Лекции по технологии, оборудованию заводов и производств бав

Промышленное производство химического продукта осуществляется в ходе химико-технологического процесса (ХТП). Химико-технологический процесс – это совокупность технологических стадий для получения определённого конечного продукта заданного качества и в установленном объёме.

Химическое производство представляет собой следующую иерархическую структуру (по горизонтали):

1. подготовка сырья;

2. химическое превращение;

3. выделение целевых продуктов.

Каждая из стадий может содержать произвольное число разнородных процессов, различающихся природой определяющих явлений, а именно:

а) механические процессы: измельчение твёрдых веществ и их транспортирование, сепарирование сыпучих веществ;

б) гидродинамические процессы: перемещение жидкостей и газов в трубопроводах и аппаратах, получение и разделение неоднородных систем газ-жидкость (туманы), газ-твёрдое вещество (пыли), жидкость-твёрдое вещество (суспензии), жидкость-жидкость (эмульсии);

в) тепловые процессы: теплообмен, испарение и конденсация, кипение, выпаривание;

г) массообменные (диффузионные) процессы: экстракция, абсорбция, адсорбция, кристаллизация, мембранные процессы, ректификация;

д) химические процессы: химические превращения в реакторах;

е) биохимические процессы: биохимические превращения в реакторах, аэротенках.

На каждой стадии любого химико-технологического процесса протекают обычно различные типовые процессы. Например, на стадии подготовки сырья – наиболее разнородная группа типовых процессов, в зависимости от агрегатного состояния и степени подготовленности сырья: массообменные, гидродинамические, механические процессы и др.

Химико-технологическому процессу и каждой его стадии соответствует определённый аппаратурный эквивалент – технологическое оборудование. Минимальная совокупность основного и вспомогательного оборудования, необходимого для реализации стадии ХТП, называется технологическим узлом (агрегатом). Последовательность технологических узлов, связанных в соответствии со стадиями ХТП, представляет собой технологическую схему производства химического продукта или химико-технологическую схему (ХТС) определённого уровня иерархии (отделение, цех, завод, отрасль).

Современные тенденции развития химической технологии

При разработке нового современного химико-технологического процесса необходимо учитывать основные тенденции развития химической технологии. К ним относятся:

1. создание агрегатов большой единичной мощности;

2. разработка экологически чистых технологий;

3. использование совмещённых мобильных технологических схем при производстве малотоннажных продуктов;

4. повышение энергетической эффективности химических производств;

5. применение математического моделирования.

Рассмотрим подробнее некоторые из них.

Необходимость увеличения мощности единичных технологических агрегатов связана с ростом потребности народного хозяйства в большинстве видов химической продукции и ограничением площадей для размещения химических производств. При этом обеспечивается сокращение капитальных затрат, уменьшение амортизационных отчислений в себестоимость продукта, увеличение производительности труда, сокращение численности обслуживающего персонала и заработной платы (на единицу готовой продукции), снижение расходов на ремонт оборудования. Использование в технологических схемах агрегатов большой мощности увеличивает возможности размещения технологического оборудования на открытых площадках, а также повышения энергетической эффективности производств за счёт тепла высокотемпературных экзотермических процессов.

Реализация этой тенденции развития химической технологии наиболее характерна для многотоннажных непрерывных производств, однако увеличение мощности основного оборудования происходит и в производствах периодического действия.

Для производств органических красителей и промежуточных продуктов (как и для многих производств тонкого органического синтеза) характерны чрезмерно большие показатели материального индекса (до 100 т/г готового продукта), что свидетельствует не только о технологической сложности производств, но и об их несовершенстве, приводящем к удалению из технологических схем большого количества отходов. Последние делятся на газообразные (отходящие газы), жидкие (сточные воды) и твёрдые. Рассмотрим кратко пути их образования и возможные способы решения задачи создания безотходных или малоотходных технологий (исключающих или уменьшающих загрязнение окружающей среды).

Образование отходов возможно в следующих случаях:

а) в ходе основной реакции, приводящей к получению готового продукта (например, оксидов железа (II) и (III) при восстановлении ароматических нитросоединений чугунной стружкой в присутствии электролита);

б) в ходе побочных реакций (1,8-дибензоилнафталин в производстве 1,5-дибензоилнафталина из нафталина и бензоилхлорида);

в) при использовании избытка реагента, необходимого для проведения процесса (избыток сульфирующего агента при жидкофазном сульфировании);

г) на стадии выделения основного продукта (высаливание сульфокислот, кислотных и прямых красителей);

д) на стадиях очистки готового продукта (кубовые остатки при перегонке и ректификации, фильтраты после кристаллизации).

В совершенных технологиях практически исключается образование отходов на стадиях химического превращения (что, например, достигнуто при каталитическом восстановлении нитросоединений водородом – вместо восстановления чугунной стружкой или сульфидами натрия).

Некоторые побочные продукты, образующиеся при синтезе основного продукта, нашли промышленное применение – например, 1-аминонафталин-5-сульфокислоту, образующуюся в производстве 1-аминонафталин-8-сульфокислоты (пери-кислоты), используют для получения азокрасителей; ацетон, образующийся при производстве фенола кумольным методом, служит сырьём для получения дикетена и важным растворителем.

Значительное уменьшение расхода сульфирующего агента достигнуто при переходе от жидкофазного к парофазному сульфированию бензола. Аналогично сульфированию бензола в парах возможно организовать его нитрование (что перспективно при решении проблемы отработанной серной кислоты).

Горючие отходы, получаемые на стадиях перегонки, используют как топливо, что повышает энергетическую эффективность производств.

Важной задачей является разработка эффективных способов обезвреживания или уничтожения отходов (при улавливании отходящих газов, для органических и неорганических примесей, находящихся в сточных водах).

Для производств тонкого органического синтеза характерны небольшой тоннаж, разнообразный ассортимент выпускаемой продукции и достаточно частая его смена, что определяет целесообразность применения совмещённых технологических схем, рассчитанных для последовательной наработки ряда продуктов. Так, в производстве органических красителей и промежуточных продуктов, из которых 90% организованы периодическим способом, эксплуатируется около 600 технологических схем для выпуска продуктов примерно 1300 наименований.