Сутягин В.М., Бондалетов В.Г., Кукурин О.С. Принципы разработки малоотходных и безотходных технологий

Подождите немного. Документ загружается.

Совмещенныепроцессы имеютпреимуществаиприпроведении

необратимыхреакций. Еслиреакцию

А В



проводитьвобычномре-

акторе, топривысокойконверсииреагентаАскоростьреакциирезко

снижается, чтотребуетдлительноговременинареакцию исоответст-

венно приводитк резкому увеличению объемареактора. Но даже

ивэтомслучаеполучитьчистоевеществоВпрактическиневозможно,

ипоследующаяочисткавеществаВприводиткобразованиюотходов.

Есливреакционно-массообменномпроцессеудаетсяорганизовать

селективноеотделениепродуктаВ, тоэтовновьприведеткувеличению

скоростиивозможностиорганизациибезотходногопроизводства.

Для возможности организации совмещенного реакционно-

массообменногопроцессанеобходимыусловия. Во-первых, технологи-

ческиережимыреакциииразделительногопроцессадолжныбытьболее

илименееобщими, восновномэтокасаетсятемпературыидавления.

Во-вторых, реагентыипродуктыреакциидолжныотличатьсямеж-

дусобойпоосновнымсвойствам, характернымдляпринятогораздели-

тельногопроцесса: дляректификации−поотносительнойлетучести,

дляэкстракции−порастворимостиит. д.

В реакционно-ректификационных процессах реакция протекает

содновременнойректификациейреакционнойсмесиводномаппарате.

В целенаправленных реакционно-ректификационных процессах

ректификацияиспользуетсякакдляинтенсификациипростых, такидля

повышения селективности сложных реакций. Например, реакцию

А В



(Вявляетсяболеелетучимкомпонентом, чемпродуктА) целе-

сообразноорганизоватьввидесовмещенногопроцесса, чтопоказанона

рис. 22, а. ЕслипродуктВменеелетуч, чемА, тореакциюпроводятпо

схеме(рис. 22, б).

а б

Рис. 22. Схемыреакционно-ректификационныхпроцессовдляреакции

А В



алегкокипящийпродуктВ; бтяжелокипящийпродуктВ

ОбесхемыобеспечиваютполнуюконверсиюреагентаАсвыводом

чистогопродуктаВ.

1.9. Снижениепотерьпродуктов

настадииразделенияреакционнойсмеси

Потерицелевогопродуктанастадииразделениявозникаютзасчет

утечекчерезнеплотности, из-заостатковвреакторахпериодического

действияиприостановкахнепрерывныхпроцессов, атакжевозможны

потери, связанныесравновеснымраспределениемпродуктавцелевой

фракцииипобочнойвмассообменныхпроцессах.

Это, например, остаточноесодержаниеотгоняемогокомпонента

вкубовомпродуктеприректификации.

Рассмотрим, какснизитьпотерицелевогопродуктаспобочной

фракцииразделительногопроцесса, частоявляющиесяотходами.

Пустьнаразделениепоступаетреакционнаясмесьсобъемнойско-

ростьюиконцентрациейцелевогопродуктаС. Реакционнаясмесьраз-

делятсянадвефракции:

отходысобъемнойскоростьюV

отх

;

целевуюфракциюсобъемнойскоростьюV

– V

отх

иконцентра-

циейцелевогопродуктаС

Определим величинупотерь(П) целевогопродуктасотходами

впроцентахотколичествависходнойсмеси, подаваемойнаразделение:

отх отх

П 100 %

V С

V C



 



. (61)

Уравнениематериальногобалансадляцелевогопродуктаимеетвид





отх отх 0 отх ф

V C V

С V V С

     

. (62)

Отношение

отх

отх ф

С С







, найденноеизуравненияматериаль-

ногобаланса, подставимвформулудляопределенияпотерьпродукта:

отх ф

( )

П 100 %

( )

С С С

С C С

 

 

 

. (63)

Содержаниепродуктавцелевойфракцииопределяетсятехниче-

скимиусловиямиилиГОСТомиможетбытьпринятопостоянным.

Нарис. 23 представленызависимостипотерьцелевогопродуктана

стадииразделенияизависимостиотегосодержаниявотходахприраз-

личныхконцентрацияхсмеси, поступающейнаразделение, изависи-

мостьотегосодержаниявотходахприразличииконцентрацийвсмеси,

поступающейнаразделениеС.

Рис. 23. Зависимостьпотерьпродукта(П)

настадииразделенияотсодержанияеговотходах(С

< С

)

Изрис. 23 видно, чтопроцентпотерьпродуктавозрастаетсувели-

чениемконцентрациицелевогопродуктавотходах. Приэтомпроцент

потерьвозрастаеттембыстрее, чемнижеконцентрацияпродуктавре-

акционнойсмеси, поступающейнаразделение.

Припостояннойконцентрациицелевогопродуктавотходахпро-

центпотерьвозрастаетсуменьшениемегоконцентрациивисходной

смеси.

Отсюдавывод: дляболееполноговыделенияпродуктанастадии

разделениянеобходимоувеличиватьегоконцентрацию вреакционной

смеси, поступающейнаразделение, иуменьшитьегоконцентрацию

вотходах.

Наиболеераспространеннымиспособамипредотвращенияпроте-

каниянежелательныххимическихпревращенийнастадииразделения

реакционнойсмесиявляются:

проведениеразделенияпринизкихтемпературах;

использованиевакуума;

применениеингибиторовпобочныхреакций;

исключениеконтактированиятермостойкихпродуктовсгорячи-

миповерхностями.

Потери, %

Содержаниекомпонентавотходах, % (С

отх

)

Заключение

Однимизнаправленийприродоохраннойработыинженеровявля-

етсясовершенствованиеважнейшихтехнологий. Технологическийпро-

цессдолженисключатьвыбросотходов, апобочныепродуктыисполь-

зоватьсянаэтомилииномпредприятии.

Протеканиепобочныхреакцийможноуменьшитьилисовсемлик-

видироватьотходы, используяразличныерекомендации, основанныена

различныхтехнологическихпринципах.

Следуетпомнить, чторекомендации, основанныенатехнологиче-

скихпринципах, следуютосновнымзаконамхимии, физикииэкономи-

ки. Онисодержатлишьобщееуказаниеорациональномоформлении

технологическогопроцесса. Решающую рольприэтомиграютэконо-

мическиесоображения, процессдолженбытьэкономичен. Такимобра-

зом, втехнологиихимическихсоединений, кромеобщихтехнических

принципов, необходимо учитыватьтакжеэкономическиепроблемы,

обусловленныеобычноместомивременем.

Глава2. ПРИНЦИПЫ РАЦИОНАЛИЗАЦИИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХПРОЦЕССОВ

Активномуизменениюсамихтехнологическихпроцессовсцелью

комплексной, болееполнойпереработкиисходныхвеществ(итемса-

мым сокращению доминимумаотходов) способствуютследующие

принципытехническойрационализации:

1. Непрерывноеведениетехнологическихпроцессов, сокращение

стадийностипроизводстваичислаопераций, уменьшениечислапроме-

жуточныххранилищ, транспортировкапродуктовввидерасплавов,

растворов, суспензий, увеличениеединичноймощностиреакторов.

2. Подготовкавысококачественногосырья, внедрениехимических

реакций, протекающихприминимальномобразованиипобочныхпро-

дуктов; использованиедляподавленияпобочныхпроцессовизбытка

одногоизреагентов, какправило, болеедешевого, доступногоилегко

регенерирующегося; смещениеравновесияобратимыхреакцийвсторо-

нуобразованияцелевыхпродуктов; уменьшениезначениймаксималь-

ныхтемпературивремениреакции; изменениеконструкцииреактора

позволяетснизитьуровеньобразованияпродуктовпобочныхреакций.

3. Уменьшениеколичестваилиисключениевспомогательныхве-

ществиматериалов, применяемыхвХТП(отработанныекатализаторы,

адсорбенты, растворители, водаотпромывкитары, оборудования, по-

мещенийидр., воздух, применяемыйдлятранспортировкипродуктов,

сушкиит. д.). Применениеэтихмероприятийпозволяетснизитьмате-

риальныйиндекспроизводства− суммарныйудельныйрасходсырья

ивспомогательныхматериаловнаединицумассыготовойпродукции.

Вовсехреальныхпроизводствахизбытоксырьяивспомогательных

продуктовидетнаобразованиеотходов.

4. Заменаоднихреактивовдругими. Частоэтоприводитксниже-

ниюколичестваотработанныхвспомогательныхреагентов.

5. Использованиепобочныхпродуктоввэтом жепроизводстве,

т. е. этивеществабудутрассматриватьсякаксырье.

6. Созданиеновыхтехнологическихпроцессовполученияданного

продукта, вкоторыхуменьшаетсяколичествотехнологическихстадий,

ведущихзасобойобразованиеотходов.

7. Внедрениепроцессов, предусматривающихпромышленноеис-

пользованиепромежуточныхипобочныхпродуктов, втехслучаях, ко-

гдаколичествоиликонцентрацияэтихвеществдостаточныдляихвы-

деления.

8. Разработкаивыпускспециализированногооборудования, обес-

печивающегомаксимальнуюочисткувыбросовисбросовотразличного

родазагрязняющихвеществ.

9. Преимущественнаяразработкаивнедрениетехнологий, отходы

которыхявляютсяестественнымикомпонентамибиохимическихцик-

лов(вода, СО

, СаОидр.) ивыделяютсявколичествах, ненарушающих

естественногоравновесиявтехнобиогеоценозах.

10. Применениевтехнологическихсхемахпринциповпротивотока,

противоточного многоступенчатого каскадареакторов, рекуперации,

регенерацииивозвратвциклпроизводства. Этопозволяетповыситьаб-

солютныйвыходлюбогопродуктасложнойхимическойреакции, про-

цессовразделениягетерогенныхсистемирекуперацииэнергии.

11. Созданиетехнологическихрежимов, обеспечивающихвыпуск

продукциивысокогокачества, которую можноиспользоватьболееэф-

фективноиболеедлительныйсрок.

12. Совершенствованиеиинтенсификацияосновныхтехнологиче-

скихпроцессов, прикоторыхконцентрациятоксичныхвеществвотхо-

дахбудетрезкоуменьшаться. В этихслучаяхочистныеустановкине

всегдабудутнужныиутилизацияотходовоблегчается.

Одиннадцатоеи двенадцатоенаправлениятехнологическогосо-

вершенствованияБОПособенноважны, т. к. позволяютодновременно

совершенствоватьиинтенсифицироватьпроектируемоепроизводствои

осуществлятьегоэколого-экономическую оценку, заключающуюсяв

определениидопустимыхсоциально-экономическихграницвразвитии

производительныхсиливиспользованииконкретныхресурсоврегиона

с учетом рациональных взаимосвязей всех элементов природно-

техническойсистемы.

13. Переводпредприятийнаоборотноеиповторноеводоснабжение

сиспользованиемочищенныхводдлятехническихнужднаэтом же

предприятии, организациявнутрицеховоговодооборота, созданиело-

кальныхсхемочисткисутилизациейценныхкомпонентов, анеобъеди-

нениесточныхводводинпотокпередихочисткой.

14. Разработкакомплексныхсхем, позволяющихмаксимальноис-

пользоватьвсеингредиентысырья, построениебезотходныхтехнологий

спозициисистемногоподходакбольшойсистеме«человек− производ-

ство− окружающаясреда». Использованиеэксергетическоготермоди-

намическогоидругихвидованализа, позволяющихдатьнеобходимую

характеристикуматериальныхитепловыхпотоковвтехнологической

схеме.

15. Повышениеобщей культуры производства, заключающееся

втом, чтопредотвращаютсяразовые, залповыевыбросы вредныхве-

ществватмосферуиводоемы, складированиеихранениенатерритории

предприятийтвердыхотходовит. п.

Итак, менеевсеговнастоящеевремяразработанои обобщено

главноенаправлениеприродоохраннойработы инженеров, связанное

скоренным совершенствованием важнейшиххимическихтехнологий.

Борьбасзагрязнениемокружающейсредыпутеминтенсификацииира-

циональнойорганизациитехнологическихпроцессовможетдатьстой-

куюэффективностьипривестикпрактическиполномуустранениюне-

организованных выбросов. Интенсивный технологический процесс

долженразрабатыватьсятак, чтобыисключалсяилидоводилсядоми-

нимумавыбросотходов, апобочныепродуктыудовлетворялитребова-

ниямперерабатывающихтехнологий.

Заключение

Совершенствованиетехнологийдействующихпроизводствдолжно

оставатьсявполедеятельностиинженеров-экологов, т. к. этопозволит

сократить количество вредных выбросов в окружающую среду.

Ксожалению, сейчасменеевсегоразработаноиобобщенонаправление

природоохраннойработы технологов-химиков, связанноескоренным

совершенствованием действующих технологий. Такая технология

должнадоводитьсядосостоянияминимальныхвыбросовотходовпро-

изводства.

Глава3. ПРИНЦИПЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ

ХИМИЧЕСКИХПРОИЗВОДСТВ

Законыпознаниятребуюттого, чтобывначалерассмотрениякако-

го-либообъектабылиприведеныонемсамыеобщиесведения. Итак,

чтожепонимаютподинтенсивностью химико-технологическогопро-

цесса(системы).

В промышленнойэкологииподинтенсивностью ХТП понимают

осуществлениевсехмероприятийкаквнутри, такивнеего, связанных

сувеличениемпроизводительности, улучшениемкачествавыпускаемой

продукцииикачестваокружающейсреды, сэкономиейматериально-

энергетическихресурсов. Напомним, чтокачествоокружающейсреды−

этостепеньсоответствияприродныхусловийпотребностямлюдейили

другихживыхорганизмов. Требованиялюбогоживогоорганизмакка-

чествусредывырабатывалисьвтечениемногихтысячелетийэволюции.

Прирезкомизменениифакторов, отклоненияихотнекоторыхтребуе-

мыхорганизмунормвозможнынарушенияобменавеществи, каккрай-

нийслучай, − несовместимостьэтихнарушенийсжизньюорганизма.

Возможныдваспособаинтенсификацииилиихкомбинация:

интенсифицирующихфакторов;

структурно-вариантнойоптимизации.

Нижебудутрассмотрены этиспособы интенсификациихимиче-

скихпроизводств.

3.1. Способинтенсифицирующихфакторов

Восновуэтогометодаположеноувеличениескоростейхимических

реакций, пропорциональныхконцентрациямреагирующихвеществ. По-

следниевовремениизменяютсяпогиперболическимзависимостям, что

предопределяетзначительныевременареакций икапиталовложений

вреактор, необходимыедлядостиженияпредельнодопустимыхкон-

центрацийисходныхвеществвреакционныхсмесях.

Применениеинтенсифицирующихфакторовдлякоренногоизме-

нениястарыхтехнологийпозволяеттакжеодновременнособлюдатьос-

новныеконцепциисозданиямалоотходныхпроизводств:

достаточнуюглубинуиполнотупереработкисырья;

минимальныевыбросынизкопотенциальноготеплаиматериаль-

ныхотходоввокружающуюсреду;

максимальное снижение площадей и капитальных вложений

впроизводственноеиочистноеоборудование.

3.1.1. Основныенаправленияинтенсификации

химико-технологическихпроцессов

Приинтенсификациихимическихпроцессовстремятсяосущест-

витьцеленаправленноеизменениекакой-либогруппыфакторов, кото-

рыеоказываютопределенноевлияниенаскоростьреакцииивыход

продуктов. Дляпроцессов, протекающихвкинетическойобласти, таки-

мифакторамибудеттемпература, давление, концентрацияреагирую-

щихвеществиприменениекатализаторов. Дляпроцессов, протекаю-

щихвдиффузионнойобласти, применяютгомогенизацию, перемеши-

вание, турбулизациюпотока, атакжеосуществляютрациональныйвы-

борнаправлениядвиженияпотоков. Дляпроцессов, протекающихвпе-

реходнойобласти, необходимоприменятькаккинетические, такидиф-

фузионныефакторы.

Рассмотримкраткоосновныеслучаиизмененияосновныхпарамет-

ровпроцесса.

Перемешивание

Перемешиваниепозволяетвыравниватьконцентрацииитемпера-

турувзаимодействующихфаз. Особенноэффективноонодляжидко-

стейвследствиенебольшойскоростидиффузиимолекулвжидкойфазе.

Применяютследующиевидыперемешивания: механическое, пневмати-

ческое, электромагнитноеидр.

Применениетурбулентногорежимадвиженияпотокадаетвозмож-

ностьзасчетускоренияперемешиваниявзаимодействующихфазсуще-

ственнымобразоминтенсифицироватьпроцессестественнойдиффузии

молекул. Притурбулизациипроисходитускорениепроцессасмешения

фазиувеличениеповерхностивзаимодействиямеждуними. Дляулуч-

шенияпроцессатурбулизациистремятсяболеетонкоизмельчатьвзаи-

модействующиепотокиидобиватьсявысокойскоростидвиженияих

ваппарате.

Степеньгомогенизации

Повышениестепенигомогенизациивзаимодействующихвеществ

особенноэффективнодлясистемж-ж, г-тв, тв-ж ит. д., поскольку

позволяетдостигнутьтребуемойстепенизавершенияпроцесса, повы-

ситьвыходикачествопродукциииинтенсифицироватьпроцесс. Для

достиженияоднородностихимическогоифракционногосоставаприме-

няютгравитационные, центробежные, электромагнитные, химическиеи

другиеспособыразделениянеоднородныхсистем. Дляосуществления

гомогенизациинеоднородныхжидкихитвердыхфракцийиспользуют,

100

например, механическиеизмельчители, вибрацию, ультразвук, высоко-

вольтныеэлектрическиеразрядывжидкойсреде.

Температура

Повышениетемпературы обычнопозволяетувеличитьконстанту

скоростиреакции, однаковзначительноменьшейстепенионовлияетна

росткоэффициентадиффузии. Приувеличениитемпературына10 °С

скоростьреакциивсреднемувеличиваетсяв2–4 раза. Верхнийпредел

повышениятемпературыможетбытьограниченвследствиенизкойтер-

мостойкостиконструкционныхматериаловреагентовикатализаторов,

длякоторыхрабочаятемператураврядеслучаевнесоответствуетмак-

симальнодопустимомузначению.

Рассмотрим влияние температуры на селективность реакции.

Влияниетемпературынаселективность(относительнуюскоростьреак-

ции) зависитотсоотношенияэнергииактивациипараллельныхреакций.

Дляпараллельныхреакций

1 1

2 2

R T

K A







  , (64)

где А

иА

− предэкспоненциальныемножители;

1 2

E E E

  

, Е

иЕ

− энергииактивацииосновнойипобочнойре-

акциисоответственно.

ЕслиЕ

> Е

, топринизкихтемпературахскоростьпобочнойреак-

циизначительновыше, чемосновной. Поэтомуселективностьпопро-

дуктуВневеликапринизкихтемпературах. Повышениетемпературы

увеличиваетсоотношениеконстантскоростейреакцииисоответственно

повышаетсяселективностьпроцессапопродуктуВ.

ЕслиЕ

< Е

, топринизкихтемпературахскоростьосновнойреак-

циивыше, чемпобочной, иселективностьпоцелевомупродуктупри

низкихтемпературахвыше, чем привысоких. Таким образом, при

< Е

повышениетемпературынецелесообразно.

Селективностьпоследовательныхреакцийзависиттакжеотсоот-

ношенияскоростей протекающих реакций. Например, для реакции

1 2

K K

A B D

 

соотношенияскоростейобразованияпродуктовВи

Дбудетравно

B A

D B

R K C

  

. (65)