругая —эндотермической. В частности, к таким процессам мож­ но отнести окислительное дегидрирование углеводородов.

Примерами реакционно-массообменных процессов могут слу­ жить реакционно-ректификационные, реакционно-экстракцион­ ные процессы. Такое совмещение наиболее широко и эффективно применяется в обратимых реакциях с целью достижения высоких выходов целевых продуктов.

20 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

СТРУКТУРА ПРОИЗВОДСТВА И ОТРАСЛИ

С технической точки зрения производство основного органиче­ ского и нефтехимического синтеза представляет функциональную систему, в которой осуществляются химико-технологические про­ цессы в определенных апш ратах, имеющих вещественные, энер­ гетические и информационные входы и выходы.

Производство как физическая система представляет собой сово­ купность средств переработки сырья в соответствии с разработанной технологией, так как наиболее полно отражает не только существо­ вание практически всех аппаратов, машин, коммуникаций, прибо­ ров и других реальных предметов, но и материальные и энергетиче­ ские связи между ними.

Любое производство характеризуется системой связанных меж­ ду собой элементов технологического процесса. При этом сырье и вспомогательные вещества в такой системе постоянно находят­ ся в контакте с аппаратами, машинами и приборами. Трубопро­ воды в данном случае также являются элементами системы, по ко­ торым материальные и энергетические потоки перемещаются между аппаратами. Каждая технология основана на определенном способе производства, заключающемся в совокупности всех опе­ раций, которые проходят сырье и полупродукты до получения из них целевых продуктов.

К химико-технологическим можно отнести такие производствен­ ные процессы, которые целенаправленно изменяют химический со­ став сырья, его фазовое и энергетическое состояние с помощью хи­ мических реакций и физико-химических процессов, направленных на достижение определенного состояния реакционной массы и ее разделение на отдельные компоненты или фракции.

Критериями качества функционирования химических процес­ сов служат технологические показатели (производительность, сте­ пень превращения, выход, концентрации, чистота продуктов и др.). Иногда используют технико-экономические показатели (себестои­ мость, расходные коэффициенты и др.).

Состояние процессов характеризуется технологическими параме­ трами —координатами (температура, давление, расходы, концентра­ ции и др.). Число контролируемых переменных в разных процессах колеблется от нескольких десятков до нескольких сотен.

Как известно, производство состоит из ряда связанных между собой химико-технологических и технологических процессов, ко­