4. Химическая промышленность
4.1. Общая характеристика промышленности
Отрасли химической промышленности включают в себя предприятия по производству синтетического каучука, резинотехнических изделий, пластмасс, и различных химических продуктов и их соединений [13].
В настоящее время химическая промышленность производит много различных видов синтетических каучуков. Широкое распространение получил бутадиен-стирольный каучук.
Производство резин и изделий из неё тоже многогранно. Разнообразие требований к свойствам резинотехнических изделий влечет и разнообразие технологических процессов их производства.
В настоящее время большое внимание уделяется применению пластмасс. Разнообразие и специфические свойства пластмасс позволяют их применение практически во всех отраслях промышленности. Из всего разнообразия пластмасс наиболее широко применяются полиэтилен, полистирол, полимеры хлористого винила, полипропилен, поливинилацетат, полиизобутилен и др. [14].
Кроме ключевых отраслей химической промышленности развиты и производства по выпуску аммиака и его производных, серной и азотной кислот и их соединений, хлора и каустика, фосфора и его соединений, минеральных удобрений, хлорофоса.
Большое внимание уделяется решению вопросов экологии [15].
Естественно, что невозможно изучить все производства, поэтому в данном пособии рассматриваются лишь широко распространенные, типовые технологические процессы.
Основными потребителями электроэнергии являются термические печи, автоклавы, электродвигатели приводов смесителей, компрессоров, вентиляторов, подъемных механизмов. Напряжение питания электроприемников 0,4; 6 и 10 кВ, мощность колеблется в широком диапазоне. Например, мощность печей при производстве фосфора достигает 100 МВА.
Климатическое исполнение оборудования выбирается по району размещения производства.
На рисунке 4.1 представлена обобщенная схема технологических связей химического предприятия [16].
Рис. 4.1 – Схема технологических связей химического предприятия
4.2. Характеристика основных производств
Производство каучука.
Слово «каучук» происходит от двух слов языка тупи-гуарани: «кау» — дерево, «учу» — течь, плакать. «Каучу» — сок гевеи бразильской, главного каучуконоса. Каучуки — натуральные или синтетические материалы, характеризующиеся эластичностью, влагостойкостью и электроизоляционными свойствами.
Натуральный каучук получают коагуляцией из латекса — млечного сока каучуконосных растений. Основным компонентом каучука является углеводород полиизопрен (91-96%).
Синтетический каучук - высокополимерный, каучукоподобный материал. Его получают полимеризацией бутадиена (дивинила), стирола, изопрена, изобутилена и акриловой кислоты.
Приготовленная смесь дивинила со стиролом смешивается с водой и эмульгатором в аппарате предварительного эмульгирования. Готовая эмульсия вместе с раствором инициатора и регулятора непрерывно закачивается в полимеризатор. Совместная полимеризация осуществляется в водной среде при температуре 5-50 оС в батарее последовательно соединенных между собой полимеризаторов снабженных мешалками. Процесс осуществляется при непрерывном перемешивании и перетекании всей смеси с добавкой регулятора через всю батарею полимеризаторов. Полученный латекс направляется на дальнейшую переработку. Для выделения каучука, к латексу добавляют электролиты (СаСl2 или NаСl, и Н2SО4 или СН3СООН). Затем в автоклав подают азот и выгружают каучук. Скоагулированный каучук отмывается, обезвоживается и формуется на экспелерах в виде крошки каучука, которая после сушки горячим воздухом прессуется в брикеты.
По применению каучуки разделяют на каучуки общего и специального назначения. К каучукам общего назначения относятся каучуки, пригодные для массового производства широкого круга изделий. Основные требования к ним прочность, эластичность и др. К каучукам специального назначения относятся каучуки для производства изделий со свойствами, обеспечивающими выполнение специальных требований к ним: устойчивость к воздействию внешних факторов, работоспособность в критичных условиях эксплуатации. В технике каучук используется при производстве резинотехнических изделий: шины различного назначения, электроизоляционные, медицинские и другие товары.
Основными электроприёмниками являются мешалки, экспелеры, транспортёры, насосы, компрессоры, система вентиляции. Мощность цехов призводства зависит от производительности и составляет 30-50 МВт.
Категория приемников по электроснабжению – 1.
Условия среды – воздействие химически-агрессивных сред.
Категория размещения электрооборудования – 3 и 4.
Вид защиты электрооборудования – взрывозащищенное.
Производство резины.
Резина – продукт вулканизации каучука
Наибольшее распространение в производстве резины получил бутадиен-стирольный каучук.
Современная технология резинового производства осуществляется в два этапа: изготовление полуфабрикатов и вулканизация сырых резиновых смесей.
Чтобы смешать каучук с другими ингредиентами резиновой смеси, его нужно сначала умягчить путем механической или термической обработки. Этот процесс называется пластикацией каучука.
Каучук подается в машину – гранулятор, которая режет каучук на гранулы или пластинки одинаковых размеров и формы, что облегчает операции по дозировке и управлению процессом обработки каучука. Получающиеся гранулы смешиваются в смесителе с мягчителями и пластификаторами (растительные масла, стеариновая кислота, канифоль), образуя маточную смесь, которая также гранулируется. После обработки в смесителе производится смешивание с серой, ускорителями и активаторами вулканизации. Ускорители - свинцовые белила, свинцовый глет, известь и магнезия. Активаторы - окись цинка, стеариновая кислота. Для придания прочности и сопротивляемость износу добавляются упрочняющие наполнители (наиболее распространенный технический углерод).
Для придания цвета резиновым изделиям применяются оксиды и сульфиды различных химических элементов. Все вещества, смешиваемые с каучуком перед вулканизацией, называются ингредиентами резиновой смеси. Они вызывают как химические, так и физические изменения в каучуке. Их назначение – модифицировать твердость, прочность и ударную вязкость и увеличить стойкость к истиранию, маслам, кислороду, химическим растворителям, теплу и растрескиванию. Для изготовления резин разных применений используются различные составы.
Подготовленная резиновая смесь перед вулканизацией подвергается дальнейшей обработке. Тип обработки зависит от области применения резинового изделия. На этой стадии процесса широко используются каландрование и экструзия. Каландры представляют собой машины, предназначенные для раскатки резиновой смеси в листы. Экструдер применяется для формования труб, шлангов, камер пневматических шин, прокладок для автомобилей и других изделий.
Для получения готового изделия заготовку необходимо вулканизовать.
Вулканизация проводится несколькими способами. Многим изделиям придается окончательная форма только на стадии вулканизации, когда заключенная в формы резиновая смесь подвергается воздействию температуры и давления в вулканизационном автоклаве. После вулканизации из сырых резиновых смесей получают готовые резиновые изделия. Изделия из твердой резины отличаются от изделий из мягкой резины главным образом количеством серы. Если количество серы в резиновой смеси превышает 5%, в результате вулканизации получается твердая резина.
Резиновые изделия применяют в технике для изоляции проводов, изготовления различных шин, в военной промышленности, в производстве промышленных товаров: обуви, прорезиненной одежды, медицинских изделий.
Широкое применение изделий из резины объясняется ее свойствами. Высокая прочность и эластичность, газо- и водонепроницаемость, хороший диэлектрик. Устойчивость к воздействию химическиактивных веществ и упругость резины используются для выпуска разнообразных уплотнительных изделий.
Основными электроприёмниками в производстве резины являются: термические печи, автоклавы, электродвигатели приводов грануляторов, каландров, экструдеров, смесителей, насосов, компрессоров, вентиляторов, подъемных механизмов. Напряжение питания электроприемников 0,4; 6 и 10 кВ, мощность колеблется в широком диапазоне.
Мощность цехов зависит от производительности и составляет около 20 МВт.
Категория приемников по электроснабжению – 1.
Условия среды – воздействие химически-агрессивных сред.
Категория размещения электрооборудования – 3 и 4.
Степень защиты электрооборудования – IP40-IP54 (избирательно).
Производство пластмасс.
Пластические массы - высокомолекулярные соединения, получаемые в процессе полимеризации.
Процесс полимеризации этилена под давлением осуществляется или в аппаратах трубчатого типа или в реакторах с мешалкой. Этилен сжимается в компрессоре до давления 1200-1500 атмосфер и поступает в реактор, где при температуре 200 оС идет процесс блочной полимеризации. Полученная смесь расплавленного полиэтилена поступает в газоотделитель, в котором после снижения давления происходит отделение полимера от газа. Скорость процесса полимеризации и выход полимера зависят от степени чистоты исходного сырья, количества инициатора, температуры и давления в реакторе. Процесс может быть периодическим и непрерывным. Полученный полимер направляется на стабилизацию, окрашивание, грануляцию и дальнейшую переработку [16].
К пластмассам относят обширную группу материалов, главной составной частью которых являются природные или синтетические высокомолекулярные соединения, способные при повышенной температуре и давлению переходить в пластическое состояние, формоваться под воздействием внешних сил и затем после охлаждения или отверждения устойчиво сохранять приданную форму.
Из полимеризационных смол наиболее широко применяются полиэтилен, полистирол, полимеры и сополимеры хлористого винила, полипропилен, поливинилацетат, полиизобутилен и др.
По составу пластмассы можно разделить на ненаполненные (без наполнителей) полимеры, и наполненные пластики, содержащие наполнители, пластификаторы, красители, стабилизаторы, отвердители и другие добавки.
Пластмассы используются как конструкционные материалы при изготовлении разнообразных узлов и деталей машин, аппаратов, приборов и других технических устройств, которые предназначены для работы в условиях продолжительного коррозионного воздействия. Пластмассы отличаются высокими диэлектрическими свойствами и малой теплопроводностью. Большим преимуществом пластмасс является их высокая стойкость к атмосферным воздействиям, устойчивость к различным агрессивным средам.
Основными электроприёмниками являются, реакторы, насосы и компрессоры, формовочные машины, система вентиляции. Мощность цехов производства около 30 МВт.
Категория приемников по электроснабжения –1.
Условия среды – воздействие паров химически активных веществ.
Категория размещения электрооборудования – 4.
Вид защиты электрооборудования – взрывозащищенное.
Производство аммиака.
Аммиак – ключевой продукт для получения многочисленных азотсодержащих веществ, применяемых в промышленности, сельском хозяйстве и быту.
Аммиак получают из природного газа. Основной аппарат технологической схемы – колонна синтеза аммиака, представляющая собой реактор. Колонна состоит из корпуса и насадки различного устройства, включающей катализаторную коробку с размещенной в ней контактной массой и систему теплообменных труб. Для процесса синтеза аммиака существенное значение имеет оптимальный температурный режим. По используемому окислителю и технологическому оформлению можно выделить следующие варианты процесса получения водород-содержащих газов: высокотемпературная кислородная конверсия, каталитическая парокислородная конверсия в шахтных реакторах и каталитическая пароуглекислотная конверсия в трубчатых печах.
Основными электроприёмниками являются синтезреакторы различных типов, компрессоры и насосы, мощная система вентиляции. Мощность цехов производства 600 – 1500 кВт в зависимости от производительности. Напряжение питания 0,4 и 6 кВ.
Категория приемников по электроснабжения –1.
Условия среды – воздействие аэрозолей химически активных веществ.
Категория размещения электрооборудования – 2.
Вид защиты электрооборудования – взрывозащищенное.
Производство азотной кислоты.
Азотную кислоту производят из синтетического аммиака. Аммиак, поступающий из цеха синтеза, подвергается тщательной очистке фильтрованием и промывкой жидким аммиаком.
Основной способ производства азотной кислоты:
– получение разбавленной кислоты и последующим концентрированием ее в случае необходимости.
Независимо от конкретной технологической схемы отрасли схема производства азотной кислоты включает пять основных операций:
– очистка аммиака и воздуха и их смешение;
– окисление аммиака на катализаторе;
– охлаждение нитрозных газов с использованием теплоты процесса окисления;
– окисление оксида азота и образование азотной кислоты;
– очистка (нейтрализация) отходящих газов.
Аммиак и воздух, очищенные от примесей, смешиваются и направляются на стадию окисления аммиака. Разогретая за счет теплоты реакции, газовая смесь (нитрозные газы) охлаждается в котле-утилизаторе с выработкой технологического пара и холодильнике, где происходит частичное окисление оксида азота. Дальнейшее окисление его осуществляется одновременно с образованием азотной кислоты в процессе абсорбции оксида азота водой.
Отходящие газы, содержащие остаток оксида азота, не вступившего в реакцию, очищают нейтрализацией раствором натрия.
Основными аппаратами установки по производству азотной кислоты являются контактный аппарат и абсорбционная колонна. Контактный аппарат состоит из платиноидных катализаторных сеток и встроенного котла-утилизатора. Абсорбционная колонна барботажного типа снабжена сетчатыми тарелками, между которыми расположены теплоотводящие змеевики, охлаждаемые водой для обеспечения необходимого теплового режима процесса абсорбции. Очистка отходящих газов от оксидов азота осуществляется в реакторе каталитической очистки.
Области применения азотной кислоты весьма разнообразны. Большая ее часть расходуется на производство азотных и комплексных минеральных удобрений и разнообразных нитратов, на производство красителей.
Основными электроприёмниками являются различные компрессоры и насосы, мощная система вентиляции. Напряжение питания основных электроприёмников 6(10) кВ. Мощность установок 800 – 2500 кВт в зависимости от их производительности.
Категория приёмников по электроснабжению –1.
Условия среды – аэрозоли химически активных веществ.
Категория размещения электрооборудования – 2-3.
Степени защиты электрооборудования – IP43-IP54 (избирательно).
Производство серной кислоты.
Производство серной кислоты может осуществляться двумя способами - обжиг колчедана и сжигание серы.
Производство кислоты из колчедана включает несколько химических процессов, в которых происходит изменение степени окисления сырья и промежуточных продуктов. Схема производства может быть выражена в следующем виде: подготовка сырья; сжигание (обжиг) сырья; очистка и абсорбция печного газа; получение серной кислоты. В качестве реакторов для обжига колчедана могут применяться печи различной конструкции: механические, пылевидного обжига, кипящего слоя. Обжиговый газ подвергается очистке от побочных продуктов, главным образом от соединений мышьяка и селена. Очищенный газ охлаждается в башнях, орошаемых последовательно 50% и 20% раствором серной кислотой, и после дополнительной очистке в мокрых электрофильтрах подвергается завершающей осушке в скрубберах. После очистки и осушки газ охлаждается до образования конденсата - серной кислоты.
Производство кислоты из серы основано на сжигании серы и из-за большей производительности получило более широкое применение. Технологический процесс производства серной кислоты из элементарной серы отличается от процесса производства из колчедана следующими особенностями:
– особая конструкция печей для получения печного газа;
– повышенное содержание оксида серы в печном газе;
– отсутствие стадии предварительной очистки печного газа.
Горение серы представляет гомогенную экзотермическую реакцию, которой предшествует процесс перехода твердой серы в жидкое состояние и ее последующее испарение. Для сжигания чистой серы применяются форсуночные и циклонные печи. Перед подачей в печь серу плавят в плавильном котле паром, отфильтровывают от примесей и распыляют сжатым воздухом через форсунку в печи; при этом сера испаряется и сгорает. Печной газ при сжигании серы отличается более высоким содержанием оксида серы и не содержит значительного количества пыли. Далее газ охлаждается до образования конденсата - серной кислоты.
Области применения серной кислоты и олеума весьма разнообразны. Значительная часть ее используется в производстве минеральных удобрений, в производстве цветных и редких металлов, в производстве красителей, химических волокон, в металлургии, в текстильной промышленности.
Основными электроприемниками производства являются мощные печи различных конструкций, насосы, компрессора, дымососы, мощная система вентиляции. Мощность основных цехов 0,6 – 5 МВт. Напряжение питания 0,4 и 6 (10) кВ.
Категория приемников по электроснабжению –1.
Условия среды – аэрозоли химически активных веществ.
Категория размещения электрооборудования – 2-3.
Степени защиты электрооборудования – IP43-IP54 (избирательно).
Производство хлора и каустика.
Хлор и едкий натр (каустик) являются базовыми компонентами для химической промышленности.
В настоящее время хлор и едкий натр вырабатываются тремя электрохимическими методами. Два из них - электролиз с твёрдым асбестовым или полимерным катодом (диафрагменный и мембранный методы производства), третий — электролиз с жидким ртутным катодом (ртутный метод производства). В ряду электрохимических методов производства самым лёгким и удобным способом является электролиз с ртутным катодом, но этот метод наносит значительный вред окружающей среде в результате испарения и утечек металлической ртути. Мембранный метод производства самый эффективный, наименее энергоёмкий и наиболее экологичный, но требует сырьё более высокой чистоты.
Хлор является чрезвычайно активным химическим элементом, легко вступающим в химические соединения с молекулами органических веществ, которые в следствии своей повышенной активности используются для синтеза других органических соединений. Важнейшими хлорсодержащими продуктами, а также продуктами при производстве которых активно участвует хлор, являются: медикаменты, красители, средства защиты растений, искусственные материалы такие как полиуретаны, поликарбонаты, эпоксидные смолы, силиконы. Хлор является важнейшим сырьем при производстве сверхчистого кремния для электронной промышленности, титана, средств для очистки воды и отбеливания тканей.
Основными электроприёмниками производства являются: электролизные установки, различные насосы, мощная система вентиляции.
Мощность цеха 0,6-2 МВт на напряжении 0,4 кВ и 6 - 20 МВт на напряжении 6 кВ.
Категория приемников по электроснабжению – 1.
Условия среды – пары химически активных веществ.
Категория размещения электрооборудования – 2-3.
Степени защиты электрооборудования – IP40-IP50 (избирательно).
Производство хлорофоса.
Хлорофос – белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде.
В промышленности хлорофос получают двумя методами. Один из них основан на конденсации диметилфосфита с хлоралем. По второму методу производства хлорофоса реакцию образования диметилфосфита и реакцию с хлоралем совмещают в одну стадию. Процесс проводят в органическом растворителе с отводом тепла. Выход хлорофоса при получении по совмещенной схеме составляет 80-85 %. Для очистки хлорофос перекристаллизовывают из воды или органического растворителя. Маточные растворы, остающиеся после перекристаллизации хлорофоса, используют для производства дихлорофоса. Процесс проводят в широком интервале температур. Препараты широко применяются для борьбы с различными вредителями растений и паразитами животных.
Основными электроприёмниками являются различные насосы и компрессоры, мощная система вентиляции. Мощность цеха 0,3-0,8 МВт на напряжении 0,4 кВ.
Категория приёмников по электроснабжению – 2.
Условия среды – аэрозоли химически активных веществ.
Категория размещения электрооборудования – 3.
Степень защиты электрооборудования – IP44-IP54 (избирательно).
Производство минеральных удобрений.
Минеральные удобрения являются одним из важнейших для сельского хозяйства видов продукции химической промышленности. В цехе несколько участков на которых производят различные удобрения. Основные из них.
Участок аммиачной селитры. Технологический процесс производства аммиачной селитры включает в себя следующие стадии - нейтрализация азотной кислоты аммиаком, выпаривание раствора селитры, гранулирование, охлаждения гранул, обработки гранул поверхностно-активными веществами, упаковки; хранения и погрузки селитры, очистки газовых выбросов и сточных вод.
На участке установлены: два аппарата использования теплоты нейтрализации работающие параллельно, подогреватели паровым конденсатом, донейтрализатор, выпарной аппарат, фильтры, грануляционная башня, грануляторы, аппарат кипящего слоя, транспортеры, вращающийся барабан поверхностной обработки.
Участок производства карбамида. Карбамид (мочевина) среди азотных удобрений занимает второе место по объему производства после аммиачной селитры.
Сырьем для производства карбамида являются аммиак и диоксид углерода, получаемый в качестве побочного продукта при производстве технологического газа для синтеза аммиака. Поэтому производство карбамида на химических заводах обычно комбинируют с производством аммиака.
На участке установлены: колонна синтеза, отдувочная колонна, компрессоры низкого и высокого давления, скруббер, выпарной аппарат, гранулятор.
Основными электроприёмниками при производстве карбамида являются различные насосы и компрессоры, система вентиляции.
Мощность цеха 120-600 кВт на напряжении 0,4 кВ.
Категория приёмников по электроснабжению –1-2.
Условия среды – аэрозоли химически активных веществ.
Категория размещения электрооборудования – 4.
Степени защиты электрооборудования – IP44-IP54 (избирательно).