книги / Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза

Полнота использования газовых потоков и очистка газовых вы­ бросов. В производствах основного органического и нефтехи­ мического синтеза выделяется значительное количество газо­ образных побочных продуктов (СО, С02, HCl, Clv Hv Nv 02и др.), а следовательно, получается большое количество газовых выбро­ сов, содержащих продукты реакций, а также растворители и дру­ гие вспомогательные вещества. В связи с этим очистка газовых по­ токов от названных веществ позволяет решать одновременно две задачи:

Фэкологическую, когда очищаются газовые выбросы;

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

Внастоящее время этот принцип широко используется пре­ имущественно для решения первой задачи. Со временем вторая за­ дача будет приобретать большее значение и этот принцип найдет комплексное применение.

При циркуляции различных газовых потоков (с целью полной конверсии сырья или повторного их использования) они должны очищаться от вредных примесей, которые могут быть, например, ядами катализатора. Кроме того, в циркуляционных газах накап­ ливаются инертные примеси. Следовательно, необходимо частич­ но выводить газовые потоки из системы для очистки от инертных примесей.

Наибольшее количество циркуляционных газов получается за счет большого избытка одного из газовых реагентов в процессе по­ лучения целевого продукта. Это обусловлено условиями проведе­ ния химического процесса и безопасностью его осуществления. Например, при производстве винилацетата из этилена и уксусной кислоты соотношение этилена и воздуха (кислорода) определяется нижними и верхними пределами взрываемости. Следовательно, должен вводиться избыток этилена или воздуха (кислорода), что приводит к созданию циркуляционных газовых потоков, в кото­ рых накапливаются инертные газы.

Во многих процессах специально добавляются инертные газы

сцелью понижения парциального давления исходных реагентов или для отвода тепла. В этом случае для их повторного использования требуется очистка от продуктов реакций.

Вокислительных процессах чаще всего в качестве окислителя применяется кислород воздуха. Следовательно, всегда присутству­

ют газовые выбросы в виде азота и других инертных газов, которые уносят продукты реакций.

К числу наиболее распространенных методов очистки газовых потоков относятся: абсорбционный, хемосорбционный, ад­ сорбционный и каталитический.

Так как полностью очистить газовые выбросы нельзя, то следует учитывать предельно допустимые концентрации вредных примесей

ватмосферном воздухе.

Впроизводствах основного органического и нефтехимического синтеза для обеспечения безопасной работы широко используется вентиляция. Вентиляционные выбросы также необходимо очищать от вредных химических веществ. Для наиболее полного извлече­ ния примесей из воздушных и газовых потоков следует использо­ вать совершенные и высокоскоростные методы и соответствующее оборудование. На первом этапе, как правило, происходит отделе­ ние мелкодисперсных твердых частиц (катализатора, твердых ре­ агентов и т. д.) с помощью таких гидромеханических методов, как осаждение и фильтрация (в гравитационном, центробежном, эле­ ктрическом или другом силовом поле). Далее для очистки от га­ зообразных примесей с целью их повторного использования или превращения в легко улавливаемые вещества применяются сорб­ ционные или каталитические методы (адсорбция, абсорбция, кон­ денсация, хемосорбция, каталитическое превращение и другие процессы).

Так как очистке подвергаются очень большие потоки газов, то требуется выбирать наиболее эффективные методы с минимальны­ ми затратами энергии. Для этого необходимо знание сравнитель­ ных характеристик всех методов и путей повышения эффективно­ сти газоочистных установок.

Вряде случаев целесообразно проводить комбинированную пе­ реработку и очистку жидких и газообразных потоков. В частности, возможна взаимная нейтрализация различных загрязняющих про­ дуктов. Так, в работе Г Г Русаковой показано, что одновременная переработка нескольких потоков хлорорганических продуктов, на­ ходящихся в жидкой и паровой фазах, позволяет достигать лучше­ го эффекта.

Применение аппаратов и технологических линий большой единич­ ной мощности. В последние три десятилетия непрерывно наращи­ валась мощность отдельных агрегатов и установок производств ос­ новного органического и нефтехимического синтеза. Причем уже

тридцать лет назад практически все производства отрасли были многотоннажными, но часто за счет использования нескольких па­ раллельно работающих аппаратов или технологических линий с меньшей мощностью. За последние 30 лет производительность ос­ новных аппаратов увеличилась в 5—10 раз. Так, они достигают по производству: метанола —750—1500 тыс. т/год; стирола —350; ок­ сида этилена — 150—180; винилхлорида —250—500; нитрила акри­ ловой кислоты — 50—170; винилацетата —140; пропиленоксида— 150 тыс. т/год.

Повышение концентрации производства или агрегатной кон­ центрации производства, т. е. внедрение укрупненных агрегатов и высокопроизводительных линий, как правило, позволяет увеличить выпуск продукции с меньшими капитальными затратами. Напри­ мер, при увеличении мощности технологических линий в 4 раза удельные капитальные вложения в производство этилового спирта возросли только в 2,3 раза. Эта экономия достигается в результате сокращения (в расчете на единицу мощности) затрат на изготовле­ ние оборудования и его монтаж, а также на строительство зданий

исооружений. Кроме того, снижаются эксплуатационные затраты, возрастает производительность труда.

Укрупнение мощностей агрегатов создает дополнительные ус­ ловия для внедрения и эффективного использования более про­ грессивных систем управления, основанных на применении со­ временных средств автоматизации, передачи информации

ивычислительной техники. Сейчас автоматическое управление является обязательным условием эффективной работы крупных агрегатов.

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

Опотребность народного хозяйства в продукции и распределе­ ние ее по отдельным районам;

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

вэксплуатационная надежность, так как остановка высокопро­ изводительных агрегатов не только приводит к недополуче­ нию продукции, но и в ряде случаев к остановке смежных агрегатов (остановка крупного агрегата на ремонт или в свя­ зи с производственными неполадками может вызывать за­ держки с поставкой продукции потребителям, простой смеж­ ного оборудования и т.д.).

Вместе с тем увеличение мощности агрегатов и технологических линий приводит к сокращению капитальных затрат на единицу про­ дукции и, в меньшей степени, к сокращению эксплуатационных за­ трат, так как большая часть этих расходов приходится на сырье, энер­ гию и материалы, которые в расчете на единицу продукции мало зависят при неизменной технологии от мощности агрегата. Со­ кращение эксплуатационных расходов связано с увеличением мощ­ ности агрегата, а также со снижением затрат труда прежде всего на управление процессом, при этом повышается производительность труда. Кроме того, уменьшается расход воды на единицу продукции.

Однако применение аппаратов большой единичной мощности как с экономической, так и с экологической точки зрения требует более тщательного анализа всей технологии с учетом других прин­ ципов ее создания. В частности, наличие агрегатов большой еди­ ничной мощности, работающих непрерывно, требует, как было от­ мечено ранее, высокой надежности работы основного и всего вспомогательного оборудования, применения ЭВМ для управления. Это обусловлено как экономическими факторами (внеплановые простои приводят к очень большим потерям не только на самой установке, но и у потребителей продукции), так и экологическими факторами (даже при наличии защитных устройств и очистных со­ оружений загрязняющие вещества могут в значительных количест­ вах попадать в воздух и водоемы). Кроме того, при наличии агрега­ тов и технологических линий большой единичной мощности получается большое количество побочных продуктов, для перера­ ботки которых необходимо обязательно создавать установки на этом же производстве, так как транспортировка их на другие предприя­ тия затруднена. Создание же сложных комплексов приводит к уд­ линению сроков ввода мощностей.

Имеются и другие сложности в применении аппаратов и тех­ нологических линий большой единичной мощности: необходи­ мость в специальном монтажном оборудовании, транспортировка его к месту установки, трудности проведения ремонтных работ.

Таким образом, проблема обоснования мощности агрегатов и технологических линий включает не только непосредственное со­ поставление технико-экономических показателей установок раз­ личной мощности, но и рассмотрение влияния множества эконо­ мических, экономико-географических и экологических условий.

Применение непрерывных процессов. Одним из важнейших принципов создания безотходных технологий является примене­

ние непрерывных процессов. Это объясняется следующими пре­ имуществами таких процессов:

Осоздание технологий для безотходных производств требует вне­ дрения новых методов регулирования и управления этими про­ цессами, поддержания стабильности и точности всех парамет­ ров работы аппаратов, что в значительной степени облегчается при непрерывном режиме работы установки и производства в целом;

©возможность достижения значительно большей производитель­ ности оборудования за счет полноты его использования;

©получение более однородной по качеству продукции, что при­ водит к значительному сокращению объема некачественной продукции, которая в большинстве случаев не находит квали­ фицированного использования и требует дальнейшей перера­ ботки или утилизации;

Олегкость автоматизации, в частности, с применением микро­ процессоров;

©высокая производительность труда;

©отсутствие периодической загрузки сырья и выгрузки продук­ тов синтеза, что значительно уменьшает загрязнение окружа­ ющей среды, а также улучшает условия труда;

©большая безопасность производства за счет малой вероятнос­ ти попадания веществ в окружающую среду.

Следовательно, возможность при непрерывных процессах дли­ тельно поддерживать во всех аппаратах и во всей химико-техно­ логической системе стационарное состояние обеспечивает мак­ симальную 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, улуч­ шать условия труда, но и повышать его экологические показатели, сокращая количество побочных продуктов или продуктов, не соот­ ветствующих стандартам. Поэтому этот принцип является наибо­ лее важным при создании безотходных технологий.

Полнота использованияжидких итвердыхотходов. В производстве основного органического и нефтехимического синтеза образуется зна­ чительное количество жидких отходов (полиалкилбензолы при алки­ лировании бензола, этилидендиацетат при производстве винилацета­

та и др.) и значительно меньше твердых отходов (отработанные ка­ тализаторы, адсорбенты, полимеры и др.). При создании безотходных производств необходима прежде всего их утилизация или переработ­ ка. Это возможно сделать при переработке данных веществ в рамках основных технологических процессов (полиалкилбензолы при про­ изводстве алкилбензолов) или на отдельных установках в рамках основного производства (регенерация катализаторов, адсорбентов

ит.д.). И наконец, некоторые отходы (полимеры, олигомеры) мо­ гут использоваться в других производствах в качестве сырья. При­ мером может служить добавка в строительные материалы полимер­ ных отходов, которые обеспечивают водоотталкивание. И только в исключительных случаях жидкие отходы могут использоваться в качестве топлива, если их регенерация сильно затруднена и не най­ ден способ их использования.

Высокая степень автоматизации. Разработка технологии без­ отходных производств предопределяет взаимосвязь технологии

иавтоматизации. Ранее отмечалось, что наиболее эффективными

сточки зрения создания безотходных производств являются непре­ рывные процессы. А они, в свою очередь, наиболее эффективны, когда регулируются автоматически. Такие процессы автоматизиро­ вать легче, так как значения параметров регулирования обычно ме­ няются незначительно.

Вбезотходных производствах предъявляются жесткие требо­ вания к выходным величинам процессов (в частности, максими­ зация выхода основных продуктов, минимизация отходов данно­ го производства и исключение потерь различных продуктов).

Автоматизация позволяет значительно повысить надежность

иэффективность работы как отдельных аппаратов, так и всей си­ стемы в целом. При этом наибольшая эффективность автома­ тизированных систем управления достигается при широком ис­ пользовании вычислительной техники. Особенно это существен­ но для управления производствами основного органического

инефтехимического синтеза, так как для них характерно наличие большого числа разнотипных аппаратов, связанных между собой значительными материальными и энергетическими потоками.

Причем задачи управления подобным классом производств мож­ но подразделить на задачи управления режимом работы отдельных технологических агрегатов, решаемые локальными системами уп­ равления при фиксированных входных и выходных потоках, и зада­ чи оперативного управления, состоящие в согласовании работы аг-

регатов между собой с учетом как внутренних, так и внешних для всего комплекса агрегатов возмущений. Эти задачи реализуются от­ дельными функциональными подсистемами (АСУТП).

Следовательно, в условиях непрерывного увеличения скоро­ стей реакций, роста температур и давлений, укрупнения единич­ ных мощностей агрегатов, технологических линий производств, повышения требований к качеству выпускаемой продукции важ­ ное значение имеет внедрение автоматизированных систем уп­ равления технологическими процессами (АСУТП). Причем пе­ реход от локальной автоматизации к АСУТП позволяет снизить материальные затраты на производство продукции, повысить про­ изводительность технологического оборудования и труда, внед­ рить более рациональные формы организации производства и по­ высить надежность всей технологической установки.

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

Любой непрерывный технологический процесс характеризу­ ется параметрами состояния, которые с точки зрения АСУТП мож­ но разделить на две группы: системные, определяющие кон­ структивные особенности элементов системы (мощность уста­ новки и отдельных аппаратов, тип оборудования, взаимное рас­ положение аппаратов установки и т.д.), и режимные (скорости потоков, давление, температура, концентрации потоков и т.д.). Некоторые из этих параметров являются управляемыми, а дру­ гие —неуправляемыми. Управляемые параметры должны удов­ летворять следующим требованиям:

Оточно и однозначно характеризовать технологический процесс;

©быть связанными с критерием оптимизации, при этом целе­ вая функция должна либо измеряться непосредственно, либо вычисляться по другим измеряемым параметрам;

©быть высокочувствительными и существенными;

©позволять создавать наиболее простые математические модели стационарных и переходных режимов управляемого процесса;

©быть измеримыми.

258 Ча с т ь !. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

Таким образом, при создании безотходных производств тре­ буется высокая степень автоматизации, в том числе с применени­ ем микропроцессорной техники, позволяющая достигать высокой надежности и эффективности всего производства.

Обеспечение высокой надежности и стабильности работы хими­ ко-технологической системы. Как было отмечено ранее, в отрасли основного органического и нефтехимического синтеза в большин­ стве многотоннажных производств применяется непрерывная тех­ нология с аппаратами большой единичной мощности. При этом экономические и экологические преимущества укрупнения уста­ новок при определенных условиях могут быть утрачены, если из-за низкой надежности часто будут выходить из строя отдельные ап­ параты или подсистемы.

На современном этапе проблема повышения надежности стала весьма актуальной и без ее решения вряд ли возможно дальнейшее укрупнение ведущих технологических агрегатов по производству мно­ готоннажной химической продукции. В данном случае непрерыв­ ность предопределяет равную надежность всех аппаратов, входящих в химико-технологическую систему. Кроме того, многотоннажность и применение аппаратов большой единичной мощности требует так­ же высокой надежности всех аппаратов ХТС, так как выход из строя одного из аппаратов не только нарушает работу производства (ино­ гда останавливается все производство), но и может серьезно влиять на окружающую среду. В этом случае значительное количество вред­ ных для животного и растительного мира продуктов может попасть как в воздушное пространство, так и в водоемы. Следовательно, вы­ сокая надежность работы технологических установок позволяет не только исключить большие потери продуктов, вызванные простоя­ ми аппаратов большой единичной мощности, но и предотвратить ра­ зовые выбросы химических веществ в окружающую среду.

Вместе с тем надежность работы ХТС с точки зрения экологии должна быть не только механической, но и технологической. На­ пример, обязательно применение специальных аварийных емкос­ тей и аппаратов, в которые сбрасываются газовые и жидкие выбро­ сы при срабатывании соответствующих клапанов в случае значитель­ ного отклонения параметров от нормы. Предусматривается и ава­ рийный сброс газов на факел. Это может происходить при повышении давления в аппаратах, при их переполнении жидкими продуктами, при необходимости сброса некондиционных продук­ тов, полупродуктов и т.д.

Значительное влияние на надежность аппаратуры оказывает коррозия. Поэтому создание безотходного производства должно предусматривать условия работы, исключающие коррозию. На на­ дежность работы ХТС влияют и многие другие факторы.

Большое значение при работе уже действующих малоотходных производств имеет их стабильность. В частности, значительные ко­ лебания состава продуктов реакций, направляемых на разделение

иочистку, нарушают оптимальный режим работы соответствующих установок разделения и могут привести не только к ухудшению ка­ чества целевых продуктов, но и к увеличению количества отходов

идаже к выбросам токсичных веществ. Следовательно, здесь также требуется не только высокая надежность, но и стабильность рабо­ ты установок, т. е. поддержание на определенном уровне всех пара­ метров, что позволяет исключить потери в результате образования некондиционных продуктов.

Таким образом, при проектировании безотходных производств необходимо заранее проводить расчет надежности работы не толь­ ко отдельных аппаратов, но и всей ХТС, а также создавать условия ее стабильной работы.

ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ ПРИНЦИПЫ

Организационные принципы имеют большое значение в созда­ нии безотходных (малоотходных) производств. К ним относятся принцип кооперирования и комбинирования производств, прин­ ципы создания безотходных территориально-промышленных ком­ плексов и технологии переработки отходов.

Кооперирование и комбинирование различных производств. В от­ расли основного органического и нефтехимического синтеза име­ ется несколько форм организации производств, позволяющих по­ вышать их концентрацию за счет создания: 1) комбинатов внутри- и межотраслевого типа, на которых создаются производства, раз­ личные по технологии и вырабатываемой продукции, но позволя­ ющие комплексно перерабатывать сырье; 2) специализированных предприятий, на которых вырабатывается однородная продукция по технологии своего производства или использования.

Однако с целью создания безотходных или малоотходных про­ изводств постепенно отрасль будет переходить на организацию про­ изводств первого типа. При этом внутри комбинатов или производ­ ственных объединений будут формироваться специализированные

260 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

заводы или новые комплексы со сложными сырьевыми и техноло­ гическими связями.

Таким образом, будут создаваться производственные объ­ единения или комбинаты, включающие отдельные специализи­ рованные заводы с углубленной специализацией, рациональным комбинированием и использованием укрупненных агрегатов и тех­ нологических линий, позволяющих превращать исходное сырье в целевые продукты с минимальными затратами и отходами. При этом предусматривается использование этих отходов в других от­ раслях или их захоронение, если это безопасно для природы.

В дальнейшем заводская концентрация в отрасли основного органического и нефтехимического синтеза будет развиваться в сле­ дующих направлениях:

О межотраслевое комбинирование производств преимуществен­ но путем создания многономенклатурных комбинатов и мно­ гоотраслевых предприятий;

в отраслевая специализация промышленных объектов;

©создание производственных и научно-производственных объ­ единений.

Успешной формой организации в нашей стране были научнопроизводственные объединения, которые включали промыш­ ленные предприятия, научно-исследовательские и проектные ин­ ституты и опытно-экспериментальную базу. При этом создаются наиболее благоприятные условия для разработки новой техноло­ гии и использования научных достижений при реализации от­ дельных принципов разработки безотходных технологий в про­ изводстве.

Кроме того, концентрация производства в масштабах объ­ единения и развития специализации должна служить расширению выпуска продукции отрасли на основе интенсивных методов про­ изводства, технического перевооружения, использования новейших достижений науки и техники. Все это дает значительный экономи­ ческий и экологический эффект.

Наиболее характерным примером такой организации произ­ водства является ПО «Нижнекамскнефтехим», в котором объ­ единены специализированные производства, имеющие аппараты или технологические линии большой единичной мощности. Се­ бестоимость продукции этого объединения примерно на 20—30% ниже, чем на специализированных заводах, выпускающих анало­