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

его осуществления. Например, при производстве винилацетата из этилена и ук­ сусной кислоты соотношение этилена и воздуха (кислорода) определяется ниж­ ними и верхними пределами взрываемости. Следовательно, должен вводиться избыток этилена или воздуха (кислорода), что приводит к созданию циркуляци­ онных газовых потоков, в которых накапливаются инертные газы.

Во многие процессы специально добавляют инертные газы для понижения парциального давления исходных реагентов или отвода тепла. В этом случае для их повторного использования требуется очистка от продуктов реакций.

В окислительных процессах чаще всего в качестве окислителя применяют кислород воздуха. Следовательно, всегда присутствуют газовые выбросы в виде азота и других инертных газов, которые уносят продукты реакций.

К числу наиболее распространенных методов очистки газовых потоков от­ носятся: абсорбционный, хемосорбционный, адсорбционный и каталитиче­ ский.

Так как полностью очистить газовые выбросы нельзя, то необходимо учиты­ вать предельно допустимые концентрации вредных примесей в атмосферном воздухе.

В производствах основного органического и нефтехимического синтеза для обеспечения безопасной работы широко используется вентиляция. Вентиляци­ онные выбросы также необходимо очищать от вредных химических веществ. Для наиболее полного извлечения примесей из воздушных и газовых потоков следует использовать совершенные и высокоскоростные методы и соответст­ вующее оборудование. На первом этапе, как правило, происходит отделение мелкодисперсных твердых частиц (катализатора, твердых реагентов и т.д.) с по­ мощью таких гидромеханических методов, как осаждение и фильтрация (в гра­ витационном, центробежном, электрическом или другом силовом поле). Далее для очистки от газообразных примесей с целью их повторного использования или превращения в легко улавливаемые вещества применяются сорбционные или каталитические методы (адсорбция, абсорбция, конденсация, хемосорб­ ция, каталитическое превращение и другие процессы).

Так как очистке подвергаются очень большие потоки газов, то требуется вы­ бирать наиболее эффективные методы с минимальными затратами энергии. Для этого необходимо знание сравнительных характеристик всех методов и путей повышения эффективности газоочистных установок.

В ряде случаев целесообразно проводить комбинированную переработку и очистку жидких и газообразных потоков. В частности, возможна взаимная ней­ трализация различных загрязняющих продуктов. Так, в работе Г.Г. Русаковой показано, что одновременная переработка нескольких потоков хлорорганических продуктов, находящихся в жидкой и паровой фазах, позволяет достигать лучшего эффекта.

Применение аппаратов и технологических линий большой единичной мощно­ сти. В последние два десятилетия непрерывно наращивалась мощность отдель­

ных агрегатов и установок производств основного органического и нефтехими­ ческого синтеза. Причем уже 20 лет назад практически все производства отр!асли были многотоннажными, но часто за счет использования нескольких парал­ лельно работающих аппаратов или технологических линий с меньшей мощно­ стью. За последние 20 лет производительность основных аппаратов увеличилась

181

в 5—10 раз. Так, они достигают по производству (тыс. т/год): метанола — 750—1500; стирола — 350; оксида этилена — 150—180; винилхлорида — 250—500; нитрила акриловой кислоты — 50—170; винилацетата — 140; пропиленоксида — 150.

Повышение концентрации производства или агрегатной концентрации про­ изводства, т.е. внедрение укрупненных агрегатов и высокопроизводительных линий, как правило, позволяет увеличить выпуск продукции с меньшими капи­ тальными затратами. Например, при увеличении мощности технологических линий в 4 раза удельные капитальные вложения в производство этилового спир­ та возросли только в 2,3 раза. Эта экономия достигается в результате сокраще­ ния (в расчете на единицу мощности) затрат на изготовление оборудования и его монтаж, а также на строительство зданий (если они необходимы) и сооружений. Кроме того, снижаются эксплуатационные затраты, возрастает производитель­ ность труда.

Укрупнение мощностей агрегатов создает дополнительные условия для вне­ дрения и эффективного использования более прогрессивных систем управле­ ния, основанных на использовании современных средств автоматизации, пере­ дачи информации и вычислительной техники. Во многих случаях использова­ ние автоматического управления является обязательным условием эффектив­ ной работы крупных агрегатов.

Однако следует отметить, что существуют определенные ограничения ук­ рупнения агрегатов. К таким ограничениям относятся:

S потребность народного хозяйства в продукции и распределение ее по от­ дельным районам;

S затраты на доставку сырья и продукции потребителям (они, как правило, возрастают при концентрации производства);

S эксплуатационная надежность, так как остановка высокопроизводитель­ ных агрегатов не только приводит к недополучению продукции, но и в ряде слу­ чаев к остановке смежных агрегатов (остановка крупного агрегата на ремонт или в связи с производственными неполадками может вызывать задержки с поста­ новкой продукции потребителям, простой смежного оборудования и т.д.).

Вместе с тем увеличение мощности агрегатов и технологических линий при­ водит к сокращению капитальных затрат на единицу продукции и, в меньшей степени, к сокращению эксплуатационных затрат, так как большая часть этих расходов приходится на сырье, энергию и материалы, которые в расчете на еди­ ницу продукции при неизменной технологии мало меняются при изменении мощности агрегата. Сокращение эксплуатационных расходов связано с измене­ нием мощности агрегата, а также со снижением затрат труда прежде всего на управление процессом, при этом повышается производительность труда. Кроме того, снижается расход воды на единицу продукции.

Однако применение аппаратов большой единичной мощности как с эконо­ мической, так и экологической точек зрения требует более тщательного анализа всей технологии с учетом других принципов ее создания. В частности, наличие агрегатов большой единичной мощности, работающих непрерывно, требует, как было отмечено ранее, высокой надежности работы основного и вспомога­ тельного оборудования, применения современных надежных систем управле­ ния. Это обусловлено как экономическими факторами (внеплановые простои приводят к очень большим потерям не только на самой установке, но и у потре­

182

бителей продукции), так и экологическими факторами (даже при наличии за­ щитных устройств и очистных сооружений загрязняющие вещества могут в зна­ чительных количествах попадать в воздух и водоемы). Кроме того, при исполь­ зовании агрегатов и технологических линий большой единичной мощности по­ лучается большое количество побочных продуктов, для переработки которых необходимо обязательно создавать установки на этом же производстве, так как транспортировка их на другие предприятия затруднена. Создание же сложных комплексов приводит к увеличению сроков ввода мощностей.

Имеются и другие сложности в применении аппаратов и технологических линий большой единичной мощности: необходимость в специальном монтаж­ ном оборудовании, транспортировка его к месту установки, трудности проведе­ ния ремонтных работ.

Таким образом, проблема обоснования мощности агрегатов и технологиче­ ских линий включает не только непосредственное сопоставление технико-эко­ номических показателей установок различной мощности, но и рассмотрение влияния множества экономических, экономико-географических и экологиче­ ских условий.

Применение непрерывных процессов. Одним из важнейших принципов созда­

ния безотходных технологий является применение непрерывных процессов. Это объясняется преимуществами таких процессов:

1) создание технологий для безотходных производств требует внедрения но­ вых методов регулирования и управления этими процессами, поддержания ста­ бильности и точности всех параметров работы аппаратов, что в значительной степени облегчается при непрерывном режиме работы установки и производст­ ва в целом;

2)возможность достижения значительно большей производительности обо­ рудования за счет полноты его использования;

3)получение более однородной по качеству продукции, что приводит к зна­ чительному сокращению объема некачественной продукции, которая в боль­ шинстве случаев не находит квалифицированного использования и требует дальнейшей переработки или утилизации;

4)легкость автоматизации, в частности, с применением микропроцессо­

ров;

5)высокая производительностью труда;

6)отсутствие периодической загрузки сырья и выгрузки продуктов синтеза, что значительно уменьшает загрязнение окружающей среды, а также улучшает условия труда;

7)большая безопасность производства за счет малой вероятности попадания веществ в окружающую среду.

Следовательно, возможность при непрерывных процессах длительно под­

держивать во всех аппаратах и во всей химико-технологической системе стацио­ нарное состояние обеспечивает максимальную производительность системы и необходимое качество всех продуктов и полупродуктов при минимальных затра­ тах на средства автоматизации.

Таким образом, применение непрерывных процессов позволяет не только повышать экономические показатели производства, улучшать условия труда, но и повышатьего экологические показатели, сокращая количество побочных про­

1X3

дуктов или продуктов, не соответствующих техническим условиям. Поэтому этот принцип является наиболее важным при создании безотходных техноло­ гий.

Полнота использования жидких и твердых отходов. В производстве основного

органического и нефтехимического синтеза образуется значительное количест­ во жидких отходов (полиалкилбензолы при алкилировании бензола, этилидендиацетат при производстве винилацетата и др.) и значительно меньше твердых отходов (отработанные катализаторы, адсорбенты, полимеры и др.). При созда­ нии безотходных производств необходима прежде всего их утилизация или пе­ реработка. Это возможно сделать при переработке этих веществ в рамках основ­ ных технологических процессов (полиалкилбензолы при производстве алкилбензолов) или на отдельных установках в рамках основного производства (реге­ нерация катализаторов, адсорбентов и т.д.). И наконец, некоторые отходы (полимеры, олигомеры) могут использоваться вдругих производствах в качестве сырья. Примером может служить добавка в строительные материалы полимер­ ных отходов, которые обеспечивают водоотгалкивание. И только в исключи­ тельных случаях жидкие отходы могут использоваться в качестве топлива, если их регенерация сильно затруднена и не найден способ их использования.

Высокая степень автоматизации. Разработка технологии безотходных произ­

водств предопределяет взаимосвязь технологии и автоматизации. Ранее отмеча­ лось, что наиболее эффективными с точки зрения создания безотходных произ­ водств являются непрерывные процессы. А они, в свою очередь, наиболее эф­ фективны, когда регулируются автоматически. Такие процессы автоматизиро­ ватьлегче, так как параметры регулирования обычно меняются незначительно.

В безотходных производствах предъявляются жесткие требования к выход­ ным величинам процессов (в частности, максимизация выхода основных про­ дуктов, минимизация отходов данного производства и исключение потерь раз­ личных продуктов).

Автоматизация позволяет значительно повысить надежность и эффектив­ ность работы как отдельных аппаратов, так и всей системы в целом. При этом наибольшая эффективность автоматизированных систем управления дости­ гается при широком использовании ЭВМ. Особенно это существенно для управления производствами основного органического и нефтехимического синтеза, так как для них характерно наличие большого числа разнотипных аппаратов, связанных между собой большими материальными и энергетиче­ скими потоками.

Причем задачи управления подобным классом производств можно подраз­ делить на задачи управления режимом работы отдельных технологических агре­ гатов, решаемые локальными системами управления при фиксированных вход­ ных и выходных потоках, и задачи оперативного управления, состоящие в согла­ совании работы агрегатов между собой с учетом как внутренних, так и внешних для всего комплекса агрегатов возмущений. Эти задачи реализуются отдельны­ ми функциональными подсистемами.

Следовательно, в условиях непрерывного увеличения скоростей реакций, роста температур и давлений, укрупнения единичных мощностей агрегатов, тех­ нологических линий производств, повышения требований к качеству выпускае­ мой продукции важное значение имеет внедрение автоматизированных систем

184

окружающую среду. В этом случае значительное количество вредных для живот­ ного и растительного мира продуктов может попасть как в воздушное простран­ ство, так и в водоемы. Следовательно, высокая надежность работы технологиче­ ских установок позволяет не только исключить большие потери продуктов, вы­ званные простоями аппаратов большой единичной мощности, но и предотвра­ тить разовые выбросы химических веществ в окружающую среду.

Вместе с тем надежность работы ХТС с точки зрения экологии должна быть не только механической, но и технологической. Например, обязательно приме­ нение специальных аварийных емкостей и аппаратов, в которые сбрасываются газовые и жидкие выбросы при срабатывании соответствующих клапанов в слу­ чае значительного отклонения параметров от нормы. Предусматривается и ава­ рийный сброс газов на факел. Это может происходить при повышении давления в аппаратах, при их переполнении жидкими продуктами, при необходимости сброса некондиционных продуктов и полупродуктов и т.д.

Значительное влияние на надежность аппаратуры оказывает коррозия. По­ этому создание нового безотходного производства должно предусматривать ус­ ловия работы, позволяющие исключить коррозию. На надежность работы ХТС влияют и многие другие факторы.

Большое значение при работе уже действующих безотходных производств имеет их стабильность. В частности, значительные колебания состава продуктов реакций, направляемых на разделение и очистку, нарушают оптимальный ре­ жим работы соответствующих установок разделения и могут привести не только к ухудшению качества целевых продуктов, но и к увеличению количества отхо­ дов и даже к выбросам токсичных веществ. Следовательно, здесь также требует­ ся не только высокая надежность, но и стабильность работы установок, т.е. под­ держание на определенном уровне всех параметров, что позволяет исключить потери в результате образования некондиционных продуктов.

Таким образом, при проектировании безотходных производств необходимо заранее рассчитывать надежность работы не только отдельных аппаратов, но и всей ХТС, а также создать условия стабильной ее работы.

6.5. ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ ПРИНЦИПЫ

Организационные принципы имеют большое значение всоздании безотход­ ных (малоотходных) производств. К ним относятся принцип кооперирования и комбинирования производств, принципы создания безотходных территориаль­ но-промышленных комплексов и технологии переработки отходов.

Кооперирование и комбинирование различных производств. В отрасли основ­ ного органического и нефтехимического синтеза имеется несколько форм орга­ низации производств, позволяющих повышать их концентрацию за счет созда­ ния: 1) комбинатов внутри- и межотраслевого типа, на которых создаются произ­ водства, различные по технологии и вырабатываемой продукции, но позволяю­ щие комплексно перерабатывать сырье; 2) специализированных предприятий, на которых вырабатывается однородная по технологии производства или по ис­ пользованию продукция.

Однако для создания безотходных или малоотходных производств посте­ пенно отрасль будет переходить на организацию производств первого типа. Прг

186

этом внутри комбинатов или производственных объединений будут формиро­ ваться специализированные заводы или новые комплексы со сложными сырье­ выми и технологическими связями.

Таким образом, будут создаваться производственные объединения или ком­ бинаты, включающие отдельные специализированные заводы с углубленной специализацией, рациональным комбинированием и использованием укруп­ ненных агрегатов и технологических линий, позволяющих превращать исход­ ное сырье в целевые продукты с минимальными затратами и отходами. При этом предусматривается использование этих отходов вдругих отраслях или их захоро­ нение, если это безопасно для природы.

Вдальнейшем заводская концентрация в отрасли основного органического

инефтехимического синтеза будет развиваться вследующих направлениях:

1)межотраслевое комбинирование производств преимущественно путем создания многономенклатурных комбинатов и многоотраслевых предприятий;

2)отраслевая специализация промышленных объектов;

3)создание производственных и научно-производственных объединений. Успешной формой организации в нашей стране были научно-производст­

венные объединения, которые включают промышленные предприятия, науч­ но-исследовательские и проектные институты и опытно-экспериментальную базу. При этом создаются наиболее благоприятные условия для разработки но­ вой технологии и использования научных достижений по реализации отдельных принципов разработки безотходных технологий в производстве.

Кроме того, концентрация производства в масштабах объединения и разви­ тия специализации должна служить расширению выпуска продукции отрасли на основе интенсивных методов производства, технического перевооружения, использования новейших достижений науки и техники. Все это дает значитель­ ный экономический и экологический эффект.

Наиболее характерным примером такой организации производства является ОАО «Нижнекамскнефтехим», в котором объединены специализированные производства, имеющие аппараты или технологические линии большой еди­ ничной мощности. Себестоимость продукции этого объединения примерно на 20—30 % ниже, чем на специализированных заводах, выпускающих аналогич­ ную продукцию. Кроме того, в настоящее время на этом предприятии успешно решаются экологические проблемы, так как применяются многие из принци­ пов, изложенных ранее.

Таким образом, при создании производственных или научно-производст­ венных объединений необходимо учитывать следующие факторы:

1)технологическую общность получения продукции;

2)возможность кооперирования производств, совокупность которых обес­ печивает выпуск конечной подотраслевой или отраслевой продукции;

3)последовательную или комплексную переработку сырья;

4)централизацию вспомогательных или обслуживающих производств и служб;

5)рациональное территориальное размещение объединяемых производств или предприятий;

6)включение в состав объединений научно-исследовательских и проектных институтов, конструкторских бюро соответствующего профиля.

Учитывая тот факт, что еще некоторое время развитие производств будет

связано с наличием отходов, необходимо изыскивать возможности для приме­

187

нения этих отходов вдругих отраслях. Предприятия этих отраслей могут строить свои производства, используя вторичные материалы — отходы — как сырье. Следовательно, при организации безотходных промышленных производств большое значение имеет кооперирование предприятий различных отраслей промышленности. Такие примеры уже имеются: полимерные отходы химиче­ ских производств используют в строительной индустрии. Наиболее благоприят­ ные возможности для такого кооперирования появляются при организации тер­ риториально-промышленных комплексов.

Создание безотходных территориально-промышленных комплексов. Создание

интегрированных производственных или научно-производственных химиче­ ских и нефтехимических компаний позволяет в значительной степени исполь­ зовать отходы отдельных производств и более полно перерабатывать сырье в це­ левые продукты.

Вместе с тем некоторые отходы даже в рамках таких компаний не удается ис­ пользовать. В этом случае большую роль играет кооперирование производств различных отраслей промышленности, находящихся в одном территориальном регионе, т.е. создание безотходных территориально-промышленных комплек­ сов (ТПК). В такие комплексы могут входить производства отрасли основного органического и нефтехимического синтеза и других отраслей промышленно­ сти (например, строительной индустрии), энергетические объекты (например, атомная электростанция) и даже городские коммуникации, дающие бытовые отходы.

В рамках ТПК могут эффективно использоваться отходы и очищаться воз­ душные выбросы и сточные воды. Так, имеются установки по переработке про­ мышленных и бытовых отходов пластмасс методом пиролиза.

Создание технологии по переработке отходов производств. Утилизация, пере­ работка или своевременное удаление и обезвреживание твердых, жидких и газо­ образных отходов производств основного органического и нефтехимического

синтеза имеют большое народнохозяйственное значение, способствуют не толь­ ко увеличению полноты использования сырья с целью получения важных про­ дуктов, но и улучшению состояния водоемов и воздушного бассейна.

При создании безотходных производств прежде всего предусматривается утилизация и переработка отходов производства, превращая их в ценные для на­ родного хозяйства продукты, а также в сырье для других производств.

И только при отсутствии в настоящее время путей переработки отходов в нужные для народного хозяйства продукты эти отходы могут уничтожаться. Но при этом необходимо воспользоваться их внутренней энергией. В частности, они могут быть использованы в качестве топлива.

Частично переработка газообразных отходов была рассмотрена выше (см. с. 180). Что касается жидких и твердых отходов, то они в условиях пиролиза или плазмохимического процесса могут быть переработаны в разные виды сырья или целевые продукты.

6.6. УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИНЦИПОВ СОЗДАНИЯ БЕЗОТХОДНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

Разработка безотходных производств или комплексов представляет слож­ ную комплексную проблему, при решении которой необходимо учитывать не только современное состояние технологии, но и ее будущее, а также экономиче­

1 8 8

3) применяется ли конденсат в качестве реагента или, например, азеотроп­ ного агента.

Все эти факторы необходимо учитывать, так как зачастую требуются допол­ нительные расходы не только в цехах очистки сточных вод, но и на стадии водо­ подготовки на ТЭЦ.

Другой пример. В настоящее время во многих производствах вакуум создает­ ся с использованием пароструйных насосов, пароэжекционных установок и других барометрических конденсаторов. Однако применение пароструйных на­ сосов и пароэжекционных установок для этой цели связано с получением значи­ тельных количеств загрязненного конденсата, собираемого в барометрических емкостях. Следовательно, также возникает задача очистки этого конденсата, требующая определенных энергетических затрат. С другой стороны, примене­ ние, например, вакуум-насосов не создает таких трудностей. Таким образом и здесь возникает конкурентная ситуация. А именно: применение простейших и, на первый взгляд, наиболее экономичных способов создания вакуума в даль­ нейшем приводит к определенным трудностям и дополнительным затратам энергии.

Приведем более общий пример. Простейшим и в большинстве случаев дос­ тупным решением является традиционная очистка газов и воды, выводимых из системы. Такая очистка решает главные проблемы охраны окружающей среды. Но применение таких способов очистки мешает решению главной задачи — раз­ работке принципиально новой технологии, безотходной, т.е. без выбросов или с эффективной утилизацией отходов.

Эти примеры свидетельствуют о том, что применение любого метода и тех­ нологического приема может быть оценено только при рассмотрении всех без ис­ ключения принципов, т.е. требуется комплексный, системный подход к решению любой, даже частной задачи.

Кроме того, применение всех принципов позволяет дать всестороннюю оценку предложенной технологии, а главное показать их взаимосвязь и облег­ чить решение одних задач за счет других. Это обусловлено, во-первых, тем, что многие из принципов связаны между собой, т.е. реализация одного принципа, как правило, облегчает реализацию других принципов. Например, увеличение конверсии сырья приводит к уменьшению рециклов по сырью, а это, в свою оче­ редь, приводит к сокращению энергетических и капитальных затрат, втом числе и при разделении.

Применение аппаратов и технологических линий большой единичной мощ­ ности приводит к облегчению автоматизации и управления производством, так как сокращается число аппаратов в химико-технологической системе. Далее, одновременное получение нескольких целевых продуктов обеспечивает более полное использование сырья и облегчает полноту выделения всех продуктов из реакционной смеси, так как при раздельном получении целевых продуктов име­ лось бы больше побочных продуктов и пришлось бы делить две реакционные смеси, содержащие наряду с целевыми продуктами непрореагировавшее сырье и побочные вещества.

Кроме того, при одновременном рассмотрении всех принципов исключает­ ся возможность применения «простых» решений, которые, как было показано ранее, впоследствии будут затруднять создание технологий для безотходных или малоотходных производств.

190