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

Подождите немного. Документ загружается.

переходитвмодельидеальноговытеснения, априR → ∞ вмодель

идеальногоперемешивания.

Нарис. 12 можновыделитьчетыреобласти:

I – областьоптимальногоиспользованияреакторасмешения(мо-

дельидеальногоперемешивания);

II – областьоптимальногоиспользованиятрубчатогореактора(мо-

дельидеальноговытеснения) срециклом; приэтомвреакторесмешал-

коймаксимальныйвыход

max

C выше, чемвтрубчатомреакторе;

III – область оптимального использования трубчатого реактора

срециклом, приэтоммаксимальныйвыход

max

C втрубчатомреакторе

выше, чемвреакторесмешалкой;

IV – областьоптимальногоиспользованиятрубчатогореактора.

Такимобразом, оптимальныйтипреактораможетбытьполученна

основеанализавлияниярециклаR навыход

max

C . Приэтомрецикли-

ческийпотокявляетсячастьюпотока, выходящегоизреактора.

Следуетотметить, чтоещебoльшегоуспехависпользованиире-

цикловможнодобитьсяприотводепотокарециклаизсреднейзоны

трубчатогореактора.

Нарис. 13 представленазависимостьконцентрациицелевогопро-

дукта

отстепенипревращения

втрубчатомреакторесрециклом:

1 –

0,7, 20;

l R

 

2 –

0,7, 1,5;

l R

 

3 –

1, 1,5;

l R

 

4 –

1, 0;

l R

 

5 –

1, 20;

l R

 

6 – модельидеальногосмешения.

Рис. 13. Зависимостьконцентрациицелевогопродукта

отстепенипревращения

втрубчатомреакторесрециклом

Какследуетизрисунка, прикинетическихпараметраха

>>а

трубчатыйреакторсрециклом, отбираемымизсреднейзоныреактора

(l = 0,7), даетбoльшийвыходцелевогопродуктаВ, чемреакторсре-

циклом, отбираемымнавыходеизреактора(l = 1), причемсувеличени-

емкоэффициентарециркуляцииR максимальныйвыход

max

C возрас-

тает. Такимобразом, какследуетизприведенныхпримеров, введение

рециклавсистемусущественноповышаетэффективностьхимического

процесса.

Крометого, возможнопостроениетехнологическихсхемсвозвра-

том(рециркуляцией) непрореагировавшихисходныхипромежуточных

реагентов, выделяемыхизреакторногоостатканастадииразделения

продуктовреакции, вреактор. Структуратехнологическойсхемыпри-

веденанарис. 14.

Предполагается, чтосистемаразделениявобщем случаеможет

включатьпроцессы ректификации, абсорбции, экстракцииидр., иее

функционированиеопределяетсятолькозаданиемпосоставуполучае-

мыхпродуктов, таких, какфлегмовоечислоинагрузкапопаруректи-

фикационныхколонн, величинаорошениявабсорберахит. п. Постав-

ленноеусловиесоответствуетпринципустабилизациипотоковвси-

стемеразделенияиявляетсявесьмасущественнымприанализесвойств

реакторныхсистемсрециркуляцией.

Приреализациисистемы«реактор− узелразделения» наибольший

интереспредставляютрежимы, накоторыхдостигаетсяполноеисполь-

зованиеисходныхипромежуточныхпродуктов.

Надоотметить, чтоанализкакой-либоконкретнойреакцииитех-

нологическойсхемыпроводитсявкаждомотдельномслучае. Вобщем

видепоприведеннойвышесхемеилиболееподробнов[20].

Смеситель

)

(

)

(

)

Реактор

(

)

Узелразделения

Рис. 14. Блок

схемареакторасрецикломисистемойразд

ления

Заключение

ЭффективнымспособомсозданияоптимальнозамкнутыхБОПяв-

ляетсяиспользованиерециркуляции, т. е. возвратачастипотокаобратно

впроцесс. Введениерецикламожетбытьиспользованодлярешения

различныхтехнологическихзадач, как, например, дляцелейинтенси-

фикациитехнологическогорежимавнутриреактора, такидлясоздания

технологических схем с наиболее полным использованием сырья

иэнергии. Впервомслучаеэффективностьвведениярециклазависитот

спецификихимическойреакции, атакжеоттипахимическогореактора,

охватываемогопотокомрецикла.

Спомощьюрецикловможноповыситьабсолютныйвыходлюбого

продуктасложнойхимическойреакции. Особенноважно, чтоэтоне

можетдатьниодинизтакихтрадиционныхспособовуправленияхими-

ческойреакцией, какизменениедавления, температурыидругихпара-

метров, т. к. онивтойилиинойстепенидействуютнавсереакции,

арецикл, свободнооперируяскоростьюисоставомпотока, направляет

реакциювжелаемуюсторонувмаксимальновозможнойстепени.

Глава4. ПРИНЦИПКОМПЛЕКСНОГОИСПОЛЬЗОВАНИЯ

СЫРЬЕВЫХРЕСУРСОВ

4.1. Постановказадачи

Комплексноеиспользованиеприродныхресурсов– этоудовлетво-

рениепотребностейобществавопределенныхвидахприродныхресур-

сов, основанноенаэкономическииэкологическиоправданномисполь-

зованиивсехихполезныхсвойств, атакженамаксимальнополнойпе-

реработкеивсестороннемвовлеченииприродныхресурсоввхозяйст-

венныйоборотсростомперспективразвитияразличныхотраслейпро-

мышленности, природоохранныхнорм и требований, интересовна-

стоящегоибудущихпоколенийлюдей.

Этотпринципсоставляетосновурачительногоиэкономногоис-

пользованияприродныхбогатств, максимальногоограничениявозмож-

ныхнегативныхпоследствийантропическоговоздействиянаокружаю-

щуюсреду. Такимобразом, внастоящеевремяпроблемакомплексного

использованиясырьяимеетбольшоезначениекаксточкизренияохра-

ны окружающейсреды, такисточкизренияэкономики. Например,

вхимическойпромышленностидо60÷70 % себестоимостипродукции

приходитсянадолю сырья, поэтомурациональноеегоиспользование

являетсявесьмаактуальнойзадачей.

Этотпринциптребуетучетавсехкомпонентовсырья, т. к. практи-

чески все сырьевые источники являются многокомпонентными

ивсреднем болеетретипостоимостиприходитсянасопутствующие

элементы, которыемогутбытьизвлеченытолькоприкомплекснойпе-

реработке. Так, ужесейчаспрактическивсесеребро, висмут, платину,

атакжеболее20 % золотаиоколо30 % серыполучаютпопутноприпе-

реработкекомплексныхруд. Требованиекомплексногоиспользования

сырьявнастоящеевремязанесеновранггосударственнойполитики.

Комплексныйподходобеспечиваетэффективностьмалоотходных

ибезотходныхпроизводств, чтовзначительноймереускоряетихраз-

работкуивнедрение. Вкачествепримераможноназватькомплексную

переработкуапатитовогоинефелиновогоконцентратов, руд, содержа-

щихредкиеметаллы, очемречьпойдетниже.

Внастоящеевремязначительноеколичествогорныхпород, мине-

ралов, многокомпонентныхсмесейорганическихинеорганическихве-

ществподвергаюткомплекснойпереработке. Приэтомизоднойгорной

породыможнополучатьразличныеметаллы, кислоты, соли, строитель-

ныематериалы. Темсамымснижаетсяобъемотходовсоответствующе-

гопроизводства, загрязняющихокружающуюсреду(уменьшаетсяобъ-

емотвалов, количествошламовипр.).

Сущностькомплексногоиспользованиязаключаетсявпоследова-

тельнойпереработкесырьясложногосостававразличныеценныепро-

дукты. Вслучаекомплексногоиспользованиясырьяосновнымтехноло-

гическимоперациямсопутствуют:

извлечениеполезных, ноненужныхосновномупроизводству

веществ;

переработкаэтихвеществвцелевыепродуктыилиполуфабрика-

ты, поставляемыесобственномуосновномупроизводствуилидругим

предприятиям.

Пути решениямаксимальнополногоиспользованияприродного

сырья, энергиисминимальнымвоздействиемнаокружающую среду

следующие:

созданиебессточныхтехнологическихсистем набазесущест-

вующих, внедряемыхвнастоящеевремя, иперспективныхспособов

очисткиводныхсистемотрастворенныхивзвешенныхзагрязняющих

примесей;

разработкаивнедрениесистем утилизацииотходовосновного

производства;

созданиеновыхтехнологическихпроцессовполучениятрадици-

онныхвидовпродукцииссокращениемстадий, накоторыхобразуется

основноеколичествоотходов;

созданиетерриториально-производственныхкомплексовсзамк-

нутойвнутринихструктуройматериальныхпотоковсырья, продукции

иотходов.

Выборпутейсовершенствованиязащитыокружающейсредывка-

ждойпроизводственнойсистемезависитотэкономическойобоснован-

ноститехническихрешений, атакжеотприродныхособенностейкон-

кретногорегиона.

Задачанаукиитехнологиисводитсякполномуиспользованию

сырьевыхресурсов, максимальномупревращению сырьявиспользуе-

мые, полезныепродукты.

Нижерассмотримпримерполногоиспользованиясырья.

4.2. Использованиесырьяивторичныхматериальныхресурсов

4.2.1. Примеркомплексногоиспользованиясырья

ивторичныхматериальныхресурсов

Первымпримеромкомплексногоиспользованиясырьяможетслу-

житьсхемапереработкиапатитово-нефелиновойруды, залежикоторой

имеютсянаКольскомполуострове(см. рис. 15).

Апатито-нефелиноваяруда

Флотация

Апатиты Нефелин

Энергия

H2SO4

Химическаяпереработка Химическаяпереработка

Гипс

Цемент

Редкоземельные

элементы

Фосфорные

удобрения

Фторидные

соли

H3РO4

Солифосфорной

кислоты

Поташ

Сода

Ванадий

Цемент

Титан

Галлий

Алюминий1

Рис. 15. Схемакомплексногоиспользованияапатито-нефелиновойпороды:

1 – процессы, осуществляемыевпромышленности;

2 – потенциальныепромышленныепроцессы

Минеральнуюпородуизмельчаютиразделяютметодомфлотации:

 наапатитCa

F(PO

)

;

 нефелинK

O·Al

·2SiO

Нефелиноваяфракциясодержитнефелин, небольшиеколичества

апатитаи титано-магнетитаи ещёменьшееколичестваминералов,

включаяредкиеметаллы. Изнефелинаполучаютпоташ, соду, алюми-

ний, галлий, цемент. Изапатитаполучаютфосфорныеудобрения, фто-

риды, гипс, но, какправило, неизвлекаютценныередкоземельныеэле-

менты.

Другимпримеромкомплексногоиспользованияорганическогосы-

рьяявляетсятермическаяпереработкатоплива– угля, нефти, сланцев.

Так, прикоксованииугля, кромеметаллургическогококса, получают

коксовыйгазисмолу, сыройбензолиаммиачнуюводу. Газыкоксова-

нияимеютследующийсостав: CO

, H

, C

, CO, C

n+2

, H

S, N

Современныесхемыпереработкикаменноугольнойсмолы преду-

сматриваютпервичнуюдистилляцию смолынафракции: легкоемасло,

фенольную, нафталиновую, тяжелоемасло, антраценовоемасло, пек.

Антраценовоемаслоперерабатывают, ивнебольшихколичествах

изнегоизвлекаютантрацен, фенантрен, карбазол, акридин. Основная

массаантраценовогомаслапослевыделенияизнегосырогоантрацена

используетсядляконсервированиядревесины, производствасажиидр.

Карбазолявляетсяценнымсырьемдляполучениянаегоосновепо-

ли-9-винилкарбазолов, обладающих необычайно низкой электропро-

водностью, дляполучениякрасителей, атакжефоточувствительныхма-

териаловдлясистемвизуальнойинформации(электрографияидр.).

Рис. 16. Схемапереработкинефти

Припиролизенефтиполучаютсяксилол, бензол, приперегонкепо-

лучаютциклогексан, изопентан. Крекингнефти позволяетполучать

олефины(этилен, пропилен, бутиленыидр.).

Перечисленныевеществаявляютсяосновойдляпроизводствамо-

номеровдлядальнейшихпроцессовполимеризации(олефины), выра-

боткакоторыхвмирепостояннорастет.

Этилен– наиболеекрупнотоннажныйпродуктнефтехимической

промышленности. Набазеэтиленапроизводитсяпокрайнеймередеся-

токкрупнотоннажныхнефтехимическихпродуктов, которые, всвою

очередь, являютсяисточникомполучениясотенитысячконечныххи-

мическихинефтехимическихпродуктов.

Концепцияполногоиспользованиясырьяреализуетсявстремлении

углубитьпереработкунефтииполучитьизнеемаксимумцелевыхпро-

дуктов.

При больших объемах нефтепереработки неизбежно образуется

большоеколичествокубовогоостатка, который, всвоюочередь, научи-

лисьпревращатьвлегкиепродуктыпутемтермическогокрекинга, кок-

сования.

При термическом крекингеколичествоостаткауменьшаетсяна

80 %. В случаекоксованияостаткавообщенет, нообразуетсяоколо

30 % кокса, длякоторогонуженрыноксбыта(производствоэлектродов,

получениекарбидакальцияиграфита).

Третьим примером может служить безотходное производство

вгидролизнойпромышленности.

Гидролизнаяпромышленностьобъединяетпроизводства, основан-

ныенахимическойпереработкерастительныхматериаловпутемката-

литическогопревращения(гидролиза) полисахаридоввмоносахариды

(пентозы, гексозы) споследующимполучениемнаихосновевысоко-

ценныхпродуктов.

Основной продукцией гидролизной промышленности являются

белковыедрожжи, получаемыемикробиологическимсинтезомнаосно-

вепентозныхигексозныхсахаровгидролизатоврастительногосырья.

Гидролизныедрожжисодержат: белки− 48÷52 %, углеводов− 13÷16 %,

жира− 2÷3 %, золы− 6÷10 %, десяткиаминокислот, безазотистыхэкс-

трактивныхвеществ− 22÷40 %. Добавкадрожжейвколичестве5÷10 %

отсухоймассыкормовогорационаживотныхповышаетихпривесна

15÷20 % иснижаетрасходкормовна10 %.

Нагидролизныхзаводахвырабатываетсяэтиловыйспирт, полу-

чаемыйпутемсбраживаниягексозныхсахаровгидролизатовраститель-

ногосырьянаспиртспоследующим выделением егоизспиртовой

бражкиметодомректификации. Из1 тхвойногодревесногосырьямож-

нополучить170÷180 лабсолютногоэтанола, из1 ткартофеля−100 л,

аизржи− до270 л. Концентрацияспирта− 96,2 %, альдегидов− 4 мг/л,

эфиров− 30 мг/л, сивушныхмасел− 4 мг/л, свободныхкислот− 25 мг/л

безСО

. Кромеспирта, получаютфурфуролпутемизвлеченияизпаров

самоиспарениягидролизатапригидролизерастительногосырья.

Фурфуролиспользуетсявкачествемономерадляпластических

масс, атакжеолифилаков; впищевойпромышленности− какантисеп-

тикприконсервировании; впарфюмерии.

Ксилит− многоатомныйспирт. Егоприменяютвпищевойпро-

мышленностивместосахаравпроизводствекондитерскихизделийдля

диабетиков. Получаютизпентитапосхеме:

6 12 5 2 2

С Н О СН ОН– СНОН–СНОН– СНОН– СН ОН



(27)

Образующийсяпопутноуглекислыйгазидетнаполучениесухого

льда.

Отходомпроизводстваявляетсялигнин. Оннеявляетсяиндивиду-

альнымвеществом. Лигнинсодержиттакиегруппы, какCH

O−, C=O,

C=C, −OH. Негидролизирующаясячастьрастительногосырья− лигнин

клеточныхстенокрастений, целлюлоза, частьсмол, восков, жиров,

зольныхвеществ, гуминовыхкислот, частьбелков. Некотороеколиче-

стволигнинаиспользуюткаккотельноетопливо, онявляетсясырьем

дляполученияактивированныхуглейразличногоназначения. Онпри-

меняетсятакжевстроительнойпромышленности, вкирпичномице-

ментном производствах, атакжедляизготовлениялигноволокнистых

плит. Используюттехническийлигнинвпроизводствепластмасс, пресс-

порошковнаосновефенолформальдегидныхсмол.

Химическойпереработкойгидролизноголигнинаполучаютнитро-

лигнин, сунин, применяемыевнефтегазовойпромышленностивкачестве

регулятораструктурно-механическихсвойствглинистыхрастворов, для

снижениябуровыхрастворов. Такженаосновегидролизноголигнинапо-

лучаютцелыйрядбиологическиактивныхвеществиудобрений.

Сырьемдлягидролизнойпромышленностислужатдревесныеот-

ходы, полученныеприлесопилении, деревообработке, вканифольно-

экстракционномпроизводстве(экстракционнаящепа); некоторыесорта

дров, атакжеотходыперерабатываемыхсельскохозяйственныхкультур

(кукурузнаякочерыжка, подсолнечнаялузга, хлопковаяшелухаидр.).

Длягидролизнойпромышленностиосновноезначениеимеютпо-

лисахариды(пентозаныигексозаны). Общеесодержаниеполисахари-

доввразличныхвидахрастительногосырья− 50÷70 %.

Вдревесинехвойныхпородсодержится7÷9 % пентозановигексо-

занов, лиственных− 18÷28 %. Кукурузнаякочерыжкасодержитпенто-

занов− 36 %, подсолнечнаялузга− 24 %, лигнинажевсырьесодержит-

сявколичестве12÷32 %. Гидролизгексозановипентозановпротекает

посхеме:

)

+ (n-1)H

;

гексозаны

гексозы

)

+ (n-1)H

;

пентозаны

пентозы

гексозы

OH + 2CO

+ 235 кДж/моль.

(28)

Изпентозыполучаюткормовыедрожжи. Вкачествекатализаторов

используютсерную кислоту, температура160÷190 °С. Втабл. 2 при-

веденапродукция, получаемаяиздревесины.

Шламыобразуютсяврезультатенейтрализациикислогогидролизата

известковыммолокомивыделяютсяпригорячемотстоенейтрализатораи

холодномотстоеаэрированногоохлажденногосусла. Дляприготовления

известковогомолокаиспользуютнегашеную известь. Шламсостоитиз

гипса, глины, непрореагировавшихчастицизвести. Отходыпроизводст-

венныхсточныхводприменяютдляорошенияполейили(послесоответ-

ствующейочистки) всистемеоборотноговодоснабжения.

Таблица2

Продукцияиотходына1 табсолютногосухогосырья, кг

Продукцияиотходы

Завод

дрожжевогопрофиля

Завод

спиртовогопрофиля

Спиртэтиловый − 175

Дрожжикормовые 210 29

Фурфурол-сырец(94 %) 5,5 5,5

Углекислотажидкая − 70

Метанол 2,0 2,0

Сивушныемасла − 3,0

Лигнин(абсолютносухой) 380 380

Шлам(сухой) 225 225

Остатки 50 40

Промышленноеиспользованиегидролизноголигнинавнатураль-

номвиде:

1. Впромышленностистроительныхматериаловприпроизводстве

теплоизоляционных, кровельныхиоблицовочныхматериалов, кирпича,

цемента, керамзитаидр.

2. В производствелегковесныхогнеупорныхизделийвкачестве

выгорающейдобавкиитоплива.

3. Вхимическойпромышленностивкачественаполнителявком-

позицияхразличныхполимеров.

Комплекснаяпереработкасырьянаиболееэффективнореализуется

прикомбинированиипроизводствипредприятийввидекомбинатовили

территориально-промышленныхкомплексов(ТПК). Приэтом отходы

однихпроизводствиспользуютсяввидесырьянадругихпроизводствах.

Экономическийэффектподобнойсвязиобусловленизменениемдешево-

госырья− отходовивозможностьюведениясовместногообщезаводско-

гохозяйства(транспорт, энергетика, очистныесооруженияит. п.). При

этомна60÷70 % сокращаютсякапитальныевложениявобщезаводское

хозяйство, чтовконечномитогеприводиткснижению себестоимости

продукции.

Существуетнесколькоформ комбинированияпри комплексном

использованиисырья.

Так, дляхимическойпромышленностинаиболеехарактернаформа

использованияотходовосновногопроизводствавкачествесырьявновь

организуемыхподчиненныхпроизводств.

Типичныйпримеркомбинированияпредприятийсиспользованием

отходовосновногопроизводства− объединениезаводовцветнойметал-

лургиисхимическим, впервуюочередьссернокислотным. Так, произ-