Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологии основных производств химической и нефтехимической промышленности. Часть 1. Исторические аспекты развития химической и нефтехимической промы.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический университет»
Н. В. Орлова, Н. Ц. Гатапова, Н. В. Алексеева
ТЕХНОЛОГИИ ОСНОВНЫХ ПРОИЗВОДСТВ
ХИМИЧЕСКОЙ И НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
В двух частях
Часть 1
ИСТОРИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ ХИМИЧЕСКОЙ
И НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Утверждено Учёным советом университета
в качестве электронного учебного пособия для студентов вузов,
обучающихся по направлению подготовки 18.03.02, 18.04.02
«Энерго- и ресурсосберегающие процессы химической технологии,
нефтехимии и биотехнологии»
Учебное электронное издание
Тамбов
♦ Издательство ФГБОУ ВО «ТГТУ» ♦
2017
1
УДК 66.011
ББК Л11-2р
О-66
Рецензенты:
Доктор технических наук, и.о. заведующего кафедрой
«Химия и химические технологии» ФГБОУ ВО «ТГТУ»
А. В. Рухов
Кандидат технических наук,
начальник инженерно-технологического отдела ПАО «Пигмент»
Л. Н. Чемерчев
О-66
Орлова, Н. В.
Технологии основных производств химической и нефтехимической
промышленности [Электронный ресурс] : учебное пособие : в 2 ч. /
Н. В. Орлова, Н. Ц. Гатапова, Н. В. Алексеева. – Тамбов : Изд-во
ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2017. – 2 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Системные требования : ПК не ниже класса Pentium II ; CD-ROM-дисковод ;
RAM ; Windows 95/98/XP ; мышь. – Загл. с экрана.
ISBN 978-5-8265-1741-3
Ч. 1 : Исторические аспекты развития хи
ской промышленно
1 электрон. опт. диск ;
ISBN 978-5-8265-1742-0
Рассматриваются исторические аспекты развития химической и нефтехимической промышленности, её состояния и перспективы развития химического
комплекса РФ: отраслевой состав химической промышленности, значение и
развитие химической промышленности, основные направления развития химической промышленности, этапы развития химической промышленности, роль
научных исследований в развитии химической промышленности, регионы химической промышленности мира, современное состояние и тенденции развития химического комплек
ции, реализуемые дисциплинами, входящими в ООП и предусмотренные
ФГОС по направлению подготовки бакалавров по направлениям подготовки
18.03.02, 18.04.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы химической технологии, нефтехимии и биотехнологии».
Предназначено для студентов вузов, обучающихся по направлениям подготовки 18.03.02, 18.04.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы химической технологи
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.
ISBN 978-5-8265-1742-0 (ч. 1)
ISBN 978-5-8265-1741-3
2
Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.
сти. – Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2017. –
29,8 Mb ; RAM.
са. П
озволяет освоить профессиональные компетен-
и, нефтехимии и биотехнологи
© Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический
университет» (ФГБОУ ВО «ТГТУ»), 2017
мической и нефтехимиче-
и».
УДК 66.011
ББК Л11-2р
ВВЕДЕНИЕ
Место химической индустрии в развитии экономики страны определяется
её важной ролью как одного из крупных базовых комплексов народного хозяйства России, который обеспечивает многие отрасли промышленности и
сельское хозяйство сырьём, социально-ориентированной продукцией, способствует формированию прогрессивной структуры производства и потребления,
развитию новейших отраслей и направлений, обеспечивает экономию и сохранение жизнен
но важных ресу
рсов, повышение производительности труда в
смежных отраслях. Всё большее значение приобретает использование химических технологий и методов при очистке и обезвреживании жидких и газообразных сред в различных отраслях, переработке и утилизации отходов.
В состав химической промышленности входит много отраслей, которые про-
изводят десятки тысяч видов продукции. Уровень их раз
вития силь
но различается.
По производству серной кислоты Россия занимает второе место в мире, по выпуску минеральных удобрений – пятое, синтетических смол – четырнадцатое.
Химическая промышленность, наряду с машиностроением и электроэнергетикой, влияет на развитие научно-технического уровня в стране. Значение
химической промышленности определяется рядом особенностей, которые
влияют и на размещение её пр
– во-перв
ых, она создаёт новые материалы, которых нет в природе. По
едприятий:
своим качествам они часто превосходят натуральные продукты. Их применение экономит труд людей и сырьё. Поэтому предприятия химической промышленности часто создают в уже сложившихся районах, центрах производства и потребления традиционных конструкционных материалов (машиностроительных центрах, металлургических базах);
– во-вт
орых, у хи
мической промышленности почти неограниченная
сырьевая база: нефть, газ, древесина, вода, воздух и т.д. При этом очень часто
один и тот же продукт можно получать из разных видов сырья. Например,
азотные удобрения можно производить на основе коксования угля, электролиза воды, переработки нефти и природного газа. По
этому теоретически пр
едприятия химической промышленности можно создать повсеместно. Но на сегодняшний день в основном используются продукты нефте- и газопереработки,
т.е. специально подготовленное сырьё. В результате современная химия в значительной мере тяготеет к районам добычи и переработки этих видов сырья;
– в-третьих, химические технологии очень разнообразны. Это откры
мные возможности для комплексной переработки сырья. Так, например,
огро
вает
из нефти получают сотни видов продукции. Поэтому и в самой химической
промышленности, и при её взаимодействии с другими отраслями широко развито комбинирование. Оно способствует формированию разнообразных комбинатов: химических, коксохимических, нефтехимических, лесохимических и др.
Особенность химической промышленности – очень широкая, разнообраз-
ная по с
оставу сырьевая баз
а. Она включает горнохимическую промышлен-
ность (добычу серы, фосфоритов, калийных солей, поваренной соли и т.д.).
3
Её обычно в большинстве стран мира (кроме России) относят к добывающей.
Важнейшими поставщиками сырья являются также отрасли, которые не входят в состав самой химической промышленности (нефтехимическая, коксохимическая, газохимическая, лесохимическая, сланцехимическая). Они поставляют не только сырьё (чаще всего, углеводородное, серу и т.д.), но и полупродукты (серную кислоту, сп
половине XX в. – повсеместный и широкий переход химической промышленности на использование продуктов переработки нефти, попутного и природного газа: из них получают подавляющую часть продукции отрасли.
Специфические особенности химической промышленности, влияющие на
её размещение, следующие:
1) высокая энергоёмкость (в первую очередь теплоёмкость) в отраслях,
анных со ст
связ
риалов, продукция органического синтеза, электрохимические процессы и др.);
2) высокая водоёмкость производств (охлаждение агрегатов, технологи-
ческие процессы);
3) невысокая трудоемкость большинства производств отрасли;
4) высокая капиталоёмкость;
5) большие объёмы используемого сырья и многих видов готовой про-
дукции;
6) экологические проблемы, обусловленные производством и потребле-
нием ряда химических продуктов.
руктурной перестройкой вещества (получение полимерных мате-
ирты и т.д.)
. Важнейший результат НТП во второй
1. ИСТОРИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ХИМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
1.1. ОТРАСЛЕВОЙ СОСТАВ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Химическая промышленность объединяет множество специализированных отраслей, разнородных по сырью и назначению выпускаемой продукции,
но сходных по технологии производства.
Химический комплекс РФ включает в себя химическую и нефтехимическую промышленности.
Отрасли химической промышленности:
9 горно-химическая (добыча и обогащение химического минерального сы-
рья – фосфоритов, апатитов, калийных и поваренных солей, серного колчедана);
9 осно
слот, минеральных солей, щелочей, удобрений, химических кормовых средств,
хлора, аммиака, кальцинированной и каустической соды);
9 органическая химия:
9 производство синтетических красителей (выработка органических
красителей, полупродуктов, синтетических дубителей);
вная (неорганическая) химия (производство неорганических ки-
4
9 производство синтетических смол и пластических масс;
9 производство искусственных и синтетических волокон и нитей;
9 производство химических реактивов, особо чистых веществ и катали-
заторов;
9 фотохимическая (производство фотокиноплёнки, магнитных лент и
других фотоматериалов);
9 лакокрасочная (получение белил, красок, лаков, эмалей, нитроэмалей
и т.п.);
9 химико-фармацевтическая (производство лекарственных веществ и
препарат
ов);
9 прои
зводство химических средств защиты растений;
9 производство товаров бытовой химии;
9 производство пластмассовых изделий, стекловолокнистых материа-
лов, стеклопластиков и изделий из них.
9 микробиологическая отрасль.
Отрасли нефтехимической промышленности:
9 производство синтетического каучука;
9 производство продуктов основного органического синтеза, включая
нефтепродукты и технический углерод;
9 резиноасбестовая (производство резинотехнических, ас
бестовых из-
делий).
Кроме тог
о, на базе отходящих газов и побочных продуктов определённая
часть химической продукции вырабатывается в коксохимической промышленности, цветной металлургии, целлюлозно-бумажной, деревообрабатывающей
(лесохимия) и других отраслях. По технологическому признаку к химической
промышленности можно отнести производство цемента и других вяжущих,
керамики, фарфора, стекла, ряда продуктов пищевой, а также микр
обиоло
гической промышленности (белково-витаминные концентраты, аминокислоты,
витамины, антибиотики и др.).
Важнейшим преимуществом применения химических процессов и материалов является возможность создания материалов с заранее заданными
свойствами, обладающими необходимой лёгкостью и прочностью, антикоррозийными и диэлектрическими свойствами, способностью работать в экстремальных условиях.
Применение искусственных и синтетических материалов обеспечивает
значительное, часто реша
ющее, повышение п
роизводительности труда, снижение себестоимости выпускаемой продукции, улучшение её качества, облегчает условия и повышает культуру производства, высвобождает трудовые и
материальные ресурсы.
Полимерные материалы вызвали подлинную революцию почти во всех
отраслях экономики. Применение пластмасс, резины, лакокрасочных материалов и химических волокон облегчает массу самолётов, кораблей, автомобилей,
увеличивает их ск
орости, сб
ерегает значительное количество дорогих и дефицитных материалов, продлевает жизнь машин и оборудования, повышает их
производительность.
5
Особенно широко используются в машиностроении пластмассы и синтетические смолы, синтетический каучук и резины, химические волокна и изделия из них, краски и лаки.
В сельском хозяйстве основная часть прироста урожая достигается за
счёт применения минеральных удобрений, химических средств защиты растений.
В некоторых случаях, особенно для новых отраслей техники, химические
родук
п
ты оказываются незаменимыми (в микроэлектронике, приборострое-
нии, атомной и ракетной технике).
Внедрение в производство продуктов химии приводит к громадному народнохозяйственному эффекту в виде экономии дефицитных и дорогостоящих
природных материалов.
1.2. ЗНАЧЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Уровень развития химической промышленности наряду с металлур-
гией, энергетикой, машино- и приборостроением определяют экономический потенциал государства. Именно поэтому все развитые страны большое
внимание уделяют улучшению химической технологии, разработке принципиально новых технологических процессов, развитию химического машиностроения, совершенствованию научных исследований, созданию новых катализаторов.
Химическая промышленность обеспечивает народное хозяйство о
ным количест
вом всевозможных продуктов, без которых была бы невозможна
гром-
жизнь современного общества.
В результате химической переработки ископаемого топлива (каменного угля,
нефти, сланца и торфа) народное хозяйство получает такие важнейшие продукты,
как кокс, моторные топлива, смазочные масла, горючие газы и большое количество органических веществ. Химия и химическая промышленность дают стране
отну
аммиак, аз
ю, серную и фосфорную кислоты, из которых получают минеральные удобрения. Из широкораспространённой в природе поваренной соли
получают едкий натр (гидроксид натрия), хлор, соляную кислоту, соду, которые,
в свою очередь, применяются в производстве алюминия, стекла, бумаги, мыла,
хлопчатобумажных и шерстяных тканей, пластических масс, искусственного
волокна и т.п. Пластические массы, ак
тивированный уголь, безды
мный порох,
уксусную кислоту, этиловый и метиловый спирты, ацетон, канифоль, соединения ароматического ряда получают при химической переработке древесины.
Современная металлургическая промышленность и машиностроение,
космонавтика, авиационный и автомобильный транспорт, производство строительных материалов и большинства товаров народного потребления получили
мощное развитие благодаря химии.
Продовольственная программа РФ предусматривает вс
зацию сельского хо
6
зяйства. Без современных высокоэффективных и высоко-
естороннюю хими-
качественных минеральных удобрений, ядохимикатов (средств борьбы с вредителями и сорняками), консервантов и искусственных кормов интенсивное
сельскохозяйственное производство невозможно.
В целях охраны биосферы широко применяют химические способы очистки газов и сточных вод различных предприятий (например, энергетических,
целлюлозно-бумажных, металлургических).
В быту и коммунальном хозяйстве используют многие продукты химической промышленности.
3. ОСНОВНЫЕ Н
1.
АПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ХИМИЧЕСКОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Совершенствование химической техники направлено на повышение производительности труда, улучшение качества готовой продукции и снижение её
себестоимости. Главные взаимосвязанные направления в развитии химиче-
ской техники: 1) увеличение мощностей химико-технологических систем
(ХТС) и отдельных аппаратов путём повышения их размеров; 2) интенсифика-
ция работы аппаратов; 3) механизация трудоёмких процессов; 4) комплексная
автоматизация химико-технологических систем и отд
ельных аппаратов с пр
именением управляющих электронно-вычислительных машин (ЭВМ); 5) замена
периодических процессов непрерывными; 6) снижение энергозатрат и максимальное использование теплоты химических реакций; 7) уменьшение числа
стадий производства и переход к замкнутым (циклическим) системам; 8) создание безотходных производств.
Увеличение мощностей ХТС и отдельных аппаратов приводит к соответст-
ению условий работы,
вующему повышению их производительности и ул
учш
как правило, без возрастания штата рабочих, обслуживающих данный аппарат.
Увеличение размеров и производительности аппаратов снижает капиталовложения и облегчает возможность автоматизации производства. Исходя из
экономической эффективности, непрерывно увеличивают мощность вновь
устанавливаемых машин и аппаратов. Например, мощность основных реакторов сернокислотного и аммиачного производства возросла за последние двадцать лет в 30
раз. Однак
о при чрезмерном возрастании масштабов отдельных
установок и целых ХТС резко увеличиваются потери предприятия при аварийных остановках и плановых ремонтах. Поэтому во многих отраслях дальнейшее повышение единичной мощности не рационально.
Интенсификация достигается двумя путями: 1) улучшением конструкции аппаратов; 2) совершенствованием технологических процессов в аппаратах данно
го вида. Эти два пут
и тесно связаны между собой. С улучшением
конструкции аппарата интенсивность химического процесса повышается. Увеличению интенсивности способствуют: повышение температуры, давления и
концентрации реагирующих масс, усиление перемешивания компонентов, увеличение поверхности соприкосновения между взаимодействующими веществами, применение катализаторов, а также механизация и автоматизация процессов.
7
Механизация – замена физического труда человека машинным. Механизация закономерно повышает производительность труда за счёт интенсификации работы аппаратуры и сокращения штата обслуживающего персонала.
В большинстве химических производств основные операции уже механизированы. Однако загрузка сырья, выгрузка и транспортировка материалов ещё не всегда выполняются машинами; именно механизация этих стадий производства и
представляе
т главную п
роблему настоящего времени.
Комплексная автоматизация – применение приборов, позволяющих
осуществлять производственный процесс без непосредственного участия человека, а лишь под его контролем. Автоматизация – высшая степень механизации, позволяющая резко увеличить производительность труда и улучшить
качество продукции.
Для комплексной автоматизации производства можно применять самые
разнообразные устройства. В особо сложных производствах используют элек-
нно-вычисл
тро
ительные машины. Они получают информацию о ходе процесса
от различных приборов-измерителей, вычисляют оптимальные условия процесса по заданной программе и посылают команду приборам-исполнителям.
Наиболее эффективно в химической промышленности применение автоматизированных систем управления технологическим процессом целых производств с применением управляющих ЭВМ.
Однако в некоторых случаях ещё трудн
о или нер
ационально применять
полную автоматизацию. Тогда используют дистанционное управление. Дистанционное управление – это неполная автоматизация, при которой регулирование режима процесса осуществляется человеком на расстоянии (например, с
пульта управления).
Замена периодических процессов непрерывными – характерное для хи-
мической промышленности направление технического прогресса, тесно свя-
кции и ус-
занное с интенсификацией процессов, улучшением качества про
ду
ловий труда. Переход к непрерывным процессам, так же как применение конвейеров в механической технологии, повышает производительность труда.
Периодическим называется процесс, в котором порция сырья загружается
в аппарат, проходит в нём ряд стадий обработки и затем из аппарата выгружаются все образовавшиеся вещества. Таким образом, от загрузки сырья до вы-
узки пр
гр
одукта проходит определённое время, в течение которого аппарат
работает. В период же загрузки и выгрузки аппарат простаивает. Механизация,
и особенно автоматизация этих операций затруднена, так как требует периодически действующих механизмов. Ещё труднее автоматизировать периодические процессы, так как показатели режима, по которым производится автоматизация (температура, давл
ение, ко
нцентрация веществ), меняются в течение
всего периода реакции. Периодические процессы сложны в обслуживании.
Продолжительность цикла периодического производственного процесса всегда больше, чем непрерывного; энергетические затраты выше. Все эти причины и побуждают заменять периодические процессы непрерывными.
8
Непрерывными называются процессы, в которых поступление сырья и
выпуск продукции происходят непрерывно (или систематическими порциями)
в течение длительного времени. При этом нет простоев оборудования, производительность аппаратов выше. Во всех точках аппарата соблюдаются постоянные температуры, концентрация веществ, давление и т.п., поэтому легко
вести наблюдение за работой аппарата, механизировать загрузку сырья и вы-
узку продукта
гр
, автоматизировать процесс. При этом, как правило, улучшается и качество продукции. Большинство химических производств уже работает
непрерывно, оставшиеся периодические процессы постепенно заменяются
непрерывными.
Однако в настоящее время, нельзя все производства перевести на непре-
рывнодействующие; в одних случаях это ухудшает качество продукции, в дру-
нальной автоматизации и механизации про-
гих – не найдены средства р
ацио
цессов, особенно, на маломощных и малогабаритных установках.
Снижение энергозатрат и максимальное использование теплоты хи-
мических реакций – важное направление химической техники. В настоящее
время химические реакторы в большинстве крупнотоннажных производств
сочетаются с теплообменными элементами, которые служат для нагрева исходных веществ до температуры реакции с о
дуктов пр
евращения, или же для получения товарного водяного пара в котлах-
дновременным охлаждением про-
утилизаторах за счёт теплоты сильно экзотермических процессов. При этом
теплообменники нередко имеют более сложное устройство, чем собственно
химические реакторы, и образуют вместе с реакторами энергохимический агрегат. Соответственно, происходит превращение химической технологии в
энерготехнологию. Это тем более важн
о, что в наст
оящее время всё острее и
острее встаёт проблема обеспечения человечества дешёвой, доступной и эффективно используемой энергией, поскольку традиционные её источники
(нефть, природный газ, уголь, древесина, торф и т.п.) расходуются быстрыми
темпами, и запасы этих источников уменьшаются гораздо быстрее, чем происходит естественное их восполнение. В связи с этим в хи
мическ
ой технологии
всё больше ужесточается связь между энергетическим и технологическим оборудованием. Энерготехнологические схемы сейчас занимают главенствующую
роль в производствах аммиака, серной и азотной кислот, метанола, цветных
металлов, продуктов тяжёлого органического синтеза и др.
Уменьшение числа стадий производства и переход к замкнутым (цик-
ат на капитальное строительст-
лическим) системам приводит к снижени
ю затр
во и уменьшению себестоимости продукции. Так, прямое окисление метана до
формальдегида позволит трёхстадийный процесс (получение синтез-газа–
синтез метанола–окисление метанола) заменить одностадийным. Переход к
циклическим системам, например, в производстве серной кислоты с применением кислорода и повышенного давления позволит в 3 раза снизить число ап-
атов в те
пар
хнологической схеме. При этом резко снизится количество диок-
сида серы в отходящих газах, т.е. одновременно решается и экологическая
9
проблема. Сегодня пока ещё не все многостадийные процессы могут быть переведены на одностадийные или циклические. Поиски в этом направлении
составляют важное условие развития химической технологии.
Создание безотходных производств решает комплексно экологическую
проблему и снижение себестоимости продукции благодаря полному использованию всех компонентов сырья. Одним из наиболее рациональных путей организации п
роизводств, пр
иближающихся к безотходным, служит циркуляция
реакционной смеси и теплоносителей (воздуха, воды) в отдельных процессах и
реакторах, а в особенности, создание циркуляционных химико-технологических систем (ХТС) целого производства. Этой же цели служит кооперация
чисто химических производств с другими (например, металлургическими),
позволяющая перерабатывать не используемые ранее компоненты сырья в
дног
продукты, ценные для наро
о хозяйства. К безотходной технологии можно
приближаться, вводя в технологические схемы специальные аппараты для
очистки отходящих газов и сточных вод. Этот путь пока наиболее распространён, но он, частично решая проблему защиты окружающей среды, в большинстве производств приводит к повышению себестоимости целевого продукта.
Оценивая каждое из указанных направлений в р
азвитии хими
ческой техники, необходимо отметить, что во многих случаях следует комплексно использовать их, дополняя совершенствованием организации и управления производством, расширением и углублением научных исследований в области
химической технологии, а также улучшением проектной деятельности соответствующих организаций.
Новым мощным средством повышения эффективности ряда произ-
омно
водств следует считать внедрение ат
й техники, плазменной и лазерной
технологии, использование фотохимических, радиационно-химических и биохимических процессов.
Применение атомной энергии позволит получить не достижимые ранее
температуры в сотни тысяч градусов и, прежде всего, низкотемпературную
плазму (1000 – 10 000 К).
Использование плазмохимических процессов даёт возможность осуществить эндотермические превращения, равновесие которых сильно смещено в
сторону заданных целевых про
дуктов лишь при
очень высокой температуре
(103–104 К). К таким процессам относятся: прямой синтез NO; получение аце-
тилена из метана и бензина; прямой синтез дициана; получение цианистого водорода из азота и углеводородов; синтезы разнообразных соединений фтора и т.п.
Лазерная техника позволит синтезировать твёрдые тела с тонко направленной кристаллической структурой и зада
нными свойства
ми, в том числе катали-
заторы, полупроводники, молекулярные сита, адсорбенты и т.п.
Фотохимические реакции, вызываемые или ускоряемые действием световой энергии, происходят как в природе, так и в промышленности. Хлорирование и бромирование углеводородов, синтез полистирола, сульфохлорирование
парафинов, а также фотосинтез полистирола, сульфохлорирование парафинов,
а также фотосинтез с по
мощью хл
орофилла относятся к разряду таких процессов.
10