Индекс использования резервов и время

исчерпания ресурсов [22]

Вид ресурса	ИИР		Время, год
	I	II	I	II
Уголь	0,05	0,10	2000	1000
Нефть	3,10	18,90	32	5,3
Фосфаты	0,06	0,30	1650	333
Железо	0,40	1,20	250	83
Алюминий	0,90	2,50	111	40
Уран	2,30	5,80	43,5	17,3

Из данных таблицы 2.2 следует, что разведанные запасы многих видов химического сырья могут быть исчерпаны уже при жизни ближайших поколений.

2.3 Концепция полного использования сырья

Оптимальному использованию сырьевых ресурсов отвечает выполнение нескольких условий организации труда с учетом конкретных затрат на всех этапах переработки.

Концепция полного использования сырья направлена на максимальный вклад целевого продукта, максимальное превращение сырья в полезные продукты.

Рассмотрим некоторые методы достижения этой цели [6,7,8,13].

Выбор схемы процесса – важнейший этап, на котором можно добиться улучшения использования сырьевых ресурсов. Винилхлорид получают в две стадии – хлорирование этилена и дальнейший пиролиз образовавшегося дихлорэтана:

Избирательность каждой из стадий 95%, образуется НСl как отход. Выход винилхлорида по этилену - 90%, а по второму веществу, хлору, – 50%.

Перейдя к одностадийной схеме окислительного гидрохлорирования с заменой одного из продуктов – (хлора) на другой (хлористый водород)

с избирательностью 95%, удалось разработать процесс с 95%-м выходом продукта по обоим исходным компонентам.

Избыток одного из реагентов – как правило, более дешевого и доступного, а также возможность вернуть его в процесс. Используют два фактора влияния избытка реагента на увеличение выхода продукта [7].

а) Термодинамический фактор заключается в том, что избыток одного реагента увеличивает равновесное превращение другого. В паровой конверсии метана (СН₄ + Н₂О = СО + 3Н₂) стехиометрическое соотношение реагентов СН₄:Н₂О = 1:1. В промышленных условиях (Р = 30 МПа, t = 900ºС) равновесная степень превращения СН₄ для исходной смеси указанного состав Х_р = 0,58. При соотношении СН₄:Н₂О = 1:4 (четырехкратный избыток Н₂О) Х_р = 0,96. Это соотношение использовано в промышленности.

б) Кинетический фактор обусловлен особенностями механизма и кинетики протекающего процесса. В окислении аммиака 4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O стехиометрическое соотношение реагентов О₂:NH₃ = 1,25. Реакция протекает во внешнедиффузионной области и лимитируется переносом аммиака на поверхность катализатора – его концентрация у поверхности катализатора мала. При стехиометрическом соотношении реагентов также мала будет концентрация кислорода. В этих условиях NH₃ окисляется в основном до N₂. Необходим избыток кислорода, чтобы он вытеснил аммиак с поверхности катализатора, и тогда последний окисляется преимущественно до NO. Используя соотношение О₂:NH₃ = 1,8, создают оптимальный избыток кислорода на поверхности катализатора, что позволяет с высокой селективностью окислить NH₃ в NO.

Противоточный контакт фаз – известное решение, обеспечивающее максимальную движущую силу процесса переноса, например противоточное движение теплоносителей в теплообменнике, абсорбция водой оксидов азота. Противоточное движение фаз при абсорбции окислов азота водой представлено на рис. 2.2.

Рис. 2.2 Схема противоточного движения фаз

в абсорбционной колонне

Для максимального поглощения оксидов жидкая фаза должна быть слабокислой. В верхней части абсорбера, куда подается вода, концентрация кислоты минимальная, и отходящие газы содержат мало оксидов азота. Поглощение происходит почти полостью. Это характерно для всех сорбционных процессов.

Рецикл используют при неполном превращении исходных реагентов. Для этого в системе разделения после реактора выделяют непрореагировавшие реагенты и возвращают в химический процесс. Типичным примером является синтез аммиака, в котором после конденсации и сепарации аммиака оставшуюся азотоводородную смесь снова направляют в реактор. Во многих процессах нефтехимического синтеза образуется целый ряд продуктов. Их разделяют в многоколонной системе, и выделенный исходный компонент возвращают в систему вместе со свежей смесью. В этих случаях при неполном превращении реагентов в реакторе общее превращение исходного компонента в системе будет полным.

Регенерация с рециклом. В процессах с рециклом часто применяют вспомогательные материалы, которые вводят после проведения химической реакции и регенерируют на стадии выделения целевых продуктов или непрореагировавшего сырья. Например, в схеме очистки азотоводородной смеси от СО₂ в производстве аммиака используют абсорбент – моноэтаноламин (МЭА) (см. рис.2.3). При абсорбции СО₂ водным раствором МЭА в абсорбере 1 реакционную смесь подогревают (аппарат 2) и направляют на десорбцию. В десорбере 3 выделяют СО₂, а регенерированный раствор МЭА возвращают на абсорбцию.

В случае синтеза стирола дегидрированием этилбензола в систему ректификации продуктов реакции добавляют элементарную серу для предотвращения полимеризации стирола. Продукты реакции вместе с серой накапливаются в кубовых остатках ректификации стирола (КОРС). Серу регенерируют растворением в углеводородной среде с последующей ее кристаллизацией при охлаждении.

Рис. 2.3 Схема регенерации МЭА

Утилизация отходов позволяет получить дополнительные полезные вещества из побочных продуктов реакции, практически всегда образующиеся вместе с целевым продуктом (непрореагировавшие исходные вещества, побочные продукты реакции и примеси, имеющиеся в сырье). При синтезе аммиака часть циркулирующей азотоводородной смеси непрерывно выводят из системы. Это связано с тем, что свежая азотоводородная смесь содержит незначительное количество примесей, в основном метан, который не выводится с аммиаком и накапливается в цикле. Для предотвращения значительного накопления, приходится часть потока выводить из системы (как говорят, «необходима отдувка»), что мало сказывается на полноте использованного сырья. В производстве аммиака применяют воздух как источник азота. С воздухом в азотоводородную смесь попадает аргон. Выделяя аргон из отходящего газа, получают дополнительный ценный продукт.

Производство фенола и ацетона кумольным методом включает последовательные стадии синтеза изопропилбензола, гидропероксида изопропилбензола и кислотного разложения последнего на фенол и ацетон:

Рис. 2.4 Блок-схема утилизации фенольной смолы

Утилизация фенольной смолы позволяет извлечь до 85% ценных химических продуктов (рис. 2.4).

Альтернативное сырье. Использование невозобновляемого сырья заставляет искать не только способы его полного использования, но и другие сырьевые источники. Использование отходов других производств – одно из направлений расширения сырьевых источников. Другое направление – альтернативные источники первичного сырья.

Получение сырья для нефтехимической промышленности в основном базируется на трех ведущих процессах переработки нефти – каталитический крекинг (насыщенные и ненасыщенные углеводороды С₃ – С₄), термический пиролиз (этилен и другие низшие олефины) и каталитический риформинг (бензол и другие ароматические углеводороды). Нефтепереработка обеспечивает также выработку таких важных продуктов, как моторные топлива (бензин, дизельное топливо и др.). Относительная ограниченность запасов нефти при высоких объемах ее добычи, ухудшение качества нефти вновь открываемых месторождений и, как следствие, значительный рост затрат на их разработку обусловливают изменение структуры и диверсификацию сырьевого баланса для получения моторных топлив и органического синтеза. В этом отношении большую перспективу имеют другие горючие ископаемые (см. рис. 2.5).

Уголь – самое распространенное углеродсодержащее полезное ископаемое. По оценке мировой энергетической комиссии (МИРЭК – ХII), извлекаемые запасы угля составляют 720 млрд.

Рис. 2.5 Основные направления переработки некоторых видов сырья альтернативных нефти

тонн условного топлива (т.у.т.), а потенциальные ресурсы достигают 10500 млрд. т.у.т.

Интерес к углю, как альтернативному источнику сырья за последние годы возродился. Известны несколько методов, которые используются для превращения угля в жидкие углеводороды и топливо. Наибольшее значение приобрели гидрогенизация угля и газификация до СО и Н₂ с последующим каталитическим синтезом углеводородов.

Существуют два основных направления переработки синтез-газа. Первое – превращение синтез-газа в этилен и другие углеводороды, которые в свою очередь могут быть переработаны в промышленно важные химические продукты. Второе направление – прямое превращение синтез-газа или метанола, полученного из синтез-газа, в целевые продукты органического синтеза и моторные топлива.

Моторные топлива и сырье для органического синтеза могут быть получены также из битуминозных нефтей, сланцев, природного газа.

Использование возобновляемых сырьевых ресурсов. В связи с непрерывным удорожанием полезных ископаемых для производства органических продуктов и полимерных материалов все в больших масштабах начинают применять продукты растительного происхождения. Помимо древесины потенциальным растительным сырьем вступают продукты (полуфабрикаты, отходы) сельского хозяйства (меласса, крахмал и др.).

Лесоперерабатывающая промышленность нашей страны использует более 240 млн. м³/ год или 70% всей заготовленной древесины. Продукты, получаемые после первичной химической обработки древесины, играют важную роль в производстве пластмасс, искусственного волокна и полимерных материалов. Кроме того, выработка этанола и углеводородов из древесины уменьшает потребление для этих целей пищевого сырья.

Возрастает перечень новых материалов, производимых из древесины. Создан королитматериал со свойствами деревобетона, который получается после специальной обработки коры деревьев – отхода лесообрабатывающей отрасли [6].

Комбинированные химико-технологические процессы и комплексное использование сырья. Комбинированное производство, или комбинированная химико-технологическая система, представляет собой комплекс взаимосвязанных технологических процессов для производства одного или нескольких продуктов [6,7].

Характерным примером является совместное производство карбамида СО(NН₂)₂ и аммиака NН₃. Карбамид, получают взаимодействием NН₃ и СО₂:

Оба исходных вещества образуются в аммиачном производстве:

Таким образом, из 1 моля СН₄ можно получить 1 моль карбамида и 2/3 моль аммиака. Оба технологических процесса объединены не только линиями передачи СО₂ и NН₃, но и другими вспомогательными связями – материальными и энергетическими. Понятно, что можно организовать и две отдельные ХТС, продукты одной из которых являются сырьем для другой. Поэтому грань между комбинированным производством и последовательностью отдельных производств условна.

Классифицируем комбинированные производства. Первый, подобный описанному выше, - взаимосвязанные ХТС для производства двух и более продуктов. Второй тип – комбинированные взаимосвязанные различные химико-технологические процессы (или ХТС), производящие один продукт. Пример – производство винилхлорида. Исходным сырьем для него является этилен, получаемый пиролизом нафты, основным процессом – хлорирование этилена. Можно продолжить два варианта комбинирования производства второго типа. Первый вариант заключается в следующем. Этилен разделить на два потока и один из них направить на процесс хлорирования. Выделяющийся при этом хлороводород направить на окислительное хлорирование этилена до винилхлорида.

Другой вариант основан на изменении условий пиролиза, при которых можно получить в равных количествах этилен и ацетилен. Этилен хлорируют до винилхлорида, а выделяющийся НСl направляют на гидрохлорирование ацетилена с получением также винилхлорида.

В обоих вариантах почти вдвое сокращается расход одного из компонентов – хлора. При таком комбинировании получают в двух связанных друг с другом различных химико-технологических процессах один и тот же продукт. Кроме того, во втором варианте оба процесса получения продукта технологически зависят от третьего – пиролиза нафты.

Более высоким уровнем комбинирования производств было бы замкнутое производство. В него поступает сырье и выходят только полезные потребляемые продукты для других производств. Вспомогательные материалы, имеющиеся отходы химико-технологического процесса полностью используются для обеспечения процесса в замкнутых циклах. Производств, полностью отвечающих определению замкнутого, практически нет.

Комбинированное химическое производство не решает до конца проблемы использования всего вещественного (или компонентного, элементного) потенциала сырья. Замкнутое производство нереально из-за многокомпонентности сырья. Полное использование вещественного потенциала сырья возможно при комплексной переработке сырьевых ресурсов, обеспечиваемой многими отраслями промышленности.

Примером комплексного использования большинства составляющих компонентов минерального сырья является начатая в химической промышленности переработка апатито-нефелиновых руд Кольского полуострова. Она предусматривает получение апатитового, нефелинового, титаномагниевого и сфенового концентратов и их последующую переработку в фосфорные и бесхлорные калийные удобрения, глинозем, кальцинированную соду, поташ, коагулянты, фтористые соли, портланд-цемент, извлечение диоксида титана и соединений редких металлов.

Концепция полного использования сырья реализуется в стремлении углубить переработку нефти и получить из нее максимум целевых продуктов. Разработанные и применяемые ныне технологические процессы переработки тяжелых остатков нефти позволяют увеличить отбор светлых нефтепродуктов до 75-80%.

Комплексная переработка сырья – наиболее перспективное направление в решении концепции полного использования сырьевых ресурсов.

Контрольные вопросы по ІІ разделу

«Ресурсы. Рациональное использование сырья и материалов »

1. Определение терминов: резервы, запасы, ресурсы

2. Классификация резервов и запасов нефти и газа

3. Понятие «безотходность» в химической промышленности

4. Пути оптимального использования сырьевых ресурсов

5. Классификация сырья

6. Способы добычи и подготовки сырья

7. Концепция полного использования сырья

Тестовые задания к разделу

«Ресурсы. Рациональное использование сырья и материалов »

2.1. Урановая руда относится к типу сырьевых ресурсов:

А. возобновляемое

Б. невозобновляемое

В. нерудное

Г. вторичное

2.2. К возобновляемым видам сырья относятся:

попутный газ

А. древесина

Б. торф

В. нефть

Г. горючие сланцы

2.3. К рудным видам сырья относятся:

А. самородная сера

Б. аппатиты

В. известняк

Г. магнитный железняк

Д.газовый конденсат

2.4. В сернокислотном производстве неконтактированный газ относится к:

А. побочному продукту

Б. полупродукту

В. отходу

Г. попутному продукту

2.5. Горючим ископаемым не является:

A. сера

Б. попутный газ

В. природный газ

Г. горючие сланцы

2.6. Параметры технологического режима:

А. выход готового продукта

Б. температура

В. селективность

Г. давление

Д. константа скорости ХТП

2.7. Селективность ХТП есть отношение:

А. количества целевого продукта к количеству побочного продукта

Б. количества целевого продукта к количеству всего превращенного сырья

В. количества исходного продукта, превратившего в целевой продукт к количеству всего превращенного исходного вещества

Г. количества целевого продукта к количеству всех продуктов (целевого и побочного)

8. . Расходный коэффициент, характеризует расход сырья на единицу:

А. массы побочного продукта

Б. объема побочного продукта

В. массы целевого продукта

Г. объема целевого продукта

Д. моля продукта

8. . Технико-экономический уровень химического производства определяется:

А. константой скорости ХТП

Б. степенью превращения

В. константой равновесия

Г. селективностью (избирательностью)

Д. фазовым состоянием