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

Подождите немного. Документ загружается.

121

237,5 °С

3Рецикл

147,5°С

Рис. 29. Схемаполученияциклогексанаизбензола:

1 реакторгидрирования; 2 конденсатор; 3, 4 сепараторывысокого

инизкогодавления; 5 циркуляционныйкомпрессор

В табл. 5 приведенырезультаты анализатермодинамическойэф-

фективностипроизводствациклогексанаизбензола.

Таблица5

ПотериэксергииизначенияКПД

Оборудованиесистемы Потериэксергии, %



, %

1. Насосбензола 0,24 50,2

2. Циркуляционныйнасос 0,03 49,5

3. Компрессор 0,13 71,3

4. Смесительиреактор 74,6 33,4

5. Конденсаторы 24,7 0,00

6. Сепараторнизкогодавления 0,57 0,00

Итого 100

Какследуетизприведенныхданных, основныепотериотнеобра-

тимости(75 %) связанысхимическойреакциейгидрированиябензо-

ла, остальныепотеривозникаютвосновномприразделенииреакцион-

нойсмеси. ЭксергетическийКПД(33,4 %) невелик. Низкиевеличины

невысокийКПДибольшаядоляпотериреакцииобъясняютсятем, что

реакцияидетпринизкойтемпературе, поэтомуеетеплоиспользуется

частичноилишьдлянагреванияпитательнойводыкотладо150 °С(т. е.

неквалифицированно). Крометого, частьтеплавообщетеряется, т. к.

122

отводитсявконденсаторепритемпературе, близкойктемпературеок-

ружающейсреды, т. е. снулевойэксергией.

Главныйспособуменьшенияпотерьэксергииприэкзотермической

реакциивданномслучаеэтоувеличениетемпературыреакции, т. е.

проведениееевусловиях, противоположныхтребованиям, вытекаю-

щимизпринципаЛе-Шательедляобратимыхреакций.

В конкретныхусловияхповышениетемпературы ограниченоне

толькоснижением выходапродукта, аследовательноиувеличением

расходаэнергиинациркуляциюиразделениесмеси, ноиуменьшением

селективностипроцесса, увеличением скоростипротеканияпобочных

реакций, атакжедругимифакторами.

Еслижевозможностьувеличениятемпературысуществует, тодля

болеерациональногоиспользованиятеплареакции(т. е. приболеевы-

сокойтемпературе) целесообразноподогреватьотходящимпотокомис-

ходныепродукты, аневводитьихнепосредственновреактор(какэто

показанонарис. 29). Очевидно, снятиенекоторыхограниченийвоз-

можнолишьприразработкеновойтехнологиисучетомуказанныхтре-

бованийэнергетики.

В заключениезаметим, чтодляпроцессовсзаданнымифизико-

химическими свойствами веществсуществуюттри группы методов

уменьшенияэнергетических:

методы, связанныесувеличениемповерхностиаппаратов, времени

протеканияреакции,применениемболееактивныхкатализаторовит. д.;

методы, основанныенаизменении технологического режима

инесвязанныесизменениемтехнологическойсхемы. Применениеэтих

методовможетбытьсвязаносувеличениемгабаритоваппаратов;

методы, требующиенарядусприемами, изложеннымивыше,

такжеизменениятехнологическойсхемы.

4.2. Регенерациятеплоты

Вслучаекогданужновеществаподогретьнакаком-тоэтапепро-

цесса, тодляэтойцелиможноиспользоватьтеплотугорючихвеществ

тремяспособами:

непосредственнымтеплообменом(т. е. теплоотдачейсоприкос-

новением);

черезтеплообменнуюповерхность(теплопередача);

спомощьютепловыхагентов.

Первыйизназванныхспособовиспользуетсявтехслучаях, когда

вещества(горячиеихолодные) разделяются, т. е. находятсявразных

фазах. С такими системами имеют дело при работе непрерывно-

123

действующихпечей(рис. 30). Твердыйматериал, загруженныйвпечь,

подогреваетсяуходящимидымовымигазамиилигазообразнымипро-

дуктамиреакции, авоздух, необходимыйдлясжиганиятоплива, илига-

зовыереагенты, движущиесявзонуреакции, отбираюттеплотуотма-

териала, сгоревшеговпечи. Примеровиспользованияпобочныхсистем

оченьмного(рис. 30).

Рис. 30. Типыпромышленныхпечейспрямымтеплообменом:

апечьсдвижущимсяслоемтвердойфазы; бполочнаяпечь;

впечьскипящимслоем; гаппаратДуайт-Ллойда;

двращающаясяпечь(Ттвердаяфаза, Ггазоваяфаза)

Втомслучае, когданевозможноиспользоватьтеплоотдачусопри-

косновением (например, две смешивающиеся жидкости, вещества,

вступающиевхимическую реакцию), тогдарегенерациятеплотыпро-

водитсяспомощью теплопередачичерезповерхностьразделительной

стенки. Применяетсятакжетепловойагент, имеющийбольшую тепло-

вуюемкостьинаходящийсявиномагрегатномсостоянии, чемнагретое

ихолодноевещества.

Можнопривестинесколькопримеровиспользованиятеплопереда-

чидлярегенерациитеплоты припроведенииважныхпромышленных

реакций, описываемыхуравнениями:

124

2 2 2 2 4

H +H C H ΔH= –41,6

ккал



;

2 4 2 2 6

C H +H C H ΔH= –32,8

ккал



;

2 4 2 2 5

C H +H O C H OH ΔH= –11,3

ккал



;

2 4 2

CO+3H CH + H O H 49,3

ккал

 



; (79)

2 3

CO+3H CH OH ΔH 21,8

ккал





;

2 2 2

CO+H O H +CO H 9,83

ккал

 



;

2 2 3

N + H NH H 11,0

ккал

2 2

  .

Нарис. 31 представлены схемы различныхтиповаппаратовдля

проведенияэтихреакций.

Иногдатеплопередачасоприкосновением и теплопередачачерез

стенкуневозможна. Вэтихслучаяхприменяюттвердыетепловыеаген-

ты. Наихиспользовании основанаработатепловыхрегенераторов.

Сначалагорячиегазынагреваютмассутвердогозаполнениякамерыре-

генератора, анаследующемэтапециклазаполнениеотдаетаккумули-

рованнуютеплотугазам, которыенеобходимонагреть.

а б в

г д е

Рис. 31. Способытеплообменавреакторах

снеподвижнымслоемкатализатора:

авнутреннийтеплообменник; бвнешнийтеплообменник; вкольцеобразныеох-

лаждающиепространства; гтрубки, заполненныекатализатором; дмежтрубное

пространство, заполненноекатализатором; есдвоенныетрубки(«трубавтрубе»)

125

Регенерацию теплоты можнопроводитьнепрерывным способом,

когдавкачестветепловогоагентаприменяется, например, твердыйма-

териалнебольшогозернения, жидкостьилидажегаз, движущиесявсис-

темеипоглощающиепериодическитеплотугорячегоносителя, азатем

отдающиееематериалу, которыйнужнонагреть. Нарис. 32 показана

схемарегенерациитеплотыспомощьюдвижущихсятвердыхгранул.

Такаяустановкаможетприменятьсядлянагреваниявоздуха, водо-

рода, метанаидругихгазообразныхвеществвразличныхпромышлен-

ныхпроцессах.

Гранулысдиаметром8÷15 ммнагреваютсявверхнейкамере2 при

непосредственномсоприкосновении(прямойтеплообмен) сотдающим

теплотуносителем, которымможетбытьлюбойгазсвысокойтемпера-

турой(например, продукты сгорания). Послеперемещениявнижнюю

камеру3 гранулыотдаюттеплотугазам, которыенужнонагреть. Подъ-

емникомгранулытранспортируютсяснованаверхкамеры2.

Гранулыэтосмесь85 % Al

и15 % каолина.

Рис. 32. Схемарегенерациитеплоты

спомощьюдвижущихсятвердыхгранул:

1 подъемник; 2 камеранагреваниягранул;

3 камераохлаждениягранул

Следуетзаметить, чтожидкостьтакжеможетслужитьтепловым

агентом внепрерывныхпроцессахтеплообмена. Например, водаис-

пользуетсядляэтойцеливреакции

2 2 2

CO+H O H +CO



Реакцияпроходитпри450÷500 °СнакатализатореFe

+ Cr

126

Схемаустановкипоказананарис. 33.

Водасградирни

Воданаградирню

Вода

80 °С

78 °С

65 °С

Вода

Газ

Воздух

92 °С

Пар

170 °С

380 °С

Рис. 33. Схемапроцессаконверсииоксидауглерода:

1 сатуратор(насыщениегазаводянымпаром); 2 паровойинжектор; 3 тепло-

обменник; 4  реактор; 5  теплообменник(подогревательводы); 6  насос;

7 предварительныйхолодильникгаза(нагреваниеводы); 8 оросительныйхоло-

дильник; 9 конечныйхолодильникгаза

Тепловойбалансвданномслучаепоказал, чтоприиспользовании

поверхностноготеплообменаподогреваетсявода5 ипридостигнутой

вскруббереразницетемпературв2 °Смеждунагревающимсяиохлаж-

дающимсягазамивсистемувозвращается45,8 %, аспаром(инжектор2)

поступает54,2 % общегоколичестватеплоты.

4.3. Другиеприемыэкономиитеплоты

Когдав каком-либо процессенеобходимо проводить реакцию

сбольшимтепловымэффектом, выгоднообъединитьееводномаппа-

ратесдругойреакцией, имеющейзначительныйобратныйтепловой

эффект, итогдатеплообменпроходитбезпотерь. Подобныйслучай

имеетместоприполученииформальдегида:

3 2 2 2

3 2 2

CH OH+1 2O CH O H O, H 38

ккал;

CH OH CH O H , H 20

ккал.

   

   

(80)

127

Теплота, выделяющаясявпервойреакции, используетсявовторой,

аостальноеколичестворасходуетсяприсгоранииводорода.

Такимобразом, однимизспособовоценкистепенитермодинами-

ческогосовершенствапроцессаявляетсяэксергетическийметод. Этот

методпозволяетвыявитьнетолькообщиепотериэксергии, ноиопре-

делитьисточникпотерь.

Концепцияполногоиспользованияэнергетическихресурсовна-

правленанаминимизациюэнергетическихитепловыхзатрат, наполное

использованиеихвпроцессе.

Тепловую энергию потоковвхимическихпроизводствахможно

использовать, вырабатывая, например, парвкотлах-утилизаторах.

Заключение

Вхимическихпроизводствахприменяютследующиевидыэнергии

тепловую, электрическую, световую идр. Почтиполовинатепловой

энергиинахимическихпредприятияхрасходуетсянаполучениетаких

энергоемкихсоединений, какхимическиеволокна(10,5 %), аммиак

(9,5 %), полимеры (8,2 %), каустическая сода (4,7 %), капролактам

(3,5 %), карбамид(3,5 %), метанол(2,5 %).

Вобщемрасходетопливно-энергетическихресурсовнанефтепере-

рабатывающихинефтехимическихпредприятияхнадолюорганическо-

готоплива(природныйгаз, мазут, горючиеотходы) приходится45 %,

тепловойэнергии40 % иэлектрическойэнергии15 %.

Следовательно, концепцияполногоиспользованияэнергетических

ресурсовнаправленанаминимизацию энергетическихитепловыхза-

трат, наполноеиспользованиеихвпроцессе.

128

РазделIII

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГОПРОЕКТИРОВАНИЯ

ХИМИЧЕСКИХПРОИЗВОДСТВ

Соединениехимическойидеисинженернымпоискомвусловиях,

диктуемыхтехнологическими, экономическими, экологическимифак-

торами, иявляетсяистиннойсутьюпроектирования. Созданиюреально

действующего безотходного производства (БОП) предшествует его

«строительство» набумагевформепроекта.

Таким образом, проектированиеБОП − этопроцесспереработки

исходнойинформации, полученнойврезультатеэкспериментов, вко-

нечнуюинформацию, необходимуюдлясоздания(строительстваимон-

тажа) промышленногообъекта. В итогеполучаютпроектно-сметную

документацию (ПСД) или проект, представляющий собойкомплект

чертежейитекстовыхматериалов, которыеописываютиизображают

сминимально необходимой степенью детализации будущий объект

вцеломиегосоставныечасти. СодержаниеиобъемПСДстрогорегла-

ментированыГосстроемРФв«инструкцииосоставе, порядкеразработ-

ки, согласованияиутвержденияпроектно-сметнойдокументациина

строительствопредприятий, зданийисооружений» (СНиП11.01.95).

В процессепроектирования БОП прорабатываются следующие

частиобщегопроекта:

технологияпроизводстваиаппаратурноеоформление;

автоматизацияимеханизация;

строительнаяисантехническаячасти;

водоснабжениеиводоотведение;

генеральныйплан;

сметнаяитехнико-экономическаядокументацияидр.

Определяющей частью ПСД химическогопредприятияявляется

механико-техническаячасть, разработкакоторойвключает:

выборметодапроизводства, отвечающегоэкологическимтребо-

ваниям;

созданиепринципиальнойимонтажно-техническойсхемыБОП;

выбор, расчет необходимого технологического оборудования

иегорациональноеразмещение;

обеспечениевысокойстепенимеханизациииавтоматизациивсех

операцийпроцесса.

129

Померерешенияэтихвопросовпереходяткостальным частям

ПСД(проекта):

архитектурно-строительной;

энергетической;

контроляиавтоматики;

внешнихсетейикоммуникацийит. д.

Такимобразом, впроцессепроектированиярешаютсямногиево-

просы, нонасвконтекстеразделаIII интересуетименнотехнологиче-

скоепроектирование, т. е. тасердцевина, радикоторойивокругкоторой

создаетсятосложноеиподчасвесьмакрупноеинженерноесооружение,

какимявляетсясовременноехимическоепроизводство.

Длятогочтобыподробнееразобратьсявсуществевопросов, рас-

смотримкраткообычныйпутьразработкитехнологическогопроцесса.

Глава1. МЕТОДОЛОГИЯРАЗРАБОТКИ

ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

БЕЗОТХОДНОГОПРОЦЕССА

1.1. Этапыпроектирования

Эмпирическисложившаясяметодологиясозданиятехнологических

процессоввключаетпоследовательноевыполнениеработнаразличных

этапах. Так, разработканачинаетсяспоисковыхисследований, прохо-

дитэтапылабораторныхисследований, проектированияиконструиро-

ванияодной или несколькихпилотныхустановок, ихэксплуатации

иполученияисходныхданныхдляпроектированияБОП, проектирова-

ния, пускаиосвоенияпромышленногохимическогопроцесса.

Объемисследованийнакаждойстадииможетбытьвесьмаразлич-

ным, взависимостиотмножестваконкретныхфакторов. Цельлабора-

торныхисследованийобычнозаключаетсявтом, чтосначаланужнопо-

лучитьобразцыматериаладляпервичногоисследованиясвойств.

Еслипервичныеисследованиядалиположительныйрезультат, то

проводятсяболеесистематическиеисследованиявлабораторноммас-

штабесцельюопределенияоптимальныхусловийпроведениясинтеза.

Фактическиэтоиестьисследованиекинетикипроцесса, хотяпол-

наяобработкаэкспериментальныхданныхпроводитсяневсегда. Имен-

нонаэтойстадиивозникаютпринципиальныевопросы:

Вкакомобъемепроводитьлабораторныеисследования?

Достаточнолиформально-кинетическогоанализаилинеобходи-

моизучениедетальногомеханизма?

130

Скольковременинужнозатратитьнапроведениеэксперимента?

Каквыбратьнаилучшеефазовоесостояниереагентов?

Независимоотэтогоилипараллельноэтомуисследованиюосваи-

ваетсяпроизводствоопытныхпартийпродуктадляпроведенияширо-

кихисследованийегоструктурыисвойств.

Наэтойстадииобычнорешающеезначениеимеетвыборконст-

рукцииосновногоаппарата, котораявпоследствиибудетмодернизиро-

ваться.

Вобъемисследованийнапилотнойустановкеобычновходитизу-

чениевоспроизводимостирезультатов, устойчивостиирегулирования

процесса, анализматериальногоитепловогобалансов, которыеявляют-

сяосновнымиисходнымиданнымидляпроектирования.

Разработкарежимовсинтезахимическихвеществтесносвязана

сразработкойоборудования. ВажнейшимаппаратомвБОПсинтезаве-

ществявляетсяреактор. Егоразработкойзанимаютсядвегруппы:

технологическая;

инженерногооформленияпроцесса.

Идеябудущегореактораникогданевозникаетнапустомместе.

Лабораторныйотчетдаетматериалдляразмышления, лаборатор-

ныйреактор− первыйпрототиппромышленногоаппарата. Крометого,

технологвооруженинженернымопытом, знакомстиповымиконструк-

циямиреакторовдляразличныххимическихпроцессов.

Послетого, какконструкцияреактораобоснованаипродуманыус-

ловияего эксплуатации, можно разрабатыватьтехническоезадание

конструкторам. Полученная информация поступает на следующий

этап− проектированиеБОП.

1.2. ОрганизацияпроектированияБОП

ПроектированиеБОПосуществляетсяпроектнымиорганизациями

(Пластполимер, ВНИИНП, ГИАП идр.) позаданиямзаказчиков. По-

следнийготовит, согласуетивыдаетпроектировщикуутвержденноеза-

даниенапроектирование. НаосновеПСДстроительно-монтажныеор-

ганизацииосуществляютстроительствопромышленногообъекта.

Впроектированиихимическихпроизводствведущаярольпринадле-

житинженеру-технологу. ОнразрабатываеттехнологическуюсхемуБОП,

выбираетоборудование, рассчитываетматериальныепотокиит.п., выда-

етзаданиеспециалистамнаразработкуобщеинженерныхразделовпроек-

та(строительный, электротехническийит. п.). Техническимруководите-

лемПСДвпериодееразработкииреализацииявляетсяглавныйинженер.