книги / Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза

трудно создать даже малоотходные технологии. При условии роста масштабов производства и высоких экологических требованиях можно определить два принципиально отличных друг от друга на­ правления получения продуктов основного органического и неф­ техимического синтеза.

Первое направление предусматривает реконструкцию дейст­ вующих производств и создание технологии с глубокой очисткой газовых выбросов, воды, вводимой из производства, и твердых от­ ходов от вредных для природы и здоровья человека веществ. Такой путь уже нашел в настоящее время широкое распространение в про­ мышленности основного органического и нефтехимического син­ теза, но он малоэффективен, поскольку не позволяет решить про­ блему кардинально. С помощью очистных сооружений не всегда удается полностью освободить выбросы от вредных продуктов, сле­ довательно, не удается предотвратить их попадание в биосферу. Та­ кой путь имеет и другие недостатки: очистные сооружения явля­ ются дорогостоящими, так как они занимают большие площади, создают новые проблемы уничтожения твердых выбросов и отстоев, потребляют значительное количество материалов, энергии и др. Следовательно, этот путь неперспективен, но в течение еще неко­ торого времени он будет применяться.

Второе направление, в котором безотходные и малоотходные тех­ нологические процессы в максимальной степени имитируют при­ родные процессы (особенно кругооборот в природе), является пер­ спективным, более радикальным и экономичным. Однако оно пока не нашло широкого распространения: реконструировать сущест­ вующие производства до такой степени практически невозможно, так как в них заложена технология, по которой предусматривается вывод из системы разных потоков; технология для безотходных про­ изводств часто дороже, если рассматривать ее с позиций узкове­ домственных или с позиций сегодняшнего дня, т. е. без учета эко­ логического и даже экономического ущерба от вредных выбросов или очистки от них, и не учитывать стоимость утилизируемых по­ бочных продуктов.

Тем не менее в настоящее время пока необходимо использовать оба пути, чтобы доводить технологию действующих производств до «чистой». На данном этапе к решению таких задач требуется под­ ходить с учетом экономического фактора.

Как уже отмечалось, такие производства на первых порах мо­ гут оказаться более дорогими и неконкурентоспособными. В таких

232 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

случаях на определенном этапе необходимо создавать производст­ ва с очистными сооружениями. Вместе с тем следует иметь в виду, что одним из главных направлений охраны природы в условиях раз­ вития отрасли основного органического и нефтехимического син­ теза все-таки является такая организация производства, при кото­ рой все виды вовлекаемого в переработку сырья используются полностью и полностью превращаются в товарные продукты. Это может быть сделано только при создании безотходной технологии. В настоящее время при проектировании производств все большее значение приобретают показатели материало- и энергоемкости про­ дукции, так как они не только показывают затраты сырьевых и энергетических ресурсов, но и приобретают «экологическое» зву­ чание. Эти показатели позволяют конкретно установить эффектив­ ность природопользования, т. е. определить, сколько конечного продукта будет дано обществу из взятого у природы сырья и сколь­ ко на это будет затрачено энергии.

Для наиболее эффективного использования многокомпонент­ ного сырья в безотходном производстве должен соблюдаться прин­ цип его комплексного использования', материальный субстант, вве­ денный в технологический процесс, полностью перерабатывается, а полученная при его переработке продукция используется в полном объеме и ассортименте. При этом вовлечение каждого продукта в производственно-хозяйственный оборот на практике связано со многими одновременно действующими факторами ор­ ганизационного, технического, экономического и социального ха­ рактера. Повышение уровня комплексного использования много­ компонентного сырья в значительной степени будет способствовать упразднению деления продукции на основную (целевую) и побоч­ ную (нецелевую). Побочная продукция приобретает все свойства целевой продукции, но полученной в специализированном (неком­ плексном) производстве или в комплексном, как основная. Более того, основная и побочная продукция общего производственного процесса образуется одновременно из многокомпонентного сырья при одних и тех же технологических условиях и в одних и тех же технологических аппаратах. Необходимо отметить, что для полу­ чения одних продуктов эти условия и аппараты являются оптималь­ ными, а для других нет. Поэтому последние получаются в меньших количествах. Следовательно, деление на продукты, имеющие раз­ ную экономическую значимость, неправомерно.

Взадачу технологов входит прежде всего разработка таких тех­ нологий, в которых бы максимально использовался кругооборот природных веществ и энергии при получении из сырья только це­ левых продуктов. При этом необходимо иметь в виду, что с этой целью могут применяться технологические комплексы разных масштабов.

Энергосберегающая технология. Цель энергосберегающей поли­ тики, проводимой в химической промышленности, —не только снижение энергопотребления при росте выпуска продукции, но и снижение тепловыделений и других энергетических составляющих

вокружающую среду. Комплексное использование энергетических ресурсов в химико-технологических процессах —один из наиболее эффективных методов совершенствования производства, позволя­ ющий ликвидировать или резко сократить выделение тепла в окру­ жающую среду, достичь полного использования энергетического потенциала.

Вхимической промышленности энергоемкие производствен­ ные процессы часто являются одновременно источниками вто­ ричных энергетических ресурсов. К вторичным энергоресурсам (ВЭР) относятся: горючие (топливные) отходы химических про­ изводств, тепловые выбросы, возникающие как побочный резуль­ тат экзотермических реакций или содержащиеся в отработанных материалах, в том числе в сбросных жидкостях и газах сравни­ тельно низкой температуры (низкотемпературные тепловые ВЭР), энергия избыточного давления и др. Горючие отходы, как правило, используют на предприятиях полностью, за исключе­ нием тех случаев, когда их сжигание сопряжено с техническими трудностями.

Энергия же избыточного давления продуктов почти не ис­ пользуется, так как отсутствует необходимое оборудование. Низко­ потенциальные ВЭР в перспективе можно использовать в абсорб­ ционно-холодильных установках для производства холода и установ­ ках для выработки тепловой энергии. Выработка холода в абсорбци­ онных холодильных установках с использованием бросового тепла

исоздание станций теплохолодоводоснабжения на базе абсорбци­ онных насосов позволяет обеспечить предприятия теплом (/=80°С),

холодом (/=—5 + +7°С), охлажденной технической водой (/=20°С) и одновременно существенно повысить качество технологического водоснабжения.

234 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

Главным же направлением в энергосберегающей технологии является создание замкнутых энерготехнологических циклов, где энергетический потенциал, недоиспользованный на одной из ста­ дий процессов, используется на смежных стадиях.

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ

В декларации Общеевропейского совещания по сотрудничест­ ву в области охраны окружающей среды (Женева, 1979) содержит­ ся следующее определение: «Безотходная технология есть практи­ ческое применение знаний, методов и средств с тем, чтобы в рамках потребностей человека обеспечить рациональное использование природных ресурсов и энергии и защитить окружающую среду». Другими словами, под безотходными подразумеваются такие про­ изводства, которые позволяют из сырья при воздействии различ­ ных видов энергии, вспомогательных материалов, катализаторов и других технологических факторов в специально взаимосвязанных аппаратах получать только целевые продукты без выхода из техно­ логической системы потоков, содержащих вещества и различные виды энергии, загрязняющие биосферу.

При создании безотходных производств применяются следу­ ющие методологические принципы:

1.По возможности полное использование сырья для про­ изводства продукции при максимальной экономии энергии, вспомогательных материалов и, в первую очередь, воды в рам­ ках функционирования каждого предприятия.

2.Использование побочных продуктов и отходов одного произ­ водства для другого, для которого они могут служить сырьем; создание на этой основе комбинатов, на предприятиях которых происходит последовательное углубление переработки сырья.

3.Территориальное и функциональное объединение в систему комплексного производства комбинатов разнотипных пред­ приятий, перерабатывающих различные химические вещества.

4.Дополнение указанных производственных комплексов пред­ приятиями, осуществляющими завершающую переработку от­ ходов в вещества, которые могут служить сырьем для других производственных комплексов или являются составляющими биосферы.

5.Расширение производственных связей между разными безот­ ходными производственными комплексами и повышение тем

самым степени замкнутости общей производственной системы как в хозяйственном, так и в биогеохимическом отношении.

6.Ликвидация ранее допущенных нарушений равновесия в при­ роде.

7.Повышение надежности работы всех установок и производств в целом.

Таким образом, в задачу безотходных производств входит ком­ плексная переработка определенного количества сырья в целевые продукты, являющиеся сырьем для других производств, и в чистые природные вещества (воздух, воду, нейтральную минеральную мас­ су, способную включаться в качестве материнской породы в обра­ зование плодородной почвы и т. д.).

Однако решить эту задачу в рамках одной отрасли трудно, так как должны охватываться все аспекты проблемы: технологические, социально-экономические, экологические, образовательные и культурно-воспитательные, правовые, информационно-обеспе- чивающие и даже международные. Для этого должна действовать общегосударственная долгосрочная комплексная программа охра­ ны природы, рационального использования и воспроизводства природных ресурсов, поддержания оптимального состояния окру­ жающей природной среды, включающая подпрограммы решения вышеназванных проблем.

Обобщающим принципом при организации безотходных произ­ водств является системный подход, который следует использовать при создании, проектировании и эксплуатации производства. При­ менение системного подхода при создании и проектировании про­ изводств основного органического и нефтехимического синтеза крат­ ко рассмотрено в гл. 2.

Остальные более конкретные принципы, направленные на полное использование сырья и энергетических ресурсов, а также на охрану окружающей среды, могут быть подразделены на три группы:

О химические;

©технологические;

©организационно-управленческие.

Во многих случаях один и тот же принцип может быть направ­ лен как на полное применение сырья, так и на сокращение ис­ пользования внешних энергетических ресурсов, а также защиту окружающей среды.

236 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

ХИМИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ

Химические принципы отражают общую тенденцию в созда­ нии новых производств и совершенствовании действующих. Общ­ ность их заключается в том, что все они реализуются в виде кон­ кретных химических приемов и методов, позволяющих приблизить производство к безотходному ресурсосберегающему производству.

Создание малостадийных (одностадийных) химических процессов.

Сокращение химических стадий при получении из сырья целевых продуктов снижает, как правило, количество побочных продуктов. При этом также не только сокращаются расходы энергии, но и умень­ шается число потоков, которые необходимо перерабатывать и энер­ гию которых необходимо утилизировать. В таких технологических процессах в большинстве случаев сокращается количество газовых потоков и воды, которые следует очищать от вредных примесей.

Вконечном счете себестоимость продукта, полученного по методу

сменьшим числом стадий, как правило, ниже. В этом случае необ­ ходимо проводить сравнение затрат на производство одного и того же продукта разными методами на базе одного и того же сырья. Это обусловлено тем, что затраты на сырье и материалы в общей сумме эксплуатационных затрат составляют в производствах основного ор­ ганического и нефтехимического синтеза от 60 до 95 %.

Так, например, если принять приведенные затраты в производстве бутадиена и изопрена методом двухстадийного дегидрирования «-бу­ тана и изопентана за 100 %, то приведенные затраты при одностадий­ ном дегидрировании н-бутана до бутадиена составят 77 %, а при од­ ностадийном дегидрировании изопентана до изопрена —83 %. Дру­ гой пример: производство 2-этилгексанола, основанное на альдольной конденсации ацетальдегида, включает следующие стадии превращения реагентов: этилен —»ацетальдегид —»кротоновый альдегид —>масляный альдегид —> 2-этилгексеналь - » 2-этилгексанол.

Впроцессе оксосинтеза, позволяющего сразу из пропилена получить «-масляный альдегид, число стадий значительно сокращается: про­ пилен —»«-масляный альдегид —>2-этилгексеналь —»2-этилгексанол.

Впоследнем случае себестоимость 2-этилгексанола значительно ниже.

Разработка методов получения продуктов из доступного и дешево­ го сырья. Как правило, все новые методы получения продуктов ос­ новного органического и нефтехимического синтеза направлены на

замену сырья более дешевым, сокращение числа стадий, уменьшение энергетических затрат, а также количества побочных продуктов.

Рассмотрим несколько примеров. Наиболее характерным яв­ ляется замена пищевого сырья на непищевое (в основном нефтя­ ное) в производстве бутадиена. Такая замена в свое время позволи­ ла существенно уменьшить издержки производства, поскольку себестоимость бутадиена из синтетического спирта в 2 раза ниже себестоимости бутадиена из пищевого сырья, а удельные капиталь­ ные вложения при производстве бутадиена из синтетического сы­ рья ниже в 3 раза.

Анализ зарубежных технико-экономических показателей про­ изводства винилхлорида разными методами, использующими раз­ ное сырье, показал, что себестоимость винилхлорида, полученного по комбинированному методу из этилена и ацетилена,на 15 % ниже, а при оксохлорировании этилена - на 30 % ниже, чем себестоимость винилхлорида, полученного гидрохлорированием ацетилена. Таким образом, в результате замены ацетилена этиленом в производстве винилхлорида доля затрат на сырье снизилась с 80 до 65 %.

При производстве ацетальдегида прямым окислением этилена достигается экономия эксплуатационных затрат на 15% по срав­ нению с затратами на парофазную гидратацию ацетилена. Подоб­ ным же примером может служить производство винилацетата из ацетилена и этилена. Сравнение технико-экономических показа­ телей производства винилацетата парофазным методом из ацети­ лена и уксусной кислоты и винилированием уксусной кислоты по­ казывает преимущество последнего (издержки производства ниже на 15 %). Причем основная часть экономии достигается за счет сни­ жения затрат на сырье.

Оценка новых методов производства может быть проведена на примерах производства крупнотоннажных мономеров: бутадиена

иизопрена. Если принять приведенные затраты в процессах двух­ стадийного дегидрирования н-бутана при получении бутадиена

иизопрена при производстве изопрена за 100%, то приведенные затраты в новых процессах составят соответственно (в %):

238 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

Замена сырья часто приводит к тому, что для получения про­ дукта используется другой метод производства. Таким образом, в отрасли основного органического и нефтехимического синтеза идет постепенная замена ацетилена более дешевыми нефтехими­ ческими продуктами: в производстве нитрила акриловой кислоты — пропиленом, в производстве хлоропрена —бутадиеном и т.д. Во многих случаях усовершенствование технологии касается вы­ теснения не только дорогостоящих, но и загрязняющих атмосферу и воду исходных видов сырья и полупродуктов. Особенно харак­ терно это проявилось в производствах этиленоксида и про­ пиленоксида, где технология, основанная на использовании хлора (хлоргидринный процесс), была заменена технологией прямого окисления этилена и пропилена. При этом одновременно удалось снизить и затраты на производство. Так, переход на метод прямого окисления этилена в производстве этиленоксида позволил более чем в 2 раза снизить затраты на его производство.

Разработка высокоэффективных процессов. Одним из основных принципов, позволяющих наиболее полно использовать сырье для получения целевых продуктов, является повышение селективнос­ ти процессов. Селективность процесса зависит прежде всего от ка­ тализатора, а также от условий проведения процесса: температуры, давления, концентрации реагентов, растворителя (в случае жидко­ фазных процессов), времени пребывания реагентов в зоне реакции и других параметров, а также типа реактора. При этом выбор опти­ мальных параметров позволяет достигнуть максимальной селектив­ ности процесса.

Применение «сопряженных» методов. Наиболее ярким при­ мером такого производства является «кумольный» метод получения фенола и ацетона. По данному методу из изопропилбензола одно­ временно получают два ценных продукта: фенол и ацетон. В этом случае себестоимость фенола значительно ниже, чем себестоимость фенола, получаемого другими методами (из каменноугольной смо­ лы —в 1,8—3,0, из сланцев —в 4,5, из торфа —в 1,1, из продуктов лесохимии —в 1,05 раза). Отметим, что качество фенолов, получен­ ных из природного сырья, значительно ниже, чем синтетических.

Себестоимость «кумольного» ацетона в 2,5—3 раза ниже, чем его себестоимость при получении путем окисления изопропило­ вого спирта. Кроме того, кумольный метод (по показателям аце­ тона) может конкурировать со способом, основанным на окисле­ нии пропилена.

При взаимодействии пропилена и гидропероксида этилбензола одновременно получается два ценных продукта: пропиленоксвд

истирол; при взаимодействии пропилена и гидропероксида —трет- бутила —пропиленоксвд —изобутилен и триметилкарбинол; совме­ стное окисление пропилена и ацетальдегида позволяет получать про­ пиленоксвд и уксусную кислоту, а совместное окисление пропилена

иизопропилового спирта —пропиленоксвд и ацетон и т. д.

Предварительные расчеты показали, что «сопряженные» методы синтеза пропиленоксида обеспечивают снижение затрат на произ­ водство по сравнению с хлоргидринным процессом на 30 %. Сле­ дует также отметить, что все «сопряженные» методы позволяют бо­ лее полно использовать сырье на получение целевых продуктов, характеризуются меньшим количеством побочных продуктов, а так­ же меньшими энергетическими затратами.

Такой подход особенно целесообразен, если получать несколько целевых продуктов не только из традиционного сырья, как это было рассмотрено выше, но и при использовании в качестве сырья про­ дуктов, которые не находят еще широкого применения. Таким при­ мером может служить процесс окислительного метилирования то­ луола, разработанный во ОАО «ВНИИОС». Этот процесс позволяет в одну стадию получать из толуола, метана и кислорода одновре­ менно стирол, этилбензол, фенол и крезолы в различных соотно­ шениях. Получение продуктов этим методом обходится значитель­ но дешевле. Так, из 4,63 т толуола, 4,8 м3 природного газа и 4,26 т кислорода можно получить 1 т стирола, 1,243 т бензола, 0,848 т этил­ бензола, 0,67 т фенола и 0,215 т крезола. Себестоимость стирола в этом случае будет в 1,4 раза, а удельные капиталовложения в 2 раза ниже тех же показателей базового варианта получения стирола. Та­ ким образом, данный принцип позволяет полнее использовать до­ ступное сырье и получать важные продукты при меньших затратах сырья и энергии.

Разработка технологии, позволяющей достигать высоких конвер­ сий. Достижение высоких конверсий реагентов за один проход име­ ет большое значение при создании безотходных производств. Это обусловлено тем, что при малых конверсиях необходимы большие рециклы по сырью, которые будут приводить к значительным энер­ гетическим и капитальным затратам; кроме того, при больших ре­ циклах будут и большие потери этих веществ в окружающую среду.

Конверсия зависит от параметров процесса (температуры, дав­ ления, скорости подачи реагентов, их соотношения, теплового эф­

240 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

фекта и т. д.). Вместе с тем некоторые параметры, которые приво­ дят к повышению конверсии, могут вести к понижению селек­ тивности, а это приводит, в свою очередь, к увеличению выхода побочных продуктов. В связи с этим необходимо подбирать оп­ тимальные условия проведения процесса.

Естественно конверсия сырья в значительной степени обус­ ловлена техникой безопасности. В частности, взрывоопасные кон­ центрации часто не позволяют достигать высоких конверсий по всем компонентам за один проход сырья.

Совмещение нескольких реакций, направленных на получение од­ ного и того же целевого продукта. При получении многотоннажных продуктов требуется, как правило, подводить большое количество тепла или отводить его из реакционных устройств, что представля­ ет сложную задачу. В процессах, требующих подвода тепла, как правило, в дальнейшем возникает задача утилизации тепла нагре­ тых продуктовых потоков. При осуществлении же экзотермичес­ ких реакций требуется отводить значительное количество тепла. Вместе с тем, в одном аппарате можно проводить, по крайней мере, две реакции, имеющие противоположные теплоты, т. е. одна из них должна протекать с подводом тепла, а другая —с его отводом. В этом случае условия их протекания в реакторе приближаются к адиаба­ тическим. Степень приближения условий процесса к адиабатичес­ ким зависит от теплоты каждой из реакций; если они равны, то будет наблюдаться адиабатический режим. Добиться адиабатичес­ кого режима можно и при разных значениях теплот реакций, если имеется возможность менять производительность по отдельным ре­ акциям. Подобная организация значительно снижает теплоту сум­ марного процесса и сокращает энергию на его проведение.

Кроме того, при совмещении реакций, как правило, повыша­ ются конверсии основного сырья и выход целевого продукта. Это обусловлено тем, что один из продуктов основной реакции вступа­ ет в следующую реакцию, что смещает равновесие в сторону обра­ зования целевого продукта.

Таким примером могут служить технологии окислительного де­ гидрирования различных углеводородов и спиртов. В этих процес­ сах применяются в качестве катализаторов оксиды и соли металлов переменной валентности ГУ, V и VI групп, на которых выделяющий­ ся водород связывается кислородом. Благоприятное воздействие на такие процессы оказывают инертные разбавители, такие как вода, азот, оксид углерода и др.