1.5 Технологические принципы

Технологические принципы, так же как и химические, отра­жают общие тенденции в создании новых и в совершенствовании действующих производств, но отличаются от последних тем, что их реализация связана с технологическими приемами и метода­ми, такими, как организация потоков, использование совмещен­ных процессов и др.

Использование рециркуляции по компонентам и потокам. Любой технологический процесс в производствах отрасли осуществляется с учетом:

- положения равновесия обратимой реакции, которое может быть неблагоприятным и обусловливать низкую конверсию сырья;

- химической активности продуктов реакции, т.е. способности их вступать в дальнейшие химические превращения в услови­ях получения; это вынуждает проводить процесс при малых конверсиях за один проход и, следовательно, при циркуляции не прореагировавшего сырья;

- необходимости использования одного из реагентов в большом избытке для обеспечения желаемого направления реакции, а, следовательно, его рециркуляции;

- скорости реакций: при наличии очень быстрых реакций иног­да часть реакционных продуктов возвращают обратно в реак­тор, чем достигается их торможение;

- использования рециклов; при организации рециркуляции мно­гократно используют множество вспомогательных веществ.

Все это необходимо учитывать для достижения оптимальных па­раметров, которые часто можно достигнуть, только применяя раз­личные рециклы. В промышленности с целью полноты ис­пользования сырья и тепла широко распространена рециркуляция различных продуктов и потоков. В частности, наиболее широко при­меняется рециркуляция сырья с целью достижения 100 % общей кон­версии сырья, так как она за один проход редко достигает такого значения. Применение фракционированной рециркуляции позво­ляет осуществить в промышленности химические процессы, для ко­торых невозможны другие технологические решения. Можно ука­зать на четыре аспекта эффективного применения рециркуляции: технический, химический, технико-экономический и экологический.

На основе метода рециркуляции, комбинируя и кооперируя различные производства, технологические установки и комплек­сы, можно создать технологически замкнутый комплекс, рабо­тающий с максимальным использованием сырья. При этом ре­циркуляция дает возможность комплексно использовать не только сырье, но и энергию за счет более полной утилизации тепловой энергии потоков, отходящих из каждого химико-технологического элемента, что дает высокую экономию топлива и сокращает вы­брос не только веществ, но и тепла в окружающую среду. Такой подход одновременно повышает экономичность производства.

Рециркуляцию по отдельным или нескольким компонентам применяют в автоэкстрактивной, экстрактивной, азеотропной рек­тификации, экстракции, абсорбции, что позволяет разделять азео­тропные или близкокипящие смеси и значительно сократить за­траты энергии на их разделение.

Таким образом, рециркуляция применяется в следующих подсистемах:

- при подготовке сырья (куда возвращаются не прореагировавшие продукты);

- в реакторном узле (циркуляция хладагента или теплоносите­ля, а также непрореагировавших продуктов);

- на стадии конденсации или улавливания продуктов реакций (циркуляция хладагентов и абсорбентов);

- при разделении реакционной смеси (рециркуляции абсорбен­тов, экстрагентов, азеотропных и экстрактивных агентов, ав­тоэкстрактивных агентов и компонентов или их смесей с це­лью перераспределения полей концентраций между областями ректификации или изменения относительной летучести раз­деляемых компонентов).

Следовательно, применение рециркуляционных процессов, лежащих в основе комплексного производства, является одним из важнейших принципов решения двух главных проблем экологии – избежание загрязнения окружающей среды и истощения природных ресурсов.

Применение совмещенных процессов. Правильное применение совмещения различных процессов позволяет повысить не только конверсию реагентов, но и выход целевых продуктов при меньших затратах энергии. Для этого можно совмещать реакционные и массообменные процессы, а также несколько массообменных и реак­ционных процессов.

Полнота выделения продуктов из реакционной смеси. В мно­готоннажных производствах при незначительном содержании при­месей в сырье они будут выделяться в значительных количествах (иногда десятки тысяч тонн в год). Любые продукты (побочные для одного процесса) могут служить сырьем для других процессов или производств. При получении одновременно нескольких целевых продуктов их себестоимость будет ниже, чем в случае, когда их по­лучают отдельно каким-либо методом. Вместе с тем, если возмож­но использовать на последующих этапах смесь нескольких компо­нентов или какую-то фракцию, выделять все индивидуальные вещества не обязательно, учитывая то, что на разделение тратится большое количество энергии.

Разработка процессов с низким энергопотреблением. Одним из главных принципов создания технологии производств основного органического и нефтехимического синтеза является создание такой технологии, которая позволяла бы производить целевые про­дукты с минимальными затратами энергии. При таком осуществ­лении процессов значительно проще решать задачу регенерации тепла. Кроме того, если сокращается расход пара, то уменьшается и количество водяного конденсата, который необходимо исполь­зовать в производстве.

Полнота использования энергии системы. В производствах ос­новного органического и нефтехимического синтеза многие про­цессы протекают с выделением большого количества тепла.

Важным резервом экономии тепла в процессах производств НПЗ и НХЗ является повышение эффективности ис­пользования вторичных энергетических ресурсов (тепла газовых и жидких потоков), уровня регенерации тепла охлаждаемых про­дуктов, а также внедрение современных энерготехнологических си­стем.

Разработка технологии с минимальным расходом воды и ис­пользованием ее кругооборота. Большинство предприятий отрасли основного органического и нефтехимического синтеза относится к числу наиболее водоемких. Только один из заводов потребляет, около 50—100 тыс. т воды в час.

Одним из основных принципов разработки тех­нологии для безотходных производств является сокращение потреб­ления свежей воды и переход на замкнутые системы промышленного водоснабжения с повторным использованием в этих системах отра­ботанных сточных вод.

Полнота использования газовых потоков и очистка газовых вы­бросов. В производствах НПЗ и нефтехи­мического синтеза выделяется значительное количество газо­образных побочных продуктов (СО, CO₂, HCl, Cl₂, H₂, N₂, O₂ и др.), а, следовательно, получается большое количество газовых выбро­сов, содержащих продукты реакций, а также растворители и дру­гие вспомогательные вещества. В связи с этим очистка газовых по­токов от названных веществ позволяет решать одновременно две задачи:

- экологическую, когда очищаются газовые выбросы;

- экономическую, когда «уловленные» продукты могут быть ис­пользованы на производствах отрасли в качестве сырья или вновь выполнять вспомогательную роль (например, растворителя).

В настоящее время этот принцип широко используется пре­имущественно для решения первой задачи. Со временем вторая за­дача будет приобретать большее значение и этот принцип найдет комплексное применение.

Применение аппаратов и технологических линий большой единич­ной мощности. В последние три десятилетия непрерывно наращи­валась мощность отдельных агрегатов и установок производств ос­новного органического и нефтехимического синтеза.

Укрупнение мощностей агрегатов создает дополнительные ус­ловия для внедрения и эффективного использования более про­грессивных систем управления, основанных на применении со­временных средств автоматизации, передачи информации и вычислительной техники. Сейчас автоматическое управление является обязательным условием эффективной работы крупных агрегатов.

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

- потребность народного хозяйства в продукции и распределе­ние ее по отдельным районам;

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

- эксплуатационная надежность, так как остановка высокопро­изводительных агрегатов не только приводит к недополуче­нию продукции, но и в ряде случаев к остановке смежных агрегатов (остановка крупного агрегата на ремонт или в свя­зи с производственными неполадками может вызывать за­держки с поставкой продукции потребителям, простой смеж­ного оборудования и т.д.).

Вместе с тем увеличение мощности агрегатов и технологических линий приводит к сокращению капитальных затрат на единицу про­дукции и, к сокращению эксплуатационных за­трат.

Однако применение аппаратов большой единичной мощности как с экономической, так и с экологической точки зрения требует более тщательного анализа всей технологии с учетом других прин­ципов ее создания. В частности, наличие агрегатов большой еди­ничной мощности, работающих непрерывно, требует высокой надежности работы основного и всего вспомогательного оборудования, применения ЭВМ для управления и др.

Поэтому проблема обоснования мощности агрегатов и технологических линий включает не только непосредственное со­поставление технико-экономических показателей установок раз­личной мощности, но и рассмотрение влияния множества эконо­мических, экономико-географических и экологических условий.

Применение непрерывных процессов. Одним из важнейших принципов создания безотходных технологий является применение непрерывных процессов. Это объясняется следующими пре­имуществами таких процессов:

- создание технологий для безотходных производств требует вне­дрения новых методов регулирования и управления этими про­цессами, поддержания стабильности и точности всех парамет­ров работы аппаратов, что в значительной степени облегчается при непрерывном режиме работы установки и производства в целом;

- возможность достижения значительно большей производитель­ности оборудования за счет полноты его использования;

- получение более однородной по качеству продукции, что при­водит к значительному сокращению объема некачественной продукции, которая в большинстве случаев не находит квали­фицированного использования и требует дальнейшей перера­ботки или утилизации;

- легкость автоматизации, в частности, с применением микро­процессоров;

- высокая производительность труда;

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

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

Следовательно, возможность при непрерывных процессах дли­тельно поддерживать во всех аппаратах и во всей химико-техно­логической системе стационарное состояние обеспечивает мак­симальную производительность системы при минимальных затратах на средства автоматизации и необходимое качество всех продуктов и полупродуктов.

Таким образом, применение непрерывных процессов позволяет не только повышать экономические показатели производства, улуч­шать условия труда, но и повышать его экологические показатели, сокращая количество побочных продуктов или продуктов, не соот­ветствующих стандартам. Поэтому этот принцип является наибо­лее важным при создании безотходных технологий.

Полнота использования жидких и твердых отходов. В производстве НПЗ и нефтехимического синтеза образуется зна­чительное количество жидких отходов и значительно меньше твердых отходов (отработанные ка­тализаторы, адсорбенты, полимеры и др.). При создании безотходных производств необходима прежде всего их утилизация или переработ­ка. Это возможно сделать при переработке данных веществ в рамках основных технологических процессов или на отдельных установках в рамках основного производства (регенерация катализаторов, адсорбентов и т.д.). И, наконец, некоторые отходы (полимеры, олигомеры) могут использоваться в других производствах в качестве сырья.

Высокая степень автоматизации. Разработка технологии без­отходных производств предопределяет взаимосвязь технологии и автоматизации.

Автоматизация позволяет значительно повысить надежность и эффективность работы как отдельных аппаратов, так и всей си­стемы в целом. При этом наибольшая эффективность автома­тизированных систем управления достигается при широком ис­пользовании вычислительной техники.

Важное значение имеет внедрение автоматизированных систем уп­равления технологическими процессами (АСУТП). Причем пе­реход от локальной автоматизации к АСУТП позволяет снизить материальные затраты на производство продукции, повысить про­изводительность технологического оборудования и труда, внед­рить более рациональные формы организации производства и по­высить надежность всей технологической установки.

Наиболее распространенной в настоящее время является двух­уровневая структура технической реализации управления, когда на нижнем уровне имеется ряд мини-ЭВМ, выполняющих задачи подсистемы контроля, управления и частично или полностью ре­шающих задачи подсистемы оперативного управления. На верх­нем уровне находится более мощная ЭВМ, которая получает часть информации от мини-ЭВМ и выполняет функции, относящиеся к подсистемам планирования, учета и т.д.

Обеспечение высокой надежности и стабильности работы хими­ко-технологической системы.

На современном этапе проблема повышения надежности стала весьма актуальной и без ее решения вряд ли возможно дальнейшее укрупнение ведущих технологических агрегатов по производству многотоннажной химической продукции. В данном случае непрерыв­ность предопределяет равную надежность всех аппаратов, входящих в химико-технологическую систему. Кроме того, многотоннажность и применение аппаратов большой единичной мощности требует так­же высокой надежности всех аппаратов ХТС, так как выход из строя одного из аппаратов не только нарушает работу производства (ино­гда останавливается все производство), но и может серьезно влиять на окружающую среду. При проектировании безотходных производств необходимо заранее проводить расчет надежности работы не толь­ко отдельных аппаратов, но и всей ХТС, а также создавать условия ее стабильной работы.