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

Подождите немного. Документ загружается.

2.6. Системныйанализ

территориально-промышленныхкомплексов

ПриорганизацииМОТиБОТбольшоезначениеимееткомбиниро-

ванноеимежотраслевоекооперированиенабазекомплекснойперера-

боткисырьяиутилизацииотходов. Наиболееблагоприятныевозможно-

стидлякооперированияразличныхпроизводствскладываютсявусло-

вияхтерриториально-производственныхкомплексов(ТПК).

ОсновнойтеориейформированияТПКсбезотходнойтехнологией

являетсясистемныйанализ, которыйпозволяетисследоватьвзаимодей-

ствиетехнологическихсхемпроизводствсокружающейсредой. При

этомрассматриваются:

а) системы бессточноговодоснабжения, вкоторыхсточнаявода

послеочисткивысокойстепениможетповторноиспользоватьсявис-

ходномтехнологическомцикле, атакжевдругихпроизводствахидля

бытовыхнужд, включаявидеалепитьевоеводоснабжение;

б) системыиспользованиявтехнологическихцеляхатмосферного

воздухаспоследующимвозвратомеговатмосферу(послесоответст-

вующейочистки), взамкнутыеэнерготехнологическиесистемы, обес-

печивающиенаиболееполноеиспользованиевнутреннихэнергетиче-

скихресурсовсминимальновозможнымпотреблениемвнешнихисточ-

ников.

СистемаТПКвключаетпятьпроизводственныхблоков:

добычасырья;

предварительнаяподготовкасырья;

основнойтехнологическийпроцесс;

переработка, выпускконечногопродуктапроизводства;

переработкаиутилизациявторичныхматериальныхресурсов.

Такаясистемасостоитизтрехиерархическихуровней. Нанижнем

уровненаходятсятехнологическиепроцессы, присущиепредприятию

отрасли. Этимипроцессами, напримердляхимическогопроизводства,

могутбыть:

обработкатвердыхвеществ, жидкостейигазов;

передачатеплаотпродуктовобработкиктеплоносителю;

различныехимическиереакциивреакторахидр.

Навтором, болеевысоком, уровнеуказанныевышепроцессыобъе-

диняются и происходит организация рециркуляционных процессов

(циклов), обеспечивающихболееполнуюпереработкуисходногосырья

иобрабатываемыхпродуктовдляпроизводстваконечныхизделийвус-

ловияхоптимальнойорганизациитехнологическихпотоковиприми-

нимальныхотходах.

Наверхнемиерархическомуровнеотдельныеблокиобъединяются

впредприятияиликомбинаты. Вэтомслучаевозникаютпроблемыор-

ганизацииуправленияпроизводством вцелом, формированияпроиз-

водственныхциклов, планированиясырьевых, энергетических, водных

идругихресурсов, реализацииготовойпродукцииилиполуфабрикатов.

Опытработысуществующихпроизводств, присозданиикоторых

принципсистемногоанализанебылиспользованиформированиеосу-

ществлялосьнаосновепараллельногоилипоследовательноготехноло-

гическогопринципа, показал, чтотакоеформированиеприводиткдуб-

лированиюосновныхвидовоборудования.

Врезультатерастягиваютсяосновныекоммуникации, чтовызывает

затруднения в организации комплексного использования сырьевых

иэнергетическихресурсов, приводиткувеличениюихпотерь, отсутст-

вию условийдлясозданиязамкнутыхэнерготехнологическихсистем

ирецикла, аследовательно, увеличению выбросоввокружающуюсре-

ду. Всеэтоснижаетобщуюэкономическуюэффективностьпроизводст-

ваиувеличиваетзагрязнениеокружающейсреды.

ВажнымэтапомсистемногоанализаприразработкеБОТявляется

составлениефактических материальных и энергетических балансов

производства, использованиекоторыхприматематическоммоделиро-

вании и последующем анализемоделей обеспечиваетобъективную

оценкувозможныхпроизводственныхвыбросовипомогаетнайтиспо-

собы ихснижения. Практикапоказала, чтометодоценкиколичества

выбросов, основанныхтольконанатурныхзамерахилабораторных

анализах, оказалсянепригодным, т. к. вомногихслучаяхполучалось

существенноерасхождение(вдесяткираз!) междуобщимколичеством

загрязненийиколичествомиспользованногосырья.

Впроцессесистемногоанализаобщееколичествопроизводствен-

ныхзагрязнений(сточныхвод, газовыхвыбросов, твердыхотходов) оп-

ределялоськакразностьмеждуколичествомизрасходованногосырьяи

конечногопродукта. Вэтомслучаерольнатурныхзамеровилабора-

торныханализовсводиласькуточнениюраспределениязагрязненийпо

видампотерь. Найденныеколичествафактическихвыбросовсопостави-

лисьсрасчетными значениями максимальнодопустимых выбросов

даннойточкитехнологическогоцикла.

Заключение

Важнейшим требованием кБОП являетсяпринципсистемности.

Исследованиясложныххимико-технологическихсистемсиспользова-

ниемметодовисредствтеориисистемполучилоназваниесистемного

анализаХТС. Системныйанализрезультатприменениякисследова-

ниюиразработкеХТСопытаизучения, созданияиэксплуатациихими-

ческихпроизводствспривлечениемметодов, используемыхвхимиче-

ских, физическихиматематическихнауках, моделировании, вычисли-

тельнойматематике, механике, автоматическом управленииидругих

разделахнауки, используемыхвинженерно-химическихисследованиях

иразработках.

Современноехимическоепроизводствосостоитизбольшогочисла

взаимосвязанныхподсистем, междукоторымисуществуютотношения

соподчиненностиввидеиерархическойструктуры. Каждаяподсистема

химическогопредприятияпредставляетсобойсовокупностьхимико-

технологическихсистемисистемыавтоматическогоуправления, дейст-

вующихкакодноцелоедляполучениязаданногопродукта.

Описаниесистемы, состоящейизсотенэлементовисвязейслож-

наясовокупностьалгебраических, дифференциальныхиинтегральных

уравнений. ОсновноесредствосистемногоанализаЭВМ, компьютер.

Глава3. ПРИНЦИПЦИКЛИЧНОСТИ

МАТЕРИАЛЬНЫХПОТОКОВ

3.1. Принципрециркуляции

Однимизобщихпринципов, лежащихвосновесозданиябезотход-

ныхпроизводств, являетсяцикличностьматериальногопотока, т. е. воз-

вратачастиегообратновпроцесс. Этоспособствуетинтенсификации

ХТП, т. к. наиболееполноиспользуютсяисходныепродуктыиэнергия,

улучшаютсяусловияведенияпроцессов.

Известно, чтоскоростьпревращениярезкоуменьшаетсяприпри-

ближенииксостояниюхимическогоравновесияи, следовательно, часто

приходитсяпрерыватьпроцессвзначительномудаленииотсостояния

равновесия, отводяизреакторасмесьреагентов, содержащуюнепрореа-

гировавшиеисходныевещества. Этообеспечиваетбольшуюдвижущую

силупроцессаи, такимобразом, увеличиваетвыходпродуктаврасчете

наединицуреактора. Изсмеси, отводимойизреактора, отделяются

продукты, аисходныесоединениявозвращаютсявпроцесс. Впромыш-

ленностиэтотприемобычноприменяетсятогда, когдаположениерав-

новесиянеоченьвыгодноиможнолегковыделитьпродуктизреакци-

оннойсмеси. Так, классическимпримеромпроведенияпроцессасре-

циркуляциейслужитсинтезаммиакаизазотаиводородапривысоком

давлении(рис. 9).

Рис. 9. Схемарециркуляцииприсинтезеаммиака:

1 – реактор; 2 – водянойконденсатор; 3 – отделительжидкогоаммиака; 4 – насос;

5 – масляныйфильтр; 6 – холодильник; 7 – теплообменникиотделительаммиака;

8 – аммиачныйконденсатор

Степеньпревращенияисходныхвеществвовремяодногопрохода

реагентовчерезреакторневысока(содержаниеNH

8÷25 %), примене-

ниежерециклаисходныхвеществ, невступившихвреакцию, позволяет

значительноувеличитьсуммарную степеньпревращения. Чем интен-

сивнеебудетвозвратреагентов, тембольшееколичествоаммиакабудет

полученовединицувременисединицыобъемареакции:

Объемнаяскоростьгазов, м

/(чм

10000 20000 40000 50000

КоличествополученногоNH

, кг/(чм

1670 2970 4925 5800

Существует, однако, максимумаммиака, полученногос1 м

аппа-

ратавединицувремени, посколькуколичествонесконденсированного

, оставшегосявгазах, пропорциональноихобъемнойскорости.

3.1. Задачи, решаемыесвведениемрециклов

вхимико-технологическуюсистему

С введениемрецикловвХТС производствразличныхпродуктов

решаетсярядважныхтехнологическихзадач, аименно:

наиболееполноеиспользованиеисходныххимическихкомпо-

нентов(дляреакторовснеполнымпревращением);

исключениевредныхвыбросоввокружающуюсреду;

рециркуляцияэнергиисистемы(например, использованиетепла

реакциидляподогреваисходныхреагентов);

созданиеоптимальныхтехнологическихрежимов(интенсифика-

цияначальныхстадийавтокаталитическихреакций, созданиеизбытка

одногоизреагентовдлясдвигаравновесияхимическойреакциивна-

правленииобразованияцелевогопродукта), подавлениепобочныхиин-

тенсификацияосновныххимическихреакций, созданиеоптимального

температурногорежима;

наиболееполноеиспользованиекатализаторовиинертныхрас-

творителей, вприсутствиикоторыхпротекаетхимическоепревращение.

3.2. Примерынекоторыххимическихреакцийсрецикломсырья

Рассмотрим ниженекоторыехимическиереакции, длякоторых

введениерециклачастипродуктовможетоказатьсяэффективным.

Рециркуляциюможноиспользовать, еслинужноуменьшитьскорость

оченьбыстрыхэкзотермическихпревращений. Возвратзначительнойчас-

типродуктоввреакционнуюсистемупонижаетконцентрациюисходных

веществвпотокеипредотвращаетвзрыввходереакции.

Возвратнепрореагировавшихисходныхвеществизменяетсятак-

жевтомслучае, когдаизбытокодногоизнихвлияетнамеханизмпро-

цесса, приводякповышениюдолиосновнойреакциизасчетпобочной.

Примерамимогутслужитьпроцессыполученияэтилбензолаихлориро-

ваниябензоладомонохлорбензола. Например, приалкилированиибен-

золаэтиленомвприсутствииAlCl

реакцияможетпроходитьпосле-

дующейсхеме:

2 4 2 4

6 6 6 6

2 4 2 4

6 6 6 6

+C H +C H

6 6 6 5 2 5

+C H +C H

6 4 2 5 2 6 3 2 5 3

+C H +C H

C H C H – C H

C H (C H ) C H (C H )

 

 

 

 

(18)

Целевымпродуктомявляетсяэтилбензол. Вреакционнойсистеме

оченьбыстроустанавливаетсясостояниеравновесия. Положениеегоза-

виситотколичественногосоотношенияэтиленаибензола. Избыток

бензола, черезкоторыйбарботируетэтилен, предотвращаетобразование

побочныхпродуктов.

Хлорированиебензолаосуществляетсяпритемпературе~75 °С

вприсутствиикатализатора(FeCl

6 6 2 6 5

C H +Cl C H Cl+HCl



(19)

6 5 2 6 4 2

C H Cl+Cl C H Cl +HCl



(20)

Реакция(20) нежелательная. Когдавсистемеприсутствует1 %

Cl, реакция(19) протекаетв840 разбыстреереакции(20). Скоро-

стиобеихреакцийодинаковы присодержанииC

Cl, равной74 %.

Следовательно, процесснеобходимовеститак, чтобы степеньпревра-

щениябензоланепревышала30 %. Поэтомубензолберетсявизбытке.

Крометого, притакомспособепроведенияпроцессалегчеподдержи-

ватьтемпературуназаданномуровне, посколькувединицеобъемаре-

акторавыделяетсяменьшееколичествоотводимойзатемтеплоты.

Прирециркуляциивсистемемогутнакапливатьсянепринимаю-

щиеучастиявреакцииинертныекомпоненты– примесивпотокепита-

нияиливещества, образующиесяврезультатепобочныхреакций. На-

пример, примесью, образующейсявсамойреакционнойсистеме, явля-

етсяметанвсинтеземетанола:

CO + 2H

(21)

Вомногихпромышленныхпроцессахсучастиеморганическихве-

ществпротекаютпобочныереакции, врезультатекоторыхобразуются

нежелательныепродукты. Изэтогоследует, чтопримесииинертные

веществапослепревышениянекоторойдопустимойихконцентрации

необходимоудалятьизрециркуляционногопотока. Дляисключения

возможностинакопленияэтихнежелательныхвеществвсистемепосле

каждогоцикланужноотводитьпокрайнеймеретакоеихколичество,

котороезатожевремявводитьсявсистемуилиобразуетсяврезультате

превращения. Величинапотокавыводимыхизсистемыпримесейопре-

деляетсянаоснованиирасчетаматериальныхбалансов.

Внекоторыхслучаяхпроводитсярегенерацияисходныхвеществ

илиценныхпобочныхпродуктов, отводимыхизрециркулирующейсме-

си. Решающеезначениеприэтомимеютэкономическиефакторы, тре-

бованияопредотвращениизагрязнениябиосферыит. д.

Примертакойрегенерацииприведеннарис. 10.

Кпростейшимпримерамцикличныхматериальныхпотоковможно

отнестизамкнутыеводо- игазооборотныециклы химическихпроиз-

водств.

Вкачествеэффективныхпутейформированияцикличныхматери-

альныхпотоковможноуказатьнакомбинированиеикооперациюпро-

изводств, созданиеТПК, атакжеразработкуивыпускновыхвидовпро-

дукциисучетомтребованияповторногоееиспользования. Иногдапри-

ходитсяиметьделоссопряженнымрецикломвдвухнезависимыхпро-

цессах. Вэтомслучаеизбытокисходноговеществаодногопроцессана-

правляетсявдругойпроцесс, что, конечно, возможнолишьнапредпри-

ятиях, вырабатывающихразличныепродукты иэкономноиспользую-

щихвсереагенты. НаиболеелегкоэтоосуществитьвТПК.

Рис. 10. Схемакаталитическогодегидрированияпропанадопропилена

срегенерациейисходныхвеществивозвращениемихвцикл:

1 – контактныйреактор; 2 – абсорбер; 3, 4 – дистилляционныеколонны;

5 – кипятильники; 6 – холодильники; 7 – дефлегматор; 8 – компрессоры

Теперьрассмотримреакциютипа

A B C D

 



, (22)

когдасырьеАдорожесырьяВ. Вэтомслучаепроцессвыгоднеевести

невстехиометрическойсмеси, априизбыткевеществаВ.

Еслиодинизпродуктовреакцииболеелетуч, товеществоэтоце-

лесообразноотгонятьпомереегообразования, чтобысместитьравно-

весиевправоиувеличитьтемсамымстепеньпревращенияреагентов.

Аналогичныйэффектможетбытьполученприотгонкелегколетучего

компонентавотдельномаппаратеивозвращениичастиостаткавреак-

тор.

Рециклявляетсяжелательнымивслучае, когдареакцияА→ Всо-

провождаетсяпобочнойпараллельнойобратимойреакцией

A C



или

обратимойреакциейрасщепления

B C



. Привозвращениивреактор

частипродуктапроизойдетуменьшениеегообразованиявсоответствии

сзакономдействиямасс. Кстати, кэтоймереприбегаютприпроизвод-

ствеэтилбензола, вкоторомобразуютсянежелательныеполиэтилбензо-

лывкачествепобочныхпродуктов.

Изтеориитехнологическихпроцессовизвестно, чтоэффективность

использованиярецикловвзначительнойстепенитакжеопределяется

типомхимическогореактора.

Погидродинамическоймоделиреакторыклассифицируютнареак-

торывытеснениянепрерывногодействия(РВНД) иреакторысмешения

непрерывногодействия(РСНД) ипериодическогодействия(РПД).

Так, дляпростыхреакций, скоростькоторыхописываетсяуравне-

ниемвида

R K C

 

, (23)

где n – порядокреакции;

С– концентрация,

РВНДвсегдаэффективнеереакторасперемешиванием. Однаковведе-

ниерециклаприводиткизменениюструктурыпотоковвреакторе, при-

ближаяеекрежимуперемешивания. Следовательно, дляпростыхреак-

ций охват рециклом трубчатого реактора (РВНД) не приводит

кувеличению эффективностиэтогореактора. Эффективностьреактора

сперемешиваниемнезависитоттого, имеетсялирециклилинет.

Справедливылиэтивыводыдлясложныхреакций? Нет. Вслучае

сложныхреакций, взависимостиотихтипа, соотношениякинетических

параметров, эффективностьреакторовсперемешиванием, трубчатых,

срецикломибезрецикламожетизменятьсявширокихпределах.

Вкачествепримерарассмотримсложнуюреакциютипа

1 2

k k

A B C

A A D

 

 

(24)

вкоторойвеществоВявляетсяцелевымпродуктом, ипокажем, чтовве-

дениерецикла(рис. 11) увеличиваетабсолютныйвыходцелевогопро-

дуктаВ. Сэтойцелью составимматериальныйбаланспокомпонентам

АиВдляРВНД, сучетомрециклическогопотока, дляреакциипервого

порядка.

Рис. 11. Блок-схемаРВНДсрециклом

УравненияматериальногобалансапокомпонентамАиВдляука-

занногореакторасрецикломимеютследующийвид:

(1 );

( ).

A A

A B

C k t

C a C

l R

C k t

C a C

l R

 

    

 

 

   

 

(25)

Вэтихуравнениях

2 0

1 2

1 1

; ; ;

; ; ; ,

A B

A A

C C

C C t

C C

k C

k l

a a l R

k k L

  



   



где k

, k

иk

– константыскоростейреакций;

– объемреактора;

υ– количествоисходнойсмеси, подаваемойвсистему;

l' – текущаядлинареактора;

L – общаядлинареактора;

– количестворециркулирующегопотока.

Смеситель

Реактор

(1)

υ(R+1)

(

)

(

)

Концентрацияреагентовнавходевреакторопределяетсяизусло-

виясмешенияпотоков:

(1)

(0) (1) (1) (2)

(0) (1)

(0) (1) (1) (2)

, ;

, ,

A A A A

B B

B B B B

R C

C C C C

C R C

C C C C

 

  



 

  



(26)

где

(0)

– начальныеконцентрацииреагентов;

(1)

– концентрацииреагентовнавыходеизреактора.

Нарис. 12 показаныобластиоптимальногоиспользованияреактора

срецикломвзависимостиоткинетическихпараметров.

Максимальный выход промежуточного целевого продукта В

(

max

C ) являетсяфункциейкинетическихпараметрова

иа

, величины

R ивременипребывания. Взависимостиотзначенийа

иа

существу-

ютобласти, длякоторыхоптимальнымсточкизрениямаксимумавыхо-

дабудетодинизтрехтиповаппаратов: реакторсмешалкой, трубчатый

реактор, трубчатыйреакторсрециклом.

Рис. 12. Областиоптимальногоиспользованияреактора

срецикломвзависимостиоткинетическихпараметров

Всетритипареакторовмогутбытьописаныодной, принятойра-

нее, моделью идеальноговытеснениясрециклом, котораяприR → 0