Перспективы и основные направления
1.2. Перспективы и основные направления
Основная задача общей химической технологии: исследование протекания хим. процессов в промышленном масштабе.
Основные направления:
1. Создание безотходных (малоотходных производств)
2. Комбинирование производств
3. Разработка энергосберег.технологий
4. Создание агрегата большой единичной мощности
5. Новые методы интенсификации х.т.процессов
1.Необходимо стремиться к созданию малоотходных производств, то есть уменьшению количества отходов. В идеале можно говорить о безотходных вариантах производства. Под безотходной технологией понимают такой принцип организации производства, при котором цикл: сырьевые ресурсы - производство - потребление – вторичные ресурсы построен с рациональным использованием всех компонентов сырья, всех видов энергии и без нарушения экологического равновесия.
Рекомендуемые материалы
Суммарный баланс в сфере производства может быть выражено следующим уравнением:
R = А(1 -ϕ) + S,
где R - расход природных ресурсов, кг/сутки;
А - количество отходов, образующихся в сферах производства и потребления, кг/с;
ϕ - средний коэффициент использования отходов (технологически возможная и экологически целесообразная степень использования отходов), кг/кг;
S - количество получаемого продукта, кг/с.
Отходы-вещ-ва не имеющие потребительской ценности .Если им находят применение ,они становятся вторичным материалом.
Таким образом, безотходное производство - это производство с замкнутыми
материальными и энергетическими потоками. Поскольку, реализовать в абсолютном варианте это невозможно, термин «безотходная технология» рассматривается в качестве теоретического предела, идеальной модели, которая может быть реализована лишь частично. Отсюда появляется понятие малоотходная технология – способ производства продукции, при котором вредное воздействие на окружающую среду не превышает уровня, допустимого санитарно-гигиеническими нормами, в частности, ПДК. Такие современные производства, как производство аммиака, азотной кислоты, серной кислоты из серы, метанола, этанола, аммофоса и др. относят к малоотходным или «чистым» технологиям.
Для сокращения количества отходов необходимо установить причины их образования. В химической технологии основными причинами образования отходов производства являются:
- наличие примесей в сырье;
- неполнота превращения реагентов в целевые продукты;
- протекание побочных реакций;
- образование побочных продуктов в основных реакциях.
Следовательно, для сокращения количества отходов и создания малоотходных
производств необходимо максимальное совершенствование химико-
технологических процессов. Одним из наиболее эффективных приемов
уменьшения количества отходов является повышение эффективности
каталитических процессов за счет повышения качества катализаторов.
Возможны сл.приемы по сокращению отходов:
1.Создание производств без сброса сточных вод в открытые водоемы. Для этого необходимо:
а) минимальное водопотребление(сокращение потребления свежей воды);
б) создание локальных производственных рециклов отработанной
воды с очисткой её на определённом этапе технологической схемы(адсорбция и ионообменные методы);
В) очистка и возврат сточных вод.
Г)замена водного охлаждения воздушным;
2.Создание производств не имеющих вредные выбросы в атмосферу:
а) создание непрерывных технологических процессов;
б) укрупнение мощностей(создание агрегатов большой единичной мощности);
В) схемы с рециркуляцией газов;
г) внедрение новых методов очистки газов (абсорбция ионный обмен).
3.Переработка и утилизация побочных продуктов и отходов. Наиболее выгодные условия создаются на комплексном многотоннажном предприятии.
Аммиак и мочевина(безотходное производство)
CH 4 +2H2О = CО2 + 4H2
N 2 + 3H 2 = 2NH3 (1.8)
CО 2 + 2NH3 = (NH2)2CО + Н2О
Главное требование к образ. отходам-они должны легко подвергаться регенерации.
2. Комбинирование производств
Комбинирование производств возможно по нескольким принципам.
Первый случай комбинирования - на основе комплексного использования
сырья, то есть когда сырье имеет сложный состав и необходимо выделить и использовать максимальное количество его компонентов. В этом случае параллельно на одной производственной площадке должно быть развернуто
производство целого ряда продуктов. Пример: цвет.мет в наст.время при переработке свинцово-цинковых руд извлекают 18 элементов и производят 40 видов продукции. При переработке медно-никелевых руд извлекаются 25 элементов.
Второй случай комбинирования – последовательное комбинирование, когда
при производстве какого-либо продукта на данном производстве из него
производятся другие продукты (товары). Обычно на одном комбинате соединяют производства нескольких продуктов. Например, при производстве синтез-газа паровой конверсией метана в дальнейшем получают как аммиак, так и мочевину (карбамид):
Реакции:
CH 4 +2H2О = CО2 + 4H2
N2 + 3H2 = 2NH3 (1.8)
CО2 + 2NH3 = (NH2)2CО + Н2О
Из синтез-газа также можно получить метанол и уксусную кислоту. Из
аммиака - азотную кислоту и азотные удобрения и т.п.
Это прием, когда получающийся химический продукт перерабатывается в
другие продукты на данном предприятии, позволяет исключить значительные расходы на транспортные операции, на хранение, на погрузку и выгрузку. Такой набор производств реализовался в производственных объединениях «Азот» в советское время.
Третий случай комбинирования – переработка побочных продуктов.
Реализация комплексного использования сырья препятствует наличие большого количества трудностей:
ü Необход. Больших исходных капиталовложений
ü Наличиемежотраслевых проблем
3.Разработка энергосберегающих технологий.
Проблема использования энергетических ресурсов в химической
промышленности имеет ресурсосберегающий, экономический и экологический
аспекты.
Основными видами энергоресурсов, используемых в химической промышленности, являются
- тепловая энергия - 48%
- электроэнергия - 44%
- топливо прямого использования - 8% .
Проблема энергосбережения связана с всѐ увеличивающимся количеством
народонаселения (в 2011 г. оно достигло 7 млрд. человек) и опережающим
возрастанием потребления энергоресурсов. В основном потребляют невозобновляемые горючие ископаемые – нефть, газ, уголь.
Экономический аспект проблемы связан с тем, что доля стоимости энергии в
себестоимости химической продукции достигает в некоторых производствах 60%.
Поскольку стоимость энергоносителей ежегодно возрастает, без
энергосбережения химические производства становятся нерентабельными.
И, наконец, экологический аспект проблемы связан с низким коэффициентом
использования энергии (менее 40 %), что приводит к попаданию в окружающую
среду ≈ 60 % потребляемой энергии (к тепловым выбросам). Прежде всего, это тепло дымовых газов; тепло, выделяемое оборотной водой и воздушным
охлаждением; потери тепла в окружающую среду через теплоизоляцию
помещений, аппаратов, коммуникаций.
ХТС обладает внутр.источниками энергоресурсов: тепло выделяемое при экзотермическом процессе,высокие температуры при кот проводят эндотермическ.процессе ,отходы нефтехими.и орган.технолог. образующ. В процессе крекинга,пиролиза предсавляет собой горючие углеводороды .
Препятствия для их использования: малотоннажность производств, периодичность процессов, трудности использования тепла в низкотемпер.экзотерм. процессах.
4. Создание агрегата большой единичной мощности
Создание агрегатов большой единичной мощности – одно из важнейших
направлений, обеспечивающих снижение капитальных вложений,
эксплуатационных затрат, себестоимости продукции и обеспечение высокой
степени автоматизации.
Для различных производств существуют свои показатели по единичной
мощности отдельных агрегатов (тыс. тонн /год): метанол -750; серная кислота –
500; азотная кислота – 600; этилен - 450 и т.п.
Один большой реактор, в котором непрерывно, в автоматизированном режиме
производится большое количество продукции, более экономичен, чем например
десяток меньших, вследствие уменьшения в первую очередь доли условнопостоянных затрат.
И большой, и маленький агрегат обслуживается соизмеримым количеством
работников, одинаковы затраты на содержание административного аппарата и т.п.,
поэтому себестоимость продукции, получаемой в агрегатах большой единичной
мощности оказывается существенно ниже.
В принципе такие аппараты дают самый дешевый продукт. Дополнительный
выигрыш получается также в результате концентрирования энергии. Многие из
этих процессов являются экзотермическими и использование выделяющегося
тепла дает дополнительный выигрыш. Доля потерь тепла в окружающую среду для большого агрегата существенно меньше, чем для маленького, энергия меньше
рассеивается и может быть более эффективно использована.
Необходимо отметить, что КПД использования энергии для проведения ХТП
обычно очень невысок, обычно не превышает 40 %, т.е. 60 % энергии рассеивается
в окружающей среде. Эти потери существенно меньше в агрегатах большой
единичной мощности.
Однако, есть определенные ограничения. Например, продукция агрегата,
который производит 500 тыс. тонн продукта в год, должна непрерывно
отгружаться потребителю или производитель должен располагать огромными
хранилищами, что не всегда реализуется в условиях меняющейся конъюктуры.
Внеплановые остановки подобных агрегатов могут привести к большим затра-
там средств , а залповые выбросы при продувке систем приводят к сильному
отрицательному воздействию на окружающую среду. Поэтому требуется высокая
степень надѐжности этих агрегатов. Помимо этого, существуют определенные
технические сложности производства и монтажа гигантского оборудования:
абсорбер в агрегате мощностью 600 тыс. тонн азотной кислоты в год имеет высоту
более 60 м, а высота трубчатого конвертора метана при производстве
водородсодержащих газов составляет 20 м.
Таким образом, увеличение размеров агрегатов целесообразно до
определенных пределов.
5. Новые методы интенсификации х.т.процессов
Интенсификация ХТП может реализоваться за счет использования нетрадиционных методов технологии (традиционные методы интенсификации ХТП обсуждаются в последующих лекциях).
Плазмохимические методы. В плазме в ионизированном газе при температуре
примерно 20000 С могут протекать очень важные реакции, например, прямой
синтез оксида азота(II):
N 2 + O 2 = 2NO
Процесс сильно эндотермический и термодинамика запрещает этот процесс до
температур 20000 С. Применение плазмохимических методов при более высоких
температурах сдерживается чрезвычайной энергоемкостью эти процессов.
Механохимия – механическое воздействие на реагенты при протекании
химической реакции. Если реагенты предварительно подвергнуть обработке в
шаровой мельнице, то увеличивается скорость протекающей между ними реакции.
И дело не только в изменении удельной поверхности реагентов, а в изменении
реакционной способности веществ.
Сонохимия – применение ультразвука для интенсификации химических реакций.
Вам также может быть полезна лекция "30 Транквилизаторы и седативные".
Процессы с использованием УФ-облучения. Облучение ультрафиолетом или
даже видимым светом часто приводит к инициированию процесса, получению
активных частиц, например, радикалов, которые являются носителями активности.
С использованием ультрафиолета процессы можно проводить при более низких
температурах по сравнению с термическим инициированием. Реализация
данного метода в промышленности тормозится прежде всего экономическими соображениями.
