книги / Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза.-1

ной эффективностью. А это значит, что технологические процессы необходимо рассматривать в тесной связи с экономическими, социальными и биологиче­ скими процессами.

Учитывая тот факт, что в отрасли основного органического и нефтехимиче­ ского синтеза производится большой ассортимент (сотни наименований) и в больших количествах (от десятков до сотен тысяч тонн в год) продуктов, способ­ ных загрязнять биосферу, то необходимо создавать технологию, которая позво­ ляла бы сбрасывать вбиосферу вещества, которые могут усваиваться природны­ ми биологическими системами. Необходимо также учитывать, что в производ­ ствах 0 0 и НХС используется большое количество сырья, воды и энергии, а, кроме того, за счет химических превращений часто выделяется значительное ко­ личество тепла. Следовательно, необходима такая организация производства, при которой утилизируются не только большое количество побочных продук­ тов, но и все выделяемое тепло как внутри данной системы, так и частично в со­ седних взаимосвязанных экологических подсистемах.

Во многих производствах выбрасывается в биосферу значительное количе­ ство различных химических веществ (углеводороды, оксиды углерода, азота, серы и др.), загрязняющих ее. Вместе с тем эти вещества успешно могут быть применены в качестве сырья. Для этого необходимо разработать индустрию улавливания таких продуктов и новую высокоэффективную технологию их ис­ пользования.

В настоящее время многие из выбрасываемых продуктов используются в су­ ществующих производствах основного органического и нефтехимического син­ теза. Так, 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, спирты и дру­ гие кислородсодержащие продукты (процесс оксосинтеза). На основе СО2 мож­

но получать СО (над раскаленным углем), мочевину и карбамид (при взаимо­ действии с аммиаком), СО и серу (при взаимодействии с сероуглеродом, кото­ рый также выбрасывается в атмосферу в больших количествах), этиленкарбонат (при взаимодействии с оксидом этилена), оксикислоты идругие продукты. Кро­ ме того, СО2 может применяться как «сухой лед» в пищевой промышленности.

На основе оксидов азота можно синтезировать азотную кислоту, а из нее полу­ чать нитропарафины (например, нитротолуол, тринитротолуол, нитробензол, анилин) и другие продукты. Практически все углеводороды могут быть исполь­ зованы в качестве сырья при производстве различных продуктов основного ор­ ганического и нефтехимического синтеза. Растворители после улавливания и регенерации можно применять многократно.

Таким образом, перед отраслью основного органического и нефтехимиче­ ского синтеза уже на ближайший период времени встают следующие важные за­ дачи:

S разработка технологий, которые позволили бы увеличивать выпуск необ­ ходимой продукции, не нарушая требований экологии, т.е. безотходных или ма­ лоотходных технологий;

S создание новых производств, использующих в качестве сырья «собствен­ ные» отходы и выбросы, а также производств других отраслей промышленности:

S определение перечня продуктов, которые могут быть усвоены природны­ ми биологическими системами;

164

S научное определение допустимых количеств различных продуктов основ­ ного органического и нефтехимического синтеза, которые могут попадать в биосферу без вредных последствий для окружающей среды и человека;

S создание малоэнергоемких производств и производств с малым потребле­ нием воды.

6.1. ОБЩИЕ ПОДХОДЫ К СОЗДАНИЮ БЕЗОТХОДНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

В настоящее время в ряде районов нашей страны из-за концентрации пред­ приятий химической промышленности создалась критическая экологическая обстановка. Однако, если рассредоточить химические производства и за счет этого снизить концентрации загрязнения, то экономическая эффективность этих производств будет ниже (вследствие того, что будет нужно организовывать транспортировку сырья и продуктов). Концентрация производств позволяет проще решать экологические задачи (так как в этом случае побочные продукты или отходы одного производства могут использоваться в качестве сырья на дру­ гом производстве) и энергетические проблемы; во многих случаях организовы­ вать совместную очистку сточных вод, например за счет нейтрализации «кис­ лых» вод одного производства «щелочными» водами другого.

Выход в каждой конкретной ситуации только один: создавать оптимальную концентрацию безотходных (или малоотходных) производств на базе техноло­ гических или территориальных комплексов. Неотъемлемой особенностью про­ гресса в химической промышленности является неуклонное повышение степе­ ни комплексности переработки сырья. Более того, наблюдаемое во всех странах стремление сократить потребление природных ресурсов и увеличить степень ис­ пользования вторичных материальных и энергетических ресурсов приводит к значительным изменениям структуры промышленного производства. Тем бо­ лее, как показывает накопленный за последнее время мировой и отечественный опыт, 80 % экономии материальных ресурсов связано с внедрением ресурсосбе­ регающих технологий и лишь 20 % — с другими мероприятиями. Таким обра­ зом, если экономия самый дешевый и эффективный способ умножения ресур­ сов расширенного воспроизводства, то ресурсосберегающие технологии — главный инструмент этого способа.

Более 50 % экономии топливно-энергетических ресурсов вхимической про­ мышленности нашей страны можно получить за счет совершенствования техно­ логических процессов, примерно 20 % — путем более полного использования вторичных энергетических ресурсов и около 25 % — за счет организацион­ но-технических мероприятий. Основой повышения энергетической эффек­ тивности химической промышленности считается не только внедрение но­ вых типов технологических установок, но и повышение уровня регенерации тепла потоков нагретых продуктов, и на этой базе широкое использование энерготехнологических схем. Следовательно, актуальна задача разработки схем, предусматривающих полную переработку сырья в продукты с исполь­ зованием вторичных энергоресурсов на базе принципов рециркуляции и циклич­ ности. При рециркуляции предусматривается создание замкнутых технологиче­ ских комплексов с возвратом на вход непрореагировавшего сырья, комплексно­ го использования энергии за счет теплообмена между прямыми и обратными потоками.

165

Кроме того, при создании безотходных и малоотходных производств необхо­ димо относить к отходам только те вещества, которые сразу не могут быть ис­ пользованы в качестве товарных продуктов вместе с целевыми продуктами; во­ влекать отходы в хозяйственный оборот в виде сырья, полученного из этих отхо­ дов; разрабатывать технологические установки по превращению отходов во вто­ ричное сырье, которое будет дешевле природного.

Следовательно, в безотходном производстве должен быть использован прин­ ципрационального использования всех компонентов сырья и энергии. Все принципы создания безотходных производств, по существу, предназначены для превраще­ ния сырья только в продукты при полном использовании энергии системы и ма­ лых затратах внешней энергии.

Однако в настоящее время не всегда могут быть разработаны технологии, по­ зволяющие сделать производство безотходным. Поэтому на первом этапе будут разрабатываться и внедряться технологии малоотходных производств. Под тех­ нологиями 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 техноло­ гия не является замкнутой, но в ней реализуется принцип максимальной изолиро­ ванности производства от окружающей среды. Следовательно, малоотходное производство должно представлять 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 трудно соз­ дать даже малоотходные технологии. При условия роста масштабов производст­ ва и высоких экологических требованиях можно определить два принципиально отличных друг от друга направления получения продуктов основного органиче­ ского и нефтехимического синтеза.

Первое направление предусматривает реконструкцию действующих произ­ водств и создание технологии с глубокой очисткой газовых выбросов, воды, вы­ водимой из производства, и твердых отходов от вредных для природы и здоровья человека веществ. Такой путь уже нашел широкое распространение в промыш­ ленности основного органического и нефтехимического синтеза, но он малоэф­ фективен, поскольку не позволяет решить проблему кардинально. С помощью очистных сооружений не всегда удается полностью освободить выбросы от вредных продуктов, следовательно, не удается предотвратить их попадание в биосферу. Такой путь имеет идругие недостатки: очистные сооружения являют­ ся дорогостоящими, так как они занимают большие площади, создают новые проблемы уничтожения твердых выбросов и отстоев, потребляют значительное количество материалов и энергии и др. Следовательно, этот путь не перспекти­ вен, но в течение еще некоторого времени он будет применяться.

Второе направление, в котором безотходные и малоотходные технологиче­ ские процессы в максимальной степени имитируют природные процессы (осо­ бенно кругооборот в природе), является перспективным, более радикальным и экономичным. Однако оно пока не нашло широкого распространения: реконст­ руировать существующие производства до такой степени практически невоз­ можно, так как в них заложена технология, по которой предусматривается вывод из системы разных потоков; технология для безотходных производств часто до­ роже, если рассматривать ее с позиций узковедомственных или с позиций сего­ дняшнего дня, т.е. без учета экологического и даже экономического ущерба от

166

вредных выбросов или очистки от них, и не учитывать стоимость утилизируемых побочных продуктов.

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

Как уже отмечалось, такие производства на первых порах могут оказаться более дорогими и неконкурентоспособными. В таких случаях на определенном этапе необходимо создавать производства с очистными сооружениями. Вместе с тем необходимо иметь в виду, что одним из главных направлений охраны приро­ ды в условиях развития отрасли основного органического и нефтехимического синтеза все-таки является такая организация производства, при которой все виды вовлекаемого в переработку сырья используются полностью и полностью превращаются в товарные продукты. Это может быть сделано только при созда­ нии безотходной технологии. В настоящее время при проектировании произ­ водств все большее значение приобретают показатели материале- и энергоем­ кости продукции, так как они не только показывают затраты сырьевых и энерге­ тических ресурсов, но и приобретают «экологическое» звучание. Эти показатели позволяют конкретно определить эффективность природопользования, т.е. оп­ ределить сколько конечного продукта будет дано обществу из взятого у природы сырья и сколько на это будет затрачено энергии.

Для наиболее эффективного использования многокомпонентного сырья в безотходном производстве должен соблюдаться принцип комплексного его исполь­ зования. материальная субстанция, введенная в технологический процесс, пол­ ностью перерабатывается, а полученная при его переработке продукция исполь­ зуется в полном объеме и ассортименте. При этом вовлечение каждого продукта

впроизводственно-хозяйственный оборот на практике связано со многими од­ новременно действующими факторами организационного, технического, эко­ номического и социального характера. Повышение уровня комплексного ис­ пользования многокомпонентного сырья в значительной степени будет способ­ ствовать упразднению деления продукции на основную (целевую) и побочную (нецелевую). Побочная продукция приобретает все свойства целевой продук­ ции, но полученной в специализированном (некомплексном) производстве или

вкомплексном, как основная. Более того, основная и побочные продукции об­ щего производственного процесса образуются одновременно из многокомпо­ нентного сырья при одних и тех же технологических условиях и в одних и тех же

технологических аппаратах. Необходимо отметить, что для получения одних продуктов эти условия и аппараты являются оптимальными, а для других нет. Поэтому последние получаются в меньших количествах. Следовательно, деле­ ние на продукты, имеющие разную экономическую значимость, неправомерно.

В задачу технологов входит прежде всего разработка таких технологий, в ко­ торых бы максимально использовался кругооборот природных веществ и энер­ гии при получении из сырья только целевых продуктов. При этом необходимо иметь в виду, что с этой целью могут применяться технологические комплексы разных масштабов (производство, комбинат, промышленно-территориальный комплекс и т.д.).

Энергосберегающая технология. Цель энергосберегающей политики, прово­

димой в химической промышленности, — не только снижение энергопотребле­ ния при росте выпуска продукции, но и снижение тепловыделений и других

167

энергетических составляющих в окружающую среду. Комплексное использова­ ние энергетических ресурсов в химико-технологических процессах — один из наиболее эффективных методов совершенствования производства, позволяю­ щий ликвидировать или резко сократить выделение тепла вокружающую среду, достичь полного использования энергетического потенциала.

В химической промышленности энергоемкие производственные процессы часто являются одновременно источниками вторичных энергетических ресур­ сов. К вторичным энергоресурсам (ВЭР) относятся: горючие (топливные) отхо­ ды химических производств; тепловые выбросы, возникающие как побочный результат экзотермических реакций или содержащиеся в отработанных мате­ риалах, втом числе в сбросных жидкостях и газах сравнительно низкой темпера­ туры (низкотемпературные тепловые ВЭР), энергия избыточного давления и др. Горючие отходы, как правило, используют на предприятиях полностью, за ис­ ключением тех случаев, когда их сжигание сопряжено с техническими трудно­ стями.

Энергия же избыточного давления продуктов почти не используется, так как отсутствует необходимое оборудование. Низкопотенциальные ВЭР в перспек­ тиве можно использовать в абсорбционно-холодильных установках для произ­ водства холода и установках для выработки тепловой энергии. Выработка холода в абсорбционных холодильных установках с использованием бросового тепла и создание станций теплохолодоводоснабжения на базе тепловых насосов позво­ ляет обеспечить предприятия теплом (t = 80 °С), холодом (/ = —5 + + 7 °С) и ох­ лажденной технической водой (t = 20 °С) и одновременно существенно повы­ сить качество технологического водоснабжения. Главным направлением в энер­ госберегающей технологии является создание замкнутых энерготехнологиче­ ских циклов, где энергетический потенциал, недоиспользованный на одной из стадий процессов, используется на смежных стадиях.

6.2.МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ

Вдекларации Общеевропейского совещания по сотрудничеству в области охраны окружающей среды (Женева, 1979) содержится следующее определение: «Безотходная технология есть практическое 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 производства, ко­ торые позволяют из сырья при воздействии различных видов энергии, вспомо­ гательных материалов, катализаторов и других технологических факторов в спе­ циально взаимосвязанных аппаратах получать только целевые продукты без вы­ хода из технологической системы потоков, содержащих вещества и различные виды энергии, загрязняющие биосферу.

При создании безотходных производств применяют следующие методологи­ ческие принципы:

1. По возможности полное использование сырья для производства продук­ ции при максимальной экономии энергии, вспомогательных материалов и, в первую очередь, воды в рамках функционирования каждого предприятия.

2. Использование побочных продуктов и отходов одного производства для другого, в котором они могут служить сырьем; создание на этой основе комби­

168

натов, на предприятиях которых происходит последовательное углубление пе­ реработки сырья.

3.Территориальное и функциональное объединение в систему комплексно­ го производства комбинатов разнотипных предприятий, перерабатывающих различные химические вещества.

4.Дополнение указанных производственных комплексов предприятиями, осуществляющими завершающую переработку отходов в вещества, которые мо­ гут служить сырьем для других производственных комплексов или являются со­ ставляющими биосферы.

5.Расширение производственных связей между разными безотходными производственными комплексами и повышение тем самым степени замкнуто­ сти общей производственной системы как в хозяйственном, так и в биогеохимическом отношении.

6.Ликвидация ранее допущенных нарушений равновесия в природе.

7.Повышение надежности работы всех установок и производств в целом. Таким образом, в задачу безотходных производств входит комплексная пе­

реработка определенного количества сырья в целевые продукты, являющиеся сырьем для других производств, и в чистые природные вещества (воздух, воду, нейтральную минеральную массу, способную включаться в качестве материн­ ской породы в образование плодородной почвы и т.д.).

Однако решить эту задачу в рамках одной отрасли трудно, так как должны охватываться все аспекты проблемы: технологические, социально-экономиче­ ские, экологические, образовательные и культурно-воспитательные, правовые, информационно-обеспечивающие и даже международные. Для этого должна действовать общегосударственная долгосрочная комплексная программа охра­ ны природы, рационального использования и воспроизводства природных ре­ сурсов, поддержания оптимального состояния окружающей природной среды, включающая подпрограммы решения названных проблем.

Обобщающим принципом при создании безотходных производств является системный подход, который следует использовать при создании, проектирова­ нии и эксплуатации производства. Применение системного подхода при созда­ нии и проектировании производств основного органического и нефтехимиче­ ского синтеза кратко рассмотрено в гл. 2. Остальные более конкретные принци­ пы, направленные на полное использование сырья и энергетических ресурсов, а также на охрану окружающей среды, могут быть подразделены на три группы: химические; технологические; организационно-управленческие.

Во многих случаях один и тот же принцип направлен как на полное исполь­ зование сырья, так и на сокращение использования внешних энергетических ресурсов и защиту окружающей среды.

6.3. ХИМИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ

Химические принципы отражают общую тенденцию в создании новых про­ изводств и совершенствовании действующих. Общность этих принципов за­ ключается в том, что все они реализуются в виде конкретных химических прие­ мов и методов, позволяющих приблизить производство к безотходному ресур­ сосберегающему производству.

Создание малостадийных (одностадийных) химических процессов. Сокраще­

ние числа химических стадий при получении из сырья целевых продуктов сни­

169

жает, как правило, количество побочных продуктов. При этом не только сокра­ щаются расходы энергии, но и уменьшается число потоков, которые необходи­ мо перерабатывать и энергию которых необходимо утилизировать. В таких тех­ нологических процессах в большинстве случаев сокращается количество газовых потоков и воды, которые необходимо очищать от вредных примесей. В конечном итоге себестоимость продукта, полученного по методу с меньшим числом стадий, как правило, ниже. В этом случае необходимо проводить сравне­ ние 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 органического и нефтехимического синтеза от 60 до 95 %.

Так, если принять приведенные затраты в производстве бутадиена и изопре­ на методом двухстадийного дегидрирования н-бутана и изопентана за 100 %, то приведенные затраты при одностадийном дегидрировании w-бутана до бутадие­ на составят 77 %, а при одностадийном дегидрировании изопентана до изопре­ на — 83 %. Другой пример: производство 2-этилгексанола, основанное на альдольной конденсации ацетальдегида, включает следующие стадии превращения реагентов: этилен —> ацетальдегид —» кротоновый альдегид —> масляный альде­ гид —» 2-этилгексеналь-» 2-этилгексанол. В процессе оксосинтеза, позволяюще­ го сразу из пропилена получить н-масляный альдегид, число стадий значительно сокращается: пропилен —» w-масляный альдегид —» 2-этилгексеналь —» 2-этил­ гексанол. В последнем случае себестоимость 2-этилгексанола значительно ниже.

Разработка методов получения продуктов из доступного и дешевого сырья. Как правило, все новые методы получения продуктов основного органического и нефтехимического синтеза направлены на замену сырья более дешевым, сокраще­

ние числа стадий, уменьшение энергетических затрат, а также количества побоч­ ных продуктов.

Рассмотрим несколько примеров. Наиболее характерным примером являет­ ся замена пищевого сырья на непищевое (в основном нефтяное) в производстве бутадиена. Такая замена в свое время позволила существенно уменьшить из­ держки производства, поскольку себестоимость бутадиена из синтетического спирта в 2 раза ниже себестоимости бутадиена из пищевого сырья, а удельные капитальные вложения при производстве бутадиена из синтетического сырья ниже в 3 раза.

Анализ зарубежных технико-экономических показателей производства ви­ нилхлорида разными методами, использующими разное сырье, показал, что се­ бестоимость винилхлорида, полученного по комбинированному методу из эти­ лена и ацетилена, на 15 % ниже, а при оксохлорировании этилена — на 30 % ниже, чем себестоимость винилхлорида, полученного гидрохлорированием аце­ тилена. 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 сравнению с затратами на паро­ фазную гидратацию ацетилена. Подобным же примером может служить произ­ водство винилацетата из ацетилена и этилена. Сравнение технико-экономиче­ ских показателей производства винилацетата парофазным методом из ацетиле­ на и уксусной кислоты и винилированием уксусной кислоты показывает пре­

170