книги / Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза

С точки зрения технологии целесообразность организации НСРРП, обеспечивающего полную конверсию бутанола и ук­ сусной кислоты, очевидна. В частности, был предложен вариант организации НСРРП (рис. 5.4) с одноотборным режимом в реак­ ционно-ректификационной колонне, работающей при давлении 33,2 кПа, в котором в качестве катализатора используется формо­ ванный КУ—2ФПП в виде цилиндров размером 6x6x4 мм. Ис­ ходные реагенты — бутанол-1 и уксусную кислоту подают в ко­ лонну в эквивалентном соотношении, а воду —с учетом ее количества, выделяющегося в дистиллят в составе азеотропа бу- тилацетат—вода. Бутанол-1 подают в нижнюю часть колонны 1, а уксусную кислоту —в верхнюю часть катализаторного слоя. Ко­ лонна 1 орошается брутто-составом. Отгонные колонны 2 и 3 предназначены для выделения воды и чистого бутилацетата.

В настоящее время спрос на бутилацетат в России превышает предложение. Это обусловлено дефицитностью исходных реаген­ тов: уксусной кислоты и бутанола-1. Вместе с тем в производстве поливинилового спирта в качестве побочного продукта образуется метилацетат, который не находит квалифицированного приме­ нения. Поэтому в настоящее время пытаются подвергнуть его гид­ ролизу:

СЯ3 - (С О )-0 -С Щ + Н20<=>СЩСООН + СНгОН 5.10

Образующиеся по этой реакции уксусная кислота и метанол могут быть использованы при производстве винилацетата и поли-

Рис. 5.4. Технологическая схема получения бутилацетата с одноотборным режимом

222 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

винилового спирта. Этот процесс также может быть организован в режиме НСРРП. Метилацетат может быть успешно использован при получении бутилацетата в режиме непрерывного совмещенно­ го реакционно-ректификационного процесса с использованием сильнокислотных ионообменников:

СНг-(С О )-С Н 3 +СН3СН2СН2СН2ОН+±

Применение метилацетата в качестве реагента для получения бутилацетата вместо уксусной кислоты предпочтительнее, так как последняя вызывает коррозию оборудования. Температура кипения метилацетата —56,3 °С, а уксусной кислоты —118°С, поэтому в слу­ чае использования метилацетата процесс можно проводить при бо­ лее низких температурах, а следовательно, и катализатор (ионообменник) будет работать более длительный срок.

Области непрерывной четкой ректификации смеси метилаце­ тат—метанол—бутилацетат—бутиловый спирт представлены на рис. 5.5.

Врезультате анализа статики совмещенного реакционно-рек­ тификационного процесса было предложено несколько вариантов совмещенного процесса получения бутилацетата из метилацетата, два из которых представлены на рис. 5.6. Эти варианты организа­ ции совмещенного процесса отличаются различной конверсией ис­ ходных реагентов.

Вварианте, представленном на рис. 5.6,а, конверсия бутано­ ла-1 составляет 100% и в дальнейшем будет необходимо разде­ лять азеотропную смесь метилацетата с метанолом. В варианте, представленном на рис. 5.6,б, конверсия метилацетата составляет 100 % и в дальнейшем будет необходимо разделять азеотропную смесь бутанола-1 и бутилацетата.

Б(117,8°С)

Рис. 5.5. Области непрерывной

четкой ректификации в системе метилацетат-метанол- бута­ нол- 1 - бутилацетат

224 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

Рис. 5.8. Технологическая схема получения бутилацетата из метилацетата и бутанола-1 (вариант 2):

1 —реакционно-ректификационная колонна; 2 —ректификационная колонна выделения метанола (/’=0,1013 МПа); 3 - ректификационная колонна выделе­ ния бутилацетата (/*= 0,013 МПа); 4 - ректификационная колонна выделения бутанола-1 (/’=0,1013 МПа)

лонна 3 - при атмосферном давлении. При повышенном давлении азеотроп содержит 45-47 % (мол.) метилацетата. Экономически вы­ годно поддерживать в колонне J пониженное давление (Р= 0,04 мПа). При таком давлении азеотроп содержит 70-72 % (мол.) метилацета­ та (при атмосферном давлении —62—64 %), поэтому уменьшаются рециклы. Снижение давления позволяет повысить относительную ле­ тучесть компонентов.

Во втором варианте (рис. 5.8)^азеотропную смесь бутанол-1 - бутилацетат также делят на двухколонном агрегате, колонны кото­ рого (3 и 4) работают при разных давлениях, но при пониженном давлении азеотроп обогащается спиртом, а не эфиром. Так, в азео­ тропе при Р= 0,022 МПа содержится около 50 % (мол.) бутанола-1 и его температура кипения равна 76,4°С, а при Р=0,0065 М П а - 37% (мол.) бутанола-1 и его температура кипения равна 50,7 °С.

Однако окончательный выбор варианта может быть сделан только после детального технико-экономического сравнения схем процесса.

Следует отметить, что первые два приведенных в этом разделе примера базируются на традиционной организации хемосорбци- онно-десорбционного процесса. Остальные же три базируются на новой концепции: специально подобранном и расположенном в определенной зоне катализаторе и специально подобранных уело-

Глава 6. П ринципы создания безотходных

(малоотходных) производств

0Обшие подходы к созданию безотходных производств.

0 Методологические принципы.

0 Химические принципы.

0 Технологические принципы.

0 Организационные принципы.

0Условия применения принципов создания безотходных производств.

0Экономическое обоснование безотходных технологий.

Защита окружающей среды от загрязнений промышленными выбросами —одно из главных требований, предъявляемых к совре­ менным химическим производствам. С этой целью создаются такие технологические процессы, которые обеспечивают не только количественные и качественные требования к целевым продуктам, но и комплексное использование сырья, разрабатываются и внедря­ ются высокоэффективные методы очистки пылегазовых выбросов и сточных вод, системы контроля за их состоянием. Однако уже в ближайшем будущем такой подход к решению экологических про­ блем будет неприемлем.

На основе принципиально новой технологии необходимо соз­ давать малоотходные или безотходные производства, позволяющие превращать сырье в целевые продукты без теплового загрязнения ок­ ружающей среды, предусматривающие вывод из системы только про­ дуктов, составляющих биосферу. Особую актуальность эта проблема приобретает в связи с ростом масштабов и концентрации производств, увеличением потребления сырьевых и энергетических ресурсов.

Вместе с тем в настоящее время отсутствуют общие принципы разработки технологии как для малоотходных, так и для безотход­ ных производств.

Создание безотходных или малоотходных производств по­ зволяет решать две взаимосвязанные задачи: экологическую и эко­ номическую. Поэтому усилия ученых и инженеров должны быть направлены прежде всего на создание и внедрение ресурсо- и энер­

госберегающих технологий. Такой подход будет определять путь интенсивного развития отрасли.

Современное производство, в том числе и химическое, пока еще с многоотходной технологией, оказывает на природу серьезное не­ гативное воздействие. В атмосферу земли ежегодно выбрасывается более 230 млн т оксида углерода, более 50 млн т различных углево­ дородов, около 170 млн т диоксида серы, свыше 50 млн т оксидов азота и т. д. Не лучше обстоит дело с загрязнением водных бассейнов и земли. А если к этому добавить тепловые, радиоактивные и другие виды загрязнений, которые также отрицательно влияют на многие экологические системы, то будет ясно, что все это сильно сказыва­ ется на условиях жизни вообще и здоровье человека, в частности. Следовательно, учитывая большие масштабы производств, в том чис­ ле основного органического и нефтехимического синтеза, нельзя их создавать и эксплуатировать без учета воздействия на окружающую среду. Необходимо не только отказаться от «потребительского» от­ ношения к природе, от ранее поставленной задачи «покорения ди­ кой природы», а решать задачу гармонического развития человека и природы как единой системы.

В настоящее время необходимо ставить задачу использования природных ресурсов с максимальной не только экономической, но и прежде всего социальной эффективностью. А это значит, что технологические процессы необходимо рассматривать в тесной связи с экономическими, социальными и биологическими про­ цессами.

Учитывая тот факт, что в отрасли основного органического и нефтехимического синтеза производится большой ассортимент (сотни наименований) и большое количество (от десятков до сотен тысяч тонн в год) продуктов, способных загрязнять биосферу, то необходимо создавать технологию, которая позволяла бы сбрасы­ вать в биосферу вещества, которые могут усваиваться природными биологическими системами, только в безвредных количествах. Необходимо также учитывать, что в производствах ОО и НХС ис­ пользуется большое количество сырья, воды и энергии, а, кроме того, за счет химических превращений часто выделяется значитель­ ное количество тепла. Следовательно, необходима такая организа­ ция производства, при которой утилизируются не только большое количество побочных продуктов, но и все выделяемое тепло, как внутри данной системы, так и частично в соседних взаимосвязан­ ных экологических подсистемах.

Во многих производствах выбрасывается в биосферу значи­ тельное количество различных химических веществ (углеводороды, оксиды углерода, азота, серы и др.), загрязняющих ее. Вместе с тем эти вещества могут быть успешно применены в качестве сы­ рья. Для этого необходимо разработать индустрию улавливания та­ ких продуктов и новую высокоэффективную технологию их ис­ пользования.

Уже в настоящее время многие из выбрасываемых продуктов ис­ пользуются в существующих производствах основного органичес­ кого и нефтехимического синтеза. Так, например, на основе СО можно получать муравьиную кислоту (через формиаты), фосген (при хлорировании СО), метан и метанол (при гидрировании СО), пара­ финовые углеводороды (синтез Фишера—Тропша), альдегиды, спир­ ты и другие кислородсодержащие продукты (процесс оксосинтеза). На основе С02можно получать СО (над раскаленным углем), моче­ вину и карбамид (при взаимодействии с аммиаком), СО и серу (при взаимодействии с сероуглеродом), этиленкарбонат (при взаимодей­ ствии с оксидом этилена), оксикислоты и другие продукты. Кроме того, С02может применяться, как «сухой лед» в пищевой промыш­ ленности. На основе оксидов азота можно синтезировать азотную кислоту, а из нее получать нитропарафины (например, нитротолу­ ол, тринитротолуол, нитробензол, анилин) и другие продукты. Прак­ тически все углеводороды могут быть использованы в качестве сы­ рья при производстве различных продуктов основного орга­ нического и нефтехимического синтеза. Растворители после их улав­ ливания и регенерации можно применять многократно.

Таким образом, перед отраслью основного органического и нефтехимического синтеза уже на ближайший период времени встают следующие важные задачи:

Фразработка технологий, которые позволили бы увеличивать вы­ пуск необходимой продукции, не нарушая требований эко­ логии, т. е. безотходных или малоотходных технологий;

Фсоздание новых производств, использующих в качестве сырья «собственные» отходы и выбросы, а также производств других отраслей промышленности;

Фопределение перечня продуктов, которые могут быть усвоены природными биологическими системами;

Фнаучное определение допустимых количеств различных про­ дуктов основного органического и нефтехимического синтеза,

которые могут попадать в биосферу без вредных последствий для окружающей среды и человека;

<$> создание малоэнергоемких производств и производств с ма­ лым потреблением воды.

ОБЩИЕ ПОДХОДЫ К СОЗДАНИЮ БЕЗОТХОДНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

В настоящее время в ряде районов нашей страны из-за кон­ центрации предприятий химической промышленности создалась критическая экологическая обстановка. Однако, если рассредото­ чить химические производства и за счет этого снизить концентра­ цию загрязнения, то экономическая эффективность этих произ­ водств будет ниже (вследствие того что будет нужно организовывать транспортировку сырья и продуктов). Концентрация производств позволяет проще решать экологические задачи (так как в этом слу­ чае побочные продукты или отходы одного производства могут ис­ пользоваться в качестве сырья на другом производстве) и энерге­ тические проблемы; во многих случаях организовывать совместную очистку сточных вод, например за счет нейтрализации «кислых» вод одного производства «щелочными» водами другого.

Выход в каждой конкретной ситуации только один: создавать оптимальную концентрацию безотходных (или малоотходных) про­ изводств на базе технологических или территориальных комплексов. Неотъемлемой особенностью прогресса в химической промышлен­ ности является неуклонное повышение степени комплексности пе­ реработки сырья. Более того, наблюдаемое во всех странах стремле­ ние сократить потребление природных ресурсов и увеличить степень использования вторичных материальных и энергетических ресурсов приводит к значительным изменениям структуры промышленного производства. Тем более, как показывает накопленный за последнее время мировой и отечественный опыт, 80 % экономии материаль­ ных ресурсов связано с внедрением ресурсосберегающих техноло­ гий и лишь 20 % с другими мероприятиями. Таким образом, если экономия самый дешевый и эффективный способ умножения ре­ сурсов расширенного воспроизводства, то ресурсосберегающие тех­ нологии —главный инструмент этого способа.

Более 50 % экономии топливно-энергетических ресурсов в хи­ мической промышленности нашей страны можно получить за счет совершенствования технологических процессов, примерно 20 % —

2 3 0 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

путем более полного использования вторичных энергетических ре­ сурсов и около 25 % - за счет организационно-технических меро­ приятий. Основой повышения энергетической эффективности хи­ мической промышленности считается не только внедрение новых типов технологических установок, но и повышение уровня регене­ рации тепла потоков нагретых продуктов, и на этой базе широкое использование энерготехнологических схем. Следовательно, актуаль­ на задача разработки схем, предусматривающих полную переработ­ ку сырья в продукты с использованием вторичных энергоресурсов на базе принципов рециркуляции и цикличности. При рециркуляции предусматривается создание замкнутых технологических комплек­ сов с возвратом на вход непрореагировавшего сырья, комплексного использования энергии за счет теплообмена между прямыми и об­ ратными потоками.

Кроме того, при создании безотходных и малоотходных про­ изводств необходимо относить к отходам только те вещества, кото­ рые сразу не могут быть использованы в качестве товарных продук­ тов вместе с целевыми продуктами; вовлекать отходы в хозяйствен­ ный оборот в виде сырья, полученного из этих отходов; разрабатывать технологические установки по превращению отходов во вторичное сырье, которое будет более дешевое, чем природное.

Следовательно, в безотходном производстве должен быть ис­ пользован принцип рационального использования всех компонентов сырья и энергии. Все принципы создания безотходных производств, по существу, предназначены для превращения сырья только в про­ дукты при полном использовании энергии системы и малых затра­ тах внешней энергии.

Однако в настоящее время не всегда могут быть разработаны технологии, позволяющие сделать производство безотходным. По­ этому на первом этапе будут разрабатываться и внедряться техно­ логии малоотходных производств. Под технологиями малоотходных производств понимается такой способ производства, при котором количество образующихся отходов вредных веществ меньше их до­ пустимых концентраций в воздушном бассейне, водоемах и почве. Эта технология не является замкнутой, но в ней реализуется прин­ цип максимальной изолированности производства от окружающей сре­ ды. Следовательно, малоотходное производство должно представ­ лять систему, в которой осуществляется принцип круговорота веществ и энергии за исключением сырья и целевых продуктов. Вме­ сте с тем в настоящее время на функционирующих производствах