книги / Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза
..pdfГл а в а 5. Совмещение к а к метол улучшения технологии |
221 |
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+±
<=>СНЪ- (СО)- ОСН2СН2СН2СНъ+СНъОН |
5.11 |
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
Г M B A 5 . СовМЕШЕНИЕ КАК МЕТОЛ УЛУЧШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ |
223 |
Бутилацетат
Бутанол-1, Бутилацетат
а |
б |
Рис. 5.6. Варианты организации совмещенного процесса получения бутилацетата из метилацетата
Технологические схемы, соответствующие рассмотренным ва риантам организации совмещенных процессов, представлены, со ответственно, на рис. 5.7 и 5.8.
Впервом варианте (рис. 5.7) азеотропная смесь метилацетата
иметанола делится на двухколонном агрегате (колонны 2 и 3), ко лонны которого работают при разных давлениях. Причем колонна 2 работает при повышенном давлении (Р = 0,8105—1,0132 МПа), а ко-
Метилацетат
Рис. 5.7. Технологическая схема получения бутилацетата из метилацетата и бутанола-1 (вариант 1):
1 —реакционно-ректификационная колонна; 2 —ректификационная колонна выделения метилацетата; 3 —ректификационная колонна выделения метанола
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-
Г лава 5 . С о в м е щ е н и е как м е т о л у л у ч ш е н и я т е х н о л о г и и |
225 |
виях проведения процессов разделения, позволяющих, с одной сто роны, отводить продукты реакций из реакционной зоны, а с другой стороны, создавать такой профиль концентраций компонентов по высоте колонны, чтобы наибольшая концентрация реагентов была в зоне реакций. Задача оптимизации НСРРП может решаться за счет применения специальных методов разделения (экстрактивной, автоэкстрактивной и азеотропной ректификации и др.). Этот про цесс можно также проводить в токе инертного газа с целью более быстрого отвода продуктов реакций из реакционной зоны, а также снижения температурных режимов (вместо применения вакуума).
Вданном разделе были рассмотрены главным образом процессы, базирующиеся на фазовом переходе жидкость—пар, жидкость—газ или жидкость—жидкость. Но могут использоваться и процессы, ос нованные на применении мембран, а также реакционно-кристал лизационные процессы.
Следует отметить, что совмещенные процессы приобретают все более широкое распространение при создании безотходных или ма лоотходных производств.
8 я-6
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
Г л а в а 6. П р и н ц и п ы с о з а а н и я б е з о т х о а н ы х п р о и з в о а с т в |
227 |
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.
228 Ч а с т ь 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 ... |
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,
Глава 6. Приниипы созмния безотхоаных произвоаств |
229 |
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