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

Подождите немного. Документ загружается.

Поитогамэтихэтаповвозможнакорректировка

проектныхрешений

Участиеобщественности,консультации

Рис. 19. Общаясхемапроцессаэкологическойоценкипроектов

Глава6. ПРИНЦИПРАЦИОНАЛЬНОЙОРГАНИЗАЦИИ

БЕЗОТХОДНЫХПРОИЗВОДСТВ

6.1. Общиеположения

Современныйэтапразвитиятехнологиивцелом характеризуется

большойдинамичностью, ипоэтомуобщимтребованиемкподобнымтех-

нологиямявляетсяпринципихрациональнойорганизации. Приэтомпод-

разумевается, чтоувеличениеобъемапроизводстваирасширениеноменк-

латурывыпускаемойпродукциинеприводяткневосполнимымпотерям

природныхресурсовврегионе. Наиболеепрогрессивнойформойоргани-

зациипромышленногопроизводства, сучетомтребованийохраныокру-

жающейсреды, являетсякомбинированиенесколькихпроизводствнаос-

новекомплексногоиспользованияодногоитогожесырья.

Существуетнесколькоформ комбинированияпри комплексном

использовании сырья. Например, для химической промышленности

наиболеехарактернаформаиспользованияотходовосновногопроиз-

водствавкачествесырьявновьорганизуемыхподчиненныхпроиз-

водств. Типичныйпримеркомбинированиепредприятиясиспользо-

ваниемотходовосновногопроизводстваиобъединениемзаводовцвет-

нойметаллургиисхимическими, впервую очередьссернокислотным.

Производствосернойкислотыбазируетсявэтомслучаенаотходахме-

таллургическогопроизводства– флотационногоколчедана(FeS

) иот-

ходящихпечныхгазов, содержащихдиоксидсеры:

2 2 2 3 2

4FeS +11O 2Fe O +8SO



(32)

2 2 3

SO +O SO



(33)

3 2 2 4

SO +H O H SO



(34)

Комбинированиеспособствуетитехническомупрогрессу– вне-

дрению напредприятияхновойтехникиитехнологии, болеепрогрес-

сивнойвотношенииохраныокружающейсреды.

Весьма важной организационной формой является разработка

энерготехнологическихсистем, направленныхнаполноеиспользование

сырьевыхиэнергетическихресурсов. Затраты энергииможноумень-

шитьпутемеерегенерациимеждустадиямипроцессаииспользованием

потенциалапотоковвсамомпроцессе. Вчастности, такимобразомор-

ганизованыкрупнотоннажныепроизводствааммиака, азотнойкислоты

имочевины. Организацияэнерготехнологическогополученияаммиака

позволиласнизитьудельныерасходыэлектроэнергиив8 раз.

ВследствиеотносительнойновизнысозданияБОПещеотсутству-

ютнетолькоорганизационныеформы, ноидажедостаточнополная

информацияоколичестве, качествеитехнологическихсвойствахкак

накопленных, такиежегоднообразующихсяотходов.

ОрганизацияБОП требуетбольшихкапитальныхвложенийите-

кущихзатрат, что, несмотрянавозможностьполучениябoльшегоколи-

чествапродукции, прибыли, лучшегоиспользованиясырья, вызывает

определенныетрудности.

6.2. Эффективностьорганизации

химико-технологическогопроцесса

Химическоепроизводствохарактеризуетсяэффективностью орга-

низациипроцесса. Длятакойхарактеристикинеобходимоуяснить, на-

сколькорежимпроцессавтехнологическомпроизводствеприближается

ктеоретическивозможномуинасколькорассматриваемоепроизводство

оправданоэкономически. ЭффективностьХТП определяетсятехноло-

гическимииэкономическимипоказателями.

ПредельнаяэффективностьХТП – этоэффективностьпроцесса,

вкоторомприпринятойсовокупностиусловийегодостигаютсямакси-

мальновозможные(предельные) значенияконверсиисырьяиселектив-

ности, основанныенаданнойконкретнойхимическойсхемепревраще-

нияисходногосырья. Степеньприближениякэтимпредельнымпоказа-

телямявляетсяхарактеристикойсовершенства,разрабатываемойХТП.

Рассмотрим химическую схемувысокотемпературногопревраще-

ниякумолав2-метилстирол:

CH(CH

)

+ CH

+ C

CH=CH

+ CH

C(CH

)=CH

+ H

(35)

Образующиесяизкумолапобочныепродукты(бензол, толуол, сти-

рол, метан, этилен, пропилен) снижаютселективностьпроцесса. При

высокихтемпературах(530÷580 °С) нажелезооксидныхкатализаторах

вусловияхразбавленияводойпротекаетпреимущественнореакциядегид-

рированиядоα-метилстирола. Рассчитанныедляэтихусловийтеоретиче-

скивозможныестепеньпревращенияиселективностьсоответственно

равныx

= 0,99, s

= 0,98. Конверсиякумолавдействующемпроизводстве

достигаетx

= 0,5, аселективностьпоα-метилстиролуs

= 0,9.

Коэффициентэффективностиреакторадегидрированияравен

т т

0,5 0,9

0,46 1

0,99 0,98

A A

x s

 

   

 

. (36)

Таким образом, дальнейшеесовершенствованиереально дейст-

вующегопроцессасинтезаα-метилстиролавозможноприиспользова-

ниивысокоактивныхиселективныхкатализаторов, которыеобеспечат

повышениеконверсииприсохраненииселективностипроцессанадос-

таточновысокомуровне.

ЭкономическаяэффективностьХТП– этоприведенныезатраты, себе-

стоимостьпродукта, прибыль, рентабельность(отношениеприбыликсебе-

стоимости). Этипоказателирассчитываютсяинженерами-экономистамии

используютсявхозяйственнойдеятельностипредприятия.

ПриразработкеХТПиспользуютприведенныезатраты:

з уп ук

П = З + З

, (37)

гдеЗ

уп

– условно-переменныезатраты, т. е. стоимостьсырья, вспомога-

тельныхматериаловиэнергии;

ук

– условно-постоянныезатраты, т. е. частьстоимостикапиталь-

ныхзатратнаоборудование.

6.3. Факторы, определяющиеорганизациюпериодических

илинепрерывныхпроцессов

ПрипроектированииБОП необходимоопределить, каконбудет

проводиться– периодическиилинепрерывно. Например, проведение

процессанепрерывнымспособомисключаетперерывыработыреактора

привыполненииосновнойоперацииизатраты временинавспомога-

тельныеоперации(загрузку, разгрузку, чисткуаппаратаит. д.), харак-

терныедляпериодическогопроцесса.

Непрерывныйметодработыпозволяетполучитьбoльшееколиче-

ствопродуктасединицы объемареактора. Другиепреимуществане-

прерывногометодапроизводства– исключениепотерьтеплотынапе-

риодическоенагреваниереакторовибoльшаяоднородностьпродукта.

Необходимотакжеотметитьболееприемлемыйконтрольнепрерывных

процессовивозможностьихавтоматизации.

Технико-экономическоесравнениепериодическогоинепрерывно-

гореакторовсинтезаполикарбонатаобщейформулой

OR O C

(38)

показалопредпочтительностьнепрерывногопроцесса. Так, съемцелевого

продуктас1 м

реакционногообъемавозрастаетв20–30 раз, металлоем-

костьснижаетсяв5–7 раз, установленнаямощностьэлектродвигателей–

в3–5 раза, амощностьхолодильнойстанциипримернов5 раз.

Новсегдалинепрерывныйпроцесстакуж безусловновыгоден?

Каковытеосновныекритерии, которыеопределяютцелесообразность

проектированиянепрерывногоБОП?

Какизвестно, любойХТПпредставляетсобойсочетаниеопераций,

связанныхсхимическимпревращениемвещества, иопераций, имею-

щихчистофизическийилифизико-химическийхарактер, связанный

снеобходимостью выделенияцелевогопродукта. Физическиестадии

обработки(например: операциипромывки, фильтрации, кристаллиза-

ции, экстракции, сорбции, сушки) сравнительнолегкомогутбытьспро-

ектированынепрерывными. Авотсамахимическаяреакцияиреактор,

вкоторомонаосуществляется, требуетболеедетальногорассмотрения.

Первостепенноезначениевэтомслучаеимеюткинетическиезако-

номерности, которыепривсейихсложностивосновномсводятсякоп-

ределениювременипребыванияисходныхвеществвреакторе. Так, ес-

лиэтовремясравнительномалоисоизмеримоспродолжительностью

операцийзагрузкиивыгрузкипериодическогореактора, топереходна

непрерывныйпроцесспозволитсократитьобъемреакторовиумень-

шитьрасходэнергиикакнаперемешивание, такинаподогревиохлаж-

дение. Впериодическомреакторебольшогообъеманеизбежнынерав-

номерныепиковыенагрузки, которыетребуютбольшихпиковыхзатрат

энергииирасходатеплоносителей, втовремякаквнепрерывномпро-

цессетотжесуммарныйтепловойэффектпроявляетсяравномерно,

ипоэтомууровеньэнергопотреблениязначительноснижается. Именно

такойслучайпредставляетсобойупомянутыйранеесинтезполикарбо-

ната.

Однаковслучаемедленныххимическихреакцийвремяпребыва-

нияисходныхвеществвреакторезначительнопревышаетпродолжи-

тельностьоперациизагрузкиивыгрузки. Тогдаобъемыреактороввпе-

риодическомпроцессепримерноравныобъемамреакторовнепрерыв-

ногодействия,изаметныхпреимуществпроцесснедает.

Еслиещеприэтомгетерогеннаясистемасклоннакрасслоениюили

существует необходимость непрерывного дозирования твердых ве-

ществ, топреимуществанепрерывногопроцессабудутвесьмасомни-

тельны.

Имеетсяещеодинфактор, которыйнепременнодолженбытьучтен

привыборенепрерывногопроцесса. Этотфактор– производительность.

Приэтом далеконемаловажным являетсятообстоятельство, чтопо

трубопроводамнепрерывнодействующейустановкибудутперемещать-

сяпотоки, составляющие5÷10 м

/ч(илиболее) иливсеголишьдесят-

кисотнилитроввчас. Впервомслучаепроцессбудетустойчивым, воз-

можныеколебанияпроизводительностинеокажутсущественноговлия-

ния, тепло- имассообменваппаратахбудутстабильными, теплопотери

относительноневелики.

Таблица3

Сопоставлениеосновныхфакторов,

определяющихпериодичностьинепрерывностьпроцесса

Типпроцесса

Фактор периоди-

ческий

непрерывный

1. Периодпроцесса– времямеждупроведени-

емотдельныхстадийпроцесса(например, ме-

ждудвумясмежнымивыгрузкамипродукта) Δτ





2. Степеньнепрерывностипроцесса





, гдеτ –

время, необходимоедляпроведениявсехста-

дийпроцесса









 



3. Последовательностьосуществленияотдель-

ныхстадийпроцесса

последо-

вательно

параллельно

4. Местопроведенияотдельныхстадийпро-

цесса

водном

реакторе

вразныхреакторах

иливразныхчастях

одногореактора

Вовторомслучае, прималыхпотоках, процессбудетнеустойчи-

вым. Незначительныеколебаниябудутрезкосказыватьсянатепло-

имассообмене, контрольиавтоматизациябудутнестабильны, относи-

тельныетемпературывелики.

Такимобразом, выборнепрерывногоилипериодическогопроцесса

вхимическойтехнологииявляетсянепростымделом, анепродуманные

егорешенияприводятподчаскпагубнымрезультатам.

Заключение

ПриразработкеБОПиМОПвозникаеткомплекснетольконауч-

ныхитехническихпроблем, ноиорганизационныеформы. Организа-

цияБОПтребуетбольшихкапитальныхвложенийитекущихзатрат, что

вызываетопределенныетрудности. Наибольшеговниманиязаслужива-

юторганизационныевопросыприсозданииБОПвТПК.

Организационныевопросы возникаюткакнастадиипредпроект-

нойразработкиБОП, такинастадияхихпроектирования, очемречь

пойдетвдругихглавах.

Глава7. ПРИНЦИПКОМБИНИРОВАНИЯ

ИМЕЖОТРАСЛЕВОГОКООПЕРИРОВАНИЯПРОИЗВОДСТВ

7.1. Комбинированиевхимико-технологическихпроизводствах

Комбинированноепроизводство– этокомплексвзаимосвязанных

технологическихпроцессовдляпроизводстваодногоилинескольких

продуктов. Вэтомотношениивесьмапоказательнымпримеромявляет-

сясовместноепроизводствокарбамидаCO(NH

)

иаммиакаNH

. Так,

карбамидполучаютпосхеме

2 2 2 2 2

CO +2H O CO(NH ) +H O



(39)

Исходныекомпонентыобразуютсявпроизводствеаммиака:

4 2 2 2

CH +2H O CO +4H



(40)

2 2 3

3H +N 2NH



(41)

Приэтом1 мольCH

дает1 мольСО

и2/3 мольNH

. Наобразова-

ние1 молькарбамидарасходуется1 мольСО

и2 мольNH

. Такимоб-

разом, из1 мольCH

можнополучить1 молькарбамидаи2 моляам-

миака. Обатехнологическихпроцессаобъединенынетольколиниями

передачиСО

иNH

, ноидругимивспомогательнымисвязями– мате-

риальнымииэнергетическими.

Рассмотримещеодинпримеркомбинированияпроизводства, вко-

торомполучаютодинпродукт, напримервинилхлоридCH

=CHCl.

Впервомварианте(рис. 20, а) этиленразделяютнадвапотока, и

одинизнихидетнахлорирование. ВыделившийсяприэтомHCl на-

правляютнаокислительноехлорированиеэтиленадовинилхлорида.

Другойвариант(рис. 20, б) основаннаизмененииусловийпироли-

за, прикоторыхможнополучитьвравныхколичествахэтилениацети-

лен. Этиленхлорируютдовинилхлорида, авыделившийсяHCl направ-

ляютнагидрохлорированиеацетиленасполучениемтакжевинилхло-

рида(см. рис. 20, б).

Вобоихвариантахпочтивдвоесохраняетсярасхододногоизком-

понентов– хлора. Притакомкомбинированииполучаютвдвухсвязан-

ныхдругсдругомразличныхтехнологическихпроцессаходинитотже

продукт– винилхлоридценнейшиймономердляпроизводстваполи-

винилхлорида.

Следуетзаметить, чтокомбинированноехимическоепроизводство

нерешаетдоконцапроблемыиспользованиявсеговещественного(или

компонентного, элементного) потенциаласырья. Вэтомсмыслеболее

высоким уровнем комбинированияпроизводствбылобы замкнутое

производство, вкотороепоступаетсырьеивыходяттолькополезные,

потребляемыепродуктыиполупродуктыдлядругихпроизводств.

Рис. 20. Схемаполучениявинилхлорида

вкомбинированныхпроизводствахдвухтипов(аиб):

1 – пиролиз; 2 – хлорированиеэтилена; 3 – пиролиздихлорэтана;

4 – окислительноегидрохлорированиеэтилена; 5 – разделение;

6 – гидрохлорированиеацетилена

Однакозамкнутоепроизводствонереальноиз-замногокомпонент-

ностисырья. Например, вполиметаллическихрудахсодержитсяболее

50 ценныхэлементов, втомчислеолово, медь, кобальт, вольфрам, мо-

либден, серебро, золото, металлыплатиновойгруппы. Зачастуюсопут-

ствующиеэлементыобладаютбoльшейценностью, чемосновные, ради

которыхорганизованопроизводство.

7.2. Формированиебезотходнойтехнологии

втерриториально-промышленныхкомплексах

Особенноважнакооперацияпроизводствсбольшимколичествомот-

ходов(получениефосфорныхудобрений, стали, переработкаугляит. д.)

спроизводствомстроительныхматериалов. Наиболееблагоприятныевоз-

можностидляэтогоскладываютсявусловияхТПК. Врамкахтакихком-

плексоввозникаютнаиболееблагоприятныеусловиядляорганизации

производстватакимобразом, чтобыотходыэтихпредприятийиспользо-

валисьдругими.

ЭкономическоеиэкологическоеразвитиеТПКпроходитпотрем

основнымнаправлениям:

1) созданиеэффективнойбезотходнойималоотходнойтехнологии

производстваосновныхвидовпродукции;

2) рациональноеиспользованиересурсов(комплексноеиспользова-

ниесырьяивторичныхматериалов);

3) охранаокружающейприроднойсреды.

Приразмещениипроизводительныхсилнеобходимо:

максимально сохранятьприродныеусловиянаопределенной

территории;

внедрятьбезотходныепроцессы, потребляющиеминимальные

количестваводы;

экономноиспользоватьимеющиесяземли;

перераспределятьприродныересурсы ипромышленноесырье

сцельюсозданияблагоприятнойприроднойсреды;

ограничиватьилидажесокращатьотдельныепроизводствавне-

которыхрайонах, курортных, туристическихзонах, заповедникахит. п.

Объединение производств различного профиля в рамках ТПК

(промышленность, транспорт, отраслиагропромышленногокомплекса,

строительствоиобъектыинфраструктуры) наотносительнонебольшой

территориидаетвозможностькомплексноперерабатыватьприродные

ресурсыпобезотходнойималоотходнойтехнологии, рациональнорас-

пределятьэнергетические, водные, трудовыересурсыицеленаправлен-

нообеспечиватьохрануокружающейсреды. ТПКдаетдополнительные

возможности(посравнению соднимпредприятием) длясокращения

отходов, которыеидутнапроизводствоцелевыхпродуктовнасмежных

предприятиях.

ВкаждомТПКможновыделитьсемьресурсныхциклов(энергети-

ческий, рудныхинерудныхполезныхископаемых, лесной, почвенный,

климатический, сельскохозяйственный, дикаяфаунаифлора) исерию

надциклов, которыетесносвязаныдругсдругом. Присозданииком-

плексовпостепенновозникаютсложныевзаимодействияэтихциклов

инадциклов, накоторыевлияютпреждевсегоколичество, химический

состависвойствавеществ, поступающихвокружающуюсреду.

ВнашейстранеразвиваютсяОренбургский, Кольский, Краснояр-

ский, Приморскийимногиедругиепроизводственныекомплексы. Вка-

чествепримеранарис. 21 показанасхемасвязичастихимическихпро-

изводствприморскогоТПК.

ИсходнымсырьемвТПКявляетсясильнонасыщеннаясолямивре-

зультатеестественногоупариванияморскаявода– рапа. Врезультате

комплекснойпереработкиизрапыизвлекаютрядценныхсоединений:

оксидигидроксидмагния, бром; крометого, получаютсодуидругие

продукты.

Рис. 21. СхематехнологическихсвязейхимическихпроизводствТПК

Технологическаяцепьначинаетсяпроизводством соды. Ееэлек-

тролизомполучаютгидроксидкальцияихлор. Хлорзатемидетнапро-

изводствоброма, агидроксидкальциянаправляетсядлявыделениягид-

роксидамагнияизсточнойводы, поступающейизхлорногопроизвод-

ства. Всвоюочередь, изгидроксидамагниянадругомпредприятиипо-

лучаютоксидмагния. Врезультатетакойвзаимосвязихимическихпро-

изводствколичествоотходовсведенокминимуму.

7.3. СтадиипроцессовбезотходногоТПК

Нижерассмотримпроцессы формированиябезотходногоТПКпо

схеме, состоящейизчетырехстадий.

Напервойстадииоцениваютресурсныйпотенциалокружающей

средыкаксредыобитаниялюдейикакпроизводственныйбазисразме-

щенияпроизводительныхсил. Крометого, оцениваютприродныефак-

торы, действующиенавсейтерритории, отведеннойдляорганизации

ТПК, илинаотдельныхеечастях(запасыиколичествоводных, земель-

ных, лесныхресурсов, состояниерастительногопокроваиприродных

ландшафтов(животногомира, почв, климатическиеусловияидр.).

Навторойстадииразрабатываютвариантыпромышленногоразви-

тиянаосновеимеющихсяданныхонеобходимостиминеральныхре-

сурсов, определяюттакжестепеньвоздействияпроизводственныхотхо-

довприиспользуемойтехнологиинасостояниеокружающейсреды.

Впроцессеразработкисначалаопределяютблокпрофилирующегопро-