охт (6sem) / методички митхт / Homogeneous kinetics

процесса, так и для снабжения потребителей, наряду с химическими целевыми продуктами, еще и энергией. И это, с одной стороны, приводит к экономии топлива, с другой – к резкому улучшению экономики ХТП. Это всего лишь один из приемов реализации данного принципа.

1.4.4. Принцип экологической безопасности

Химическая промышленность должна в минимальной степени загрязнять окружающую среду. По объему выбросов в атмосферу, например, химическая промышленность не является самой «вредной» в ряду других отраслей промышленности (табл. 1.1).

Как видно из приведенных данных, химическая промышленность выбрасывает меньше вредных веществ, чем многие другие отрасли. Однако, в гораздо в большем ассортименте и, в ряде случаев, более токсичные.

Для химической промышленности характерно наличие газовых выбросов, твердых отходов и сточных вод. Любые вещества и тепловые потоки, попадающие в окружающую среду в результате функционирования химического производства, должны соответствовать по своим характеристикам требованиям экологического законодательства.

Таблица 1.1. Доля участия отраслей в загрязнении атмосферы, %

1.4.5. Принцип технологической соразмерности

Этот принцип связан с улаживанием всех противоречий, возникающих при реализации первых четырех принципов. Очень часто возникает ситуация, когда, например, реализация принципа максимальной интенсивности процесса входит в противоречие с требованиями принципа экологической безопасности. Или необходимость выполнения принципа наилучшего использования сырья не согласуется с требованиями принципа наилучшего использования энергии.

Принцип технологической соразмерности определяет приемы, позволяющие найти компромисс, оптимум для максимально возможной реализации остальных технологических принципов.

1.5.Состояние химической промышленности России

11

После распада СССР в 1991 году объем производства промышленной продукции химической промышленности по сравнению с советским периодом упал более чем в 2 раза.

За прошедшие 20 лет в определенной степени наблюдался рост производства в некоторых отраслях, но он так и не достиг уровня советского времени.

Отечественная промышленность оказалась, в общем, не очень конкурентоспособна.

Не так много существует процессов, которые были разработаны в нашей стране. Это, в первую очередь, синтез дивинила по Лебедеву, получение фенола и ацетона по методу Кружалова Б.Д., Сергеева П.Г. и Удриса Р.Ю. Это еще буквально несколько процессов, которые были разработаны и реализованы впервые в России.

В остальных случаях очень часто советские, российские ученые принимали участие в разработке идей. Но реализация, доведение этих идей до промышленной технологии часто сопровождались большими трудностями.

Например, открытая русским ученым М. Кучеровым в 1881 году реакция гидратации ацетилена в присутствии солей ртути для получения уксусного альдегида получила промышленное развитие впервые в Германии в годы первой мировой войны, причем производство ацетальдегида, запущенное в 1916 г., составляло 24 тыс. тонн в год.

Еще один пример. В конце 50-х годов одновременно в Германии и в Советском Союзе, в МИТХТ на Кафедре физической химии, было показало, что этилен в растворах комплексов палладия может окисляться в ацетальдегид:

На рубеже 1959 - 1960 гг. практически одновременно в нашей стране и в Германии вышли научные статьи, посвященные этому процессу. Однако, к этому времени в Германии уже работала опытно-промышленная установка по получению ацетальдегида. И, несмотря на то, что данный процесс в лабораторных условиях был разработан в нашей стране, в 1971 г. СССР закупает производство ацетальдегида мощностью 170 тыс. тонн.

Можно привести и целый ряд других аналогичных примеров.

Как в СССР, так и в России в значительной степени отсутствует цепочка от лабораторных исследований к промышленному производству. Эта цепочка обеспечивается обычно инженерными фирмами. В СССР были сотни отраслевых институтов, которые и должны были выполнять эти функции. Однако уровень техники, отсутствие соответствующих материалов, мотивации приводило к низкой эффективности работы этих институтов. В лучшем случае они курировали, отслеживали работу существующих производств.

12

Кнастоящему времени эта проблема в значительной степени так и осталась нерешенной.

Ряд химических предприятий современной России работает не более чем на 50

%от своих возможностей, во многих случаях имеющееся оборудование изношено на 7080 %. Замена, модернизация оборудования требует огромных капитальных вложений и окупиться может только в течение нескольких десятков лет, что невыгодно современным собственникам предприятий. Поэтому серьезного развития российская промышленность не получает.

Она не может конкурировать с западными производителями, которые обладают современными возможностями и технологиями реализации разработанных процессов от лабораторного стола к заводскому производству.

Ксожалению, российская промышленность не может также конкурировать с китайскими производителями, которые обеспечивают высокие темпы развития производства, обладают дешевой рабочей силой при достаточно мягком экологическом законодательстве. Кроме того, они имеют значительно большую восприимчивость к инновациям и их уровень технологии на сегодняшний день в среднем выше, чем в России.

Конкуренция в условиях открытого рынка, при отсутствии высоких таможенных барьеров становится очень тяжелой, потому что никаких реальных преимуществ у российской промышленности, как правило, нет.

Тем не менее, в России сейчас существует довольно много фирм, которые занимаются усовершенствованием существующих производств и даже созданием новых процессов на базе отечественных и импортных разработок.

В каком же направлении должна развиваться химическая промышленность?

1.6. Современные тенденции развития химической промышленности

1.6.1. Сокращение количества отходов и создание безотходных (малоотходных) производств

Для увеличения эффективности необходимо стремиться к созданию малоотходных производств, то есть уменьшению количества отходов. В идеале можно говорить о безотходных вариантах производства. Под безотходной технологией понимают такой принцип организации производства, при котором цикл: сырьевые ресурсы - производство - потребление – вторичные ресурсы построен с рациональным использованием всех компонентов сырья, всех видов энергии и без нарушения экологического равновесия.

13

Вторичные материальные (энергетические) ресурсы

Таким образом, безотходное производство - это производство с замкнутыми материальными и энергетическими потоками. Поскольку, реализовать в абсолютном варианте это невозможно, термин «безотходная технология» рассматривается в качестве теоретического предела, идеальной модели, которая может быть реализована лишь частично. Отсюда появляется понятие малоотходная технология

– способ производства продукции, при котором вредное воздействие на окружающую среду не превышает уровня, допустимого санитарно-гигиеническими нормами, в частности, ПДК. Такие современные производства, как производство аммиака, азотной кислоты, серной кислоты из серы, метанола, этанола, аммофоса и др. относят к малоотходным или «чистым» технологиям.

В химической технологии основными причинами образования отходов производства являются:

-наличие примесей в сырье;

-неполнота превращения реагентов в целевые продукты;

-протекание побочных реакций;

-образование побочных продуктов в основных реакциях.

Следовательно, для сокращения количества отходов и создания малоотходных производств необходимо максимальное совершенствование химикотехнологических процессов. Одним из наиболее эффективных приемов уменьшения количества отходов является повышение эффективности каталитических процессов за счет повышения качества катализаторов.

1.6.2. Комплексное использование сырья

Что такое комплексное использование сырья? Чаще всего сырье, добываемое в природе, имеет достаточно сложный состав и, в идеале, необходимо использовать все его компоненты. В этом смысле, например, переработка нефти почти

14

совершенный процесс. Практически все фракции нефти, включая попутные газы, бензин, керосин, лигроин, мазут и т.д., а также твердый остаток, находят свое применение.

Но, тем не менее, огромные объемы попутных газов в настоящее время сжигают, несмотря на то, что они представляют собой ценнейшее углеводородное сырье (легкие углеводороды). Одна из причин этого - месторождения нефти часто находятся в весьма отдаленных, труднодоступных местах, в которых отсутствует инфраструктура, и, вместо переработки, попутные газы просто сжигают, что очень расточительно. Было бы целесообразно получать из попутных газов синтез-газ и на его основе такие продукты как, например, метанол, уксусную кислоту и др.

Более полная переработка попутных газов может дать значительное увеличение эффективности производства и уменьшить загрязнение окружающей среды.

Рудные полезные ископаемые тоже необходимо использовать в максимальной степени. Например, свинцово-цинковые руды содержат 25 элементов, и на их основе производится около 40 товарных продуктов. В медно-никелевых рудах содержатся 18 компонентов, и они тоже в основном используются.

Но зачастую из руды выделяют не более 1-2 % наиболее ценных компонентов, а все остальное выбрасывают в отвалы или до «лучших» времен.

1.6.3.Совершенствование методов выделения целевых продуктов и очистки всех потоков, которые попадают в окружающую среду

Современное экологическое законодательство достаточно жесткое, и требования к чистоте газообразных, жидких и твердых отходов все время возрастают. Если мы более полно выделяем из отходящих газов ценные компоненты, одновременно улучшается экономика процесса и уменьшается давление на окружающую среду.

Например, Норильский горно-металлургический комбинат выбрасывает в атмосферу миллионы тонн сернистого ангидрида, который является причиной кислотных дождей, отравляющих земли не только в Сибири, не только в России, но и за рубежом. Утилизация этих миллионов тонн сернистого ангидрида могла бы позволить произвести почти такое же количество серной кислоты. Однако, весьма существенные дополнительные затраты, некоторые сложности технологии пока не позволяют это осуществить.

1.6.4.Комбинирование производств

Комбинирование производств возможно по нескольким принципам.

Первый случай комбинирования - на основе комплексного использования сырья, то есть когда сырье имеет сложный состав и необходимо выделить и

15

использовать максимальное количество его компонентов. В этом случае параллельно на одной производственной площадке должно быть развернуто производство целого ряда продуктов.

Второй случай комбинирования – последовательное комбинирование, когда при производстве какого-либо продукта на данном производстве из него производятся другие продукты (товары). Обычно на одном комбинате соединяют производства нескольких продуктов. Например, при производстве синтез-газа паровой конверсией метана в дальнейшем получают как аммиак, так и мочевину (карбамид):

CО2 + 2NH 3 = (NH2)2CО + Н2О

Из синтез-газа также можно получить метанол и уксусную кислоту. Из аммиака - азотную кислоту и азотные удобрения и т.п.

Это прием, когда получающийся химический продукт перерабатывается в другие продукты на данном предприятии, позволяет исключить значительные расходы на транспортные операции, на хранение, на погрузку и выгрузку.

Такой набор производств реализовался в производственных объединениях «Азот» в советское время.

Третий случай комбинирования – переработка побочных продуктов.

1.6.5. Повышение степени энергосбережения на предприятиях химической промышленности

Проблема использования энергетических ресурсов в химической промышленности имеет ресурсосберегающий, экономический и экологический аспекты.

Основными видами энергоресурсов, используемых в химической промышленности, являются

-тепловая энергия - 48%

-электроэнергия - 44%

-топливо прямого использования - 8% .

Проблема энергосбережения связана со всѐ увеличивающимся количеством народонаселения (в 2011 г. оно достигло 7 млрд. человек) и опережающим возрастанием потребления энергоресурсов: с 1900 г. по 1980 г. потребление энергоресурсов возросло в 10 раз и во столько же с 1980 по 2000 г. В основном используют невозобновляемые горючие ископаемые – нефть, газ, уголь.

16

Экономический аспект проблемы связан с тем, что доля стоимости энергии в себестоимости химической продукции достигает в некоторых производствах 60%.

Поскольку стоимость энергоносителей ежегодно возрастает, без энергосбережения химические производства становятся нерентабельными.

И, наконец, экологический аспект проблемы связан с низким коэффициентом использования энергии (менее 40 %), что приводит к попаданию в окружающую среду ≈ 60 % потребляемой энергии (к тепловым выбросам). Прежде всего, это тепло дымовых газов; тепло, выделяемое оборотной водой и воздушным охлаждением; потери тепла в окружающую среду через теплоизоляцию помещений, аппаратов, коммуникаций.

1.6.6. Создание агрегатов большой единичной мощности

Создание агрегатов большой единичной мощности – одно из важнейших направлений, обеспечивающих снижение капитальных вложений, эксплуатационных затрат, себестоимости продукции и обеспечение высокой степени автоматизации.

Начиная с 60-х годов прошлого века, происходит значительное повышение мощностей агрегатов основных химических производств, например синтеза аммиака:

Для различных производств существуют свои показатели по единичной мощности отдельных агрегатов (тыс. тонн /год): метанол -750; серная кислота – 500; азотная кислота – 600; этилен - 450 и т.п.

Один большой реактор, в котором непрерывно, в стационарном режиме производится большое количество продукции, более экономичен, чем например десяток меньших, вследствие снижения, в первую очередь, доли условнопостоянных затрат.

И большой, и маленький агрегат обслуживается соизмеримым количеством работников, одинаковы затраты на содержание административного аппарата и т.п., поэтому себестоимость продукции, получаемой в агрегатах большой единичной мощности, оказывается существенно ниже.

В принципе такие аппараты дают самый дешевый продукт. Дополнительный выигрыш получается также в результате концентрирования энергии. Многие из этих процессов являются экзотермическими и использование выделяющегося тепла дает дополнительный выигрыш. Доля потерь тепла в окружающую среду для

17

большого агрегата существенно меньше, чем для маленького, энергия меньше рассеивается и может быть более эффективно использована.

Однако, есть определенные ограничения. Например, продукция агрегата, который производит 500 тыс. тонн продукта в год, должна непрерывно отгружаться потребителю или производитель должен располагать огромными хранилищами, что не всегда реализуется в условиях меняющейся конъюктуры.

Внеплановые остановки подобных агрегатов могут привести к большим затратам средств, а залповые выбросы при продувке систем приводят к сильному отрицательному воздействию на окружающую среду. Поэтому требуется высокая степень надѐжности этих агрегатов. Помимо этого, существуют определенные технические сложности производства и монтажа гигантского оборудования: абсорбер в агрегате мощностью 600 тыс. тонн азотной кислоты в год имеет высоту более 60 м, а высота трубчатого конвертора метана при производстве водородсодержащих газов составляет 20 м.

Таким образом, увеличение размеров агрегатов целесообразно до определенных пределов.

1.6.7. Интенсификация ХТП

Интенсификация ХТП может реализоваться за счет использования нетрадиционных методов технологии (традиционные методы интенсификации ХТП обсуждаются в последующих лекциях).

Плазмохимические методы. В плазме в ионизированном газе при температуре примерно 2000 0С могут протекать очень важные реакции, например, прямой синтез оксида азота(II):

Процесс сильно эндотермический и термодинамика запрещает этот процесс при температурах до 2000 0С. Применение плазмохимических методов при более высоких температурах сдерживается чрезвычайной энергоемкостью эти процессов.

Механохимия – механическое воздействие на реагенты при протекании химической реакции. Если реагенты предварительно подвергнуть обработке в шаровой мельнице, то увеличивается скорость протекающей между ними реакции. И дело не только в изменении удельной поверхности реагентов, а в изменении реакционной способности веществ.

Сонохимия – применение ультразвука для интенсификации химических реакций.

Процессы с использованием УФ-облучения. Облучение ультрафиолетом или даже видимым светом часто приводит к инициированию процесса, получению активных частиц, например, радикалов, которые являются носителями активности.

18

С использованием ультрафиолета процессы можно проводить при более низких температурах по сравнению с термическим инициированием. Реализация данного метода в промышленности (как и всех представленных выше) тормозится прежде всего экономическими соображениями.

2. Разработка химико-технологического процесса.

Разработка любого химического производства состоит из двух основных этапов:

1.Разработка химико-технологического процесса (ХТП).

2.Организация проведения ХТП или нескольких ХТП в виде химикотехнологической системы (ХТС).

Возможность реализации химического процесса в промышленном масштабе определяется следующими условиями:

- принципиальная осуществимость процесса и возможность получения высокого выхода продукта , которую проверяют на основе расчетов равновесного состояния химической системы;

- высокая интенсивность процесса: получение достаточного количества продукта в единицу времени, т.е. большая скорость процесса или возможность его ускорения, определяемая экспериментальными кинетическими исследованиями; возможность достижения высокой селективности образования целевого продукта.

2.1.Алгоритм разработки химической концепции ХТП

Физико-химическая концепция метода представляет собой ту основу, на которой создается ХТП. Это есть обоснование выбора условий проведения процесса, катализатора, реактора, решение проблем теплоподвода и теплоотвода и т.п. Ниже приведена схема примерного алгоритма разработки физико-химической концепции метода:

19

Первый вопрос, который ставится при разработке ХТП – это выбор сырья или исходных реагентов.

Задача может ставиться по-разному. Например, необходимо производить данный целевой продукт, выбрать исходное сырье и проанализировать различные методы получения желаемого продукта. Второй вариант: производство каких продуктов может быть рентабельно из данного сырья?

Первым этапом в случае первого варианта является выбор сырья и метода его переработки. Для каждого продукта (в случае первого варианта) в настоящее время, как правило, может быть предложено несколько альтернативных путей его получения. Например, синтез газ (смесь СО + Н2) можно получать конверсией природного газа, газификацией угля или конверсией прямогонных бензинов. Естественно показатели данных процессов будут различны.

В любом случае первым этапом разработки ХТП является термодинамический анализ. Термодинамический анализ позволяет по справочным данным оценить вероятность получения приемлемого выхода целевого продукта в доступных для химической технологии условиях: -20 1600 0С; 0.01100 МПа.

Если результаты анализа указывают на то, что данный процесс не является запрещенным с термодинамической точки зрения, то можно переходить к следующему этапу разработки ХТП.

Если оказывается, что в доступных условиях выход целевого продукта из данных реагентов слишком мал, то выбирают другое сырье.

В случае положительного результата термодинамического анализа (может

20