книги / Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза.-1
.pdfSс точки зрения анализа путей превращения сырья в готовые продукты, т. е.
сточки зрения выбора способов и методов переработки сырья на основе изуче ния различных процессов;
Sс точки зрения анализа работы типовых аппаратов и машин (выбора кон
струкций и параметров их работы) и их взаимосвязи между собой; S с экономической и социальной точек зрения;
S с точки зрения экологической безопасности.
Как наука химическая технология базируется на закономерностях общей, органической и физической химии, физики, математики, общехимических и общеинженерных дисциплин, а также на общетехнологических закономерно стях, в основу которых положен прежде всего системный подход.
Главнейшей задачей технологии основного органического синтеза является изыскание наивыгоднейших условий проведения всех процессов во всех под разделениях производства.
Таким образом, химическая технология фокусирует самые существенные черты развития технологии. Для нее характерен также качественно более высо кий уровень производственного использования самого вещества, его внутрен ней активности. Кроме того, химической технологии присуща возможность бо лее полного использования отходов производства за счет их превращения в цен ное сырье для других производств.
В задачу химической технологии в настоящее время входит не только созда ние необходимых видов веществ и материалов, но и производство энергии, за щита окружающей среды и др.
Химическая технология охватывает более широкий круг методов и процес сов, которые связаны не только с молекулярным изменением исходных продук тов, но и с фазовыми переходами, используемыми при разделении продуктов химического синтеза.
В связи с этим химическая технология как наука связана с изучением хими ческих, физико-химических, массо- и теплообменных и других процессов, с вы бором методов и способов переработки исходного сырья в продукты и предметы потребления, а также средств производства и, наконец, с выбором маршрута прохождения сырья и полупродуктов по различным аппаратам, связанным в единую технологическую схему.
1.2.ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ОСНОВНОГО ОРГАНИЧЕСКОГО
ИНЕФТЕХИМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА
Технологии основного органического и нефтехимического синтеза присущи все преимущества химической технологии, к числу которых можно отнести:
S использование внутренней активности исходных продуктов;
S возможность получения продуктов требуемого состава за счет изменения молекулярной структуры исходных веществ;
S объективную возможность более полного использования отходов произ водства;
S получение энергетически выгодных продуктов из природного сырья идр. Эти технологии обладают рядом особенностей. К их числу можно отнести многотоннажность, непрерывность, многовариантность, многомаршрутность, кооперирование и комбинирование; быстрое обновление производства, высо-
кие производительность труда, капитало- и энергоемкость, высокую степень автоматизации, многообразие аппаратурного оформления и др.
Многотоннажность. Производства основного органического и нефтехимиче ского синтеза обеспечивают сырьем практически все отрасли народного хозяй ства, поэтому они ответственны не только за выпуск продуктов большого ассор тимента, но и за их крупномасштабное производство. Так, например, мировое производство составляет (в млн т/год): этилового спирта > 2; стирола > 8; фено ла ~ 3; винилацетата 2,7. Следовательно, технология должна разрабатываться для многотоннажных экономически целесообразных производств.
В свою очередь, следствием многотоннажности является, во-первых, приме нение в технологии аппаратов большой единичной мощности и, во-вторых, не прерывность производства. Например, единичная мощность агрегатов синтеза метанола уже достигает миллиона в год, а в перспективе не исключена возмож ность создания установок синтеза метанола с единичной мощностью более 1,6 млн т/год. В России единичная мощность агрегатов производства этанола достигает 140, изопропанола — 100, агрегатов оксосинтеза — 120—150 тыс. т/год. Зарубежные действующие установки по производству фенола имеют произво дительность 120—150, а по ацетону—75—90 тыс. т/год.
Увеличение мощности единичных агрегатов приводит к сокращению удель ных капитальных вложений, энергетических затрат, расхода воды и повышению производительности труда.
Непрерывная технология позволяет достигать не только большей произво дительности, но и более высокого качества продуктов. Предприятия, работаю щие по непрерывной технологии и имеющие агрегаты большой единичной мощности, являются капиталоемкими и, главное, энергоемкими, так как в не прерывной схеме используется большое количество аппаратов, расположенных на большой территории. Это требует обоснованного выбора точки строительст ва предприятия, так как необходимо обладать дешевой энергией и требуемой площадью.
Многовариантность путей получения одного и того же конечного продукта также характерна для этой отрасли. Это обусловлено тем, что один и тот же про дукт может быть получен из различных видов сырья. Например, винилацетат, являющийся одним из важнейших мономеров, может быть получен из ацетиле на и этилена; фенол, используемый для синтеза капролактама и различных смол, может быть получен из продуктов переработки угля, нефти, сланцев, дре весины и др. В то же время один вид сырья может быть использован для получе ния различных продуктов. Например, из этилена можно получить уксусную ки слоту, уксусный ангидрид, этиловый спирт, этиленгликоль, ацетальдегид, ви нилацетат, винилхлорид и другие вещества.
Все это приводит к расширению сырьевой базы отрасли. Появляется воз можность выбора наиболее экономичного сырья, а также более полного его ис пользования.
Кроме того, для получения одного и того же продукта могут быть использо ваны различные химические процессы переработки сырья. Например, стирол может быть получен из этилбензола термическим дегидрированием, каталити ческим дегидрированием, окислительным дегидрированием, а также через гид ропероксид этилбензола. За счет этого появляется возможность выбора процес са, позволяющего более полно использовать сырье для получения целевого про дукта.
12
Снижение затрат на производство возможно не только посредством выбора наиболее дешевого сырья, но и путем уменьшения норм расхода.
Многомаршрутность прохождения промежуточных продуктов обусловлена
многочисленностью и многообразием процессов и аппаратов, применяемых в технологии основного органического и нефтехимического синтеза. Так, если рассмотреть только основные процессы и аппараты производства винилацетата из ацетилена и уксусной кислоты, то можно предложить свыше 30 вариантов технологических схем. При этом на каждом этапе рассматривались следующие варианты:
1) использование в качестве катализатора ацетата цинка на активном угле или ацетата кадмия на оксиде алюминия;
2)проведение основного химического процесса вреакторе со стационарным слоем катализатора или вреакторе с псевдоожиженным слоем катализатора;
3)улавливание частиц катализатора с помощью циклонов, установленных
на реакторе, или с помощью струйного скруббера с трубкой Вентури;
4)конденсация газообразных продуктов, выходящих из реактора, в трубча тых теплообменниках или в смесительных аппаратах (скрубберах);
5)ректификация реакционной смеси по первому варианту, когда вначале отделяют легколету чие компоненты, а затем выделяют винилацетат, или по вто рому варианту, когда вначале отделяют винилацетат вместе с легколетучими компонентами, а затем последние отделяют от винилацетата.
На самом деле при исследовании и проектировании рассматривается еще больше технологических схем (до 40 вариантов). Такие затраты считаются оп равданными, если выбран даже не оптимальный, а наиболее приемлемый вари ант. Важную роль здесь играет технико-экономическое сравнение вариантов с учетом всех технологических и физико-химических ограничений.
Кооперирование и комбинирование различных процессов, установок и произ
водств, взаимосвязанных единой технологией, позволяют более полно исполь зовать сырье, утилизировать отходы производства, объединить последовательные стадии переработки. Например, в пределах одного комбината можно получать ацетальдегид, уксусную кислоту, винилацетат, поливинилбутираль и другие про дукты на базе производства винилацетата. В производствах, объединенных еди ной технологией, в качестве сырья используется этилен, получаемый при перера ботке нефтяных продуктов. При этом одновременно образуется пропилен, яв ляющийся сырьем для оксосинтеза, а далее 2-этилгексанола и пластификато ров. Для этих же целей может использоваться и ацетальдегид.
Широкий ассортимент продуктов основного органического и нефтехимиче ского синтеза требует большого количества производств. Строительство комби натов приводит к их сокращению и снижению себестоимости продуктов за счет сокращения вспомогательных служб, например водо-, энергоснабжения и др.
Высокая степень автоматизации является важной особенностью произ
водств основного органического и нефтехимического синтеза. В настоящее время для управления производством применяют компьютеризированные системы, что позволяет более точно соблюдать все технологические парамет ры, а следовательно, повышать качество выпускаемых продуктов и производи тельность труда.
Совмещенные процессы получили значительное распространение в произ
водствах основного органического и нефтехимического синтеза. Причем имеет место совмещение как нескольких реакционных процессов, так и реакционных
13
процессов с массообменными. Примером первых может служить сочетание эк зотермической и эндотермической реакций в одном аппарате. В частности, к та ким процессам можно отнести окислительное дегидрирование углеводородов.
Примерами реакционно-массообменных процессов могут служить реакци онно-ректификационные, реакционно-экстракционные процессы. Такое со вмещение наиболее широко и эффективно применяется в обратимых реакциях для достижения высокого выхода целевых продуктов.
1.3.СТРУКТУРА ПРОИЗВОДСТВА И ОТРАСЛИ
Стехнической точки зрения производство основного органического и нефтехи
мического синтеза представляет функциональную систему, в которой осуществ ляются химико-технологические процессы в определенных аппаратах, имею щих вещественные, энергетические и информационные входы и выходы.
Производство как физическая система представляет совокупность средств переработки сырья в соответствии с разработанной технологией, так как наибо лее полно отражает не только существование практически всех аппаратов, ма шин, коммуникаций, приборов и других реальных объектов, но и материальные и энергетические связи между ними.
Любое производство характеризуется системой связанных между собой эле ментов технологического процесса. При этом сырье и вспомогательные вещест ва в такой системе постоянно находятся в контакте с аппаратами, машинами и приборами. Трубопроводы в данном случае также являются элементами систе мы, по которым материальные и энергетические потоки перемещаются между аппаратами. Каждая технология основана на определенном способе производст ва, заключающемся в совокупности всех операций, которые проходят сырье и полупродукты до получения из них целевых продуктов.
К химико-технологическим процессам можно отнести такие производствен ные процессы, которые целенаправленно изменяют химический состав сырья, его фазовое и энергетическое состояние с помощью химических реакций и фи зико-химических процессов, направленных на достижение определенного со стояния реакционной массы и ее разделение на отдельные компоненты или фракции.
Критериями качества функционирования химических процессов служат технологические показатели (производительность, степень превращения, вы ход, концентрация, чистота продуктов и др.). Иногда используют технико-эко номические показатели (себестоимость, расходные коэффициенты и др.).
Состояние процессов характеризуется технологическими параметрами — ко ординатами (температура, давление, расход, концентрация и др.). Число кон тролируемых переменных в разных процессах колеблется от нескольких десят ков до нескольких сотен.
Как известно, производство состоит из ряда связанных между собой хими ко-технологических и технологических процессов, которые направлены на вы пуск целевых продуктов из определенного исходного сырья.
Для обозначения наименьшей технологической единицы, в которой, как правило, получается определенный полупродукт или заканчивается часть тех нологического процесса, часто используют термин «установка». Каждая такая единица характеризуется производительностью — количеством вырабатывае мого продукта или перерабатываемого сырья, отнесенным к единице времени.
14
Кроме того, каждая установка характеризуется проектной (максимально воз можной или допустимой) производительностью, которая называется производ ственной мощностью или просто мощностью.
Промышленное предприятие (завод, комбинат) состоит из ряда производств, объединенных однотипностью химических и физико-химических процессов, общностью источников сырья и энергии, возможностью использования целе вых продуктов одного производства в качестве сырья на другом.
Подотраслью называют группу предприятий, объединенных общностью сырьевых источников, технологией получения и видом выпускаемой продук ции.
В отрасль входят подотрасли и, как правило, крупные объединения, характе ризуемые едиными принципами получения продукции. В частности, отрасль основного органического и нефтехимического синтеза характеризуется получе нием преимущественно многотоннажных органических продуктов, применяе мых непосредственно в народном хозяйстве (растворители, поверхностно-ак тивные вещества, составные части топлива, средства защиты растений и др.) или являющихся полупродуктами в других отраслях органической технологии (мо номеры для полимерной промышленности, полупродукты для лекарственной промышленности и т.д.).
Технологические объекты часто называют производственными комплексами. Под производственным комплексом понимается отдельное производство, за вод, комбинат, объединение и даже отрасль.
При изучении производств основного органического и нефтехимического синтеза как связанных систем можно установить, что в них регулярно повторя ются простые элементы системы и определенные технологические связи (ком муникации, соединения, включения) этих элементов. От связи элементов между собой зависят капитальные и энергетические затраты на получение целевых продуктов. Кроме того, исследование технологических связей показывает, ка кое действие на количество и качество продуктов оказывает способ соединений простых элементов технологического процесса.
К числу отдельных элементов могут быть отнесены не только отдельные ап параты (реактор, ректификационная колонна, теплообменник и т.д.), но и неко торые комплексы аппаратов. При изучении сложного технологического объекта целесообразно разделять его на отдельные звенья, в которых протекают химиче ские, физико-химические или другие процессы. По характеру материальных и энергетических связей все многообразные процессы химической технологии можно разделить на следующие основные классы:
S химические, диффузионные, или массообменные; S тепловые;
S гидро- и аэродинамические и механические.
Каждый из этих классов подразделяют на типовые процессы. Например, массообменные процессы делятся на ректификационные, экстракционные, аб сорбционные, адсорбционные и др.
1.4. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Основная задача технолога-исследователя, изучающего методы создания технологии производств 0 0 и НХС, заключается прежде всего в нахождении взаимосвязи между входными и выходными параметрами как отдельных эле
15
ментов, так и системы в целом с учетом многофакторности и возмущающих воз действий (часто случайного характера). При этом необходимо иметь в виду, что на одних производствах основные параметры сохраняются постоянными во вре мени и они (по подаче исходных материалов и получению товарных продуктов) относятся к непрерывным, а на других производствах параметры меняются во времени и их называют периодическими.
Как правило, в производствах основного органического синтеза применяют
непрерывные технологические процессы. Но вместе с тем на вспомогательных про изводствах могут применяться и периодические технологические процессы. К не прерывным технологическим процессам относятся такие процессы, в которых сохраняется практически неизменным режим работы установок во времени, т.е. постоянны технологические параметры (давление, расход, температура и т.д.), поступление сырья и отвод целевых продуктов.
Впериодических процессах при переходе от одной стадии кдругой, а часто и
впроцессе одной стадии, наблюдается изменение режима работы аппаратов, осуществляется периодическая загрузка сырья и выгрузка реакционной массы.
Непрерывное производство рассчитано на выпуск одного вида продукции.
Впериодическом производстве на одних и тех же установках возможен выпуск различных продуктов.
Втом случае если на технологической установке, работающей по непре рывному принципу, предусматривается возможность смены продукции через какой-то промежуток времени, то такие производства называют полунепрерыв ными.
Режим работы отдельных аппаратов или целого технологического комплек са может быть статическим или динамическим, а объекты химической техноло
гии могут быть описаны статическими и динамическими характеристиками, от ражающими взаимосвязь между входными и выходными параметрами.
Статические характеристики определяют для установившегося во времени режима работы объекта. Они необходимы для правильного проектирования объекта, определения нормальных режимов работы оборудования, оптимиза ции технологических процессов. В общем случае статические характеристики объекта зависят от физико-химических свойств перерабатываемых исходных веществ, степени достижения стационарности процессов, конструкции аппара тов и определяются из материальных и энергетических балансов объекта для стационарных состояний.
Под динамической характеристикой понимается взаимосвязь изменения во времени выходных параметров под действием входных возмущающих воздейст вий.
В промышленных объектах возмущения являются либо медленно изменяю щимися во времени, либо скачкообразными.
Для определения динамических характеристик объекта и возможности их сравнения друг с другом приняты типовые законы изменения входных парамет ров, близкие к законам, которые наблюдаются в реальных условиях работы объ ектов. Динамические характеристики объекта в зависимости от вида входного возмущения имеют различную графическую интерпретацию.
Объекты химической технологии характеризуются определенной инерцион ностью, которая может быть определена как время, которое проходит от начала мгновенного изменения входной переменной до начала изменения выходной переменной.
16
Изменение режима работы любого технологического подразделения опреде ляется изменением параметров входных и выходных потоков.
Передаточные характеристики установок могут быть статическими или ди намическими. К статическим передаточным характеристикам относятся такие, при которых в каждый момент времени параметры выходных потоков полно стью определяются параметрами входных потоков в тот же момент времени. Если же значения параметров выходных потоков установки существенно зави сят и от предшествующих значений параметров входных потоков, то считается, что установка имеет динамические передаточные характеристики. Наличие ди намических характеристик установки обусловлено тем, что материальные и энергетические потоки проходят через нее за какое-то конечное время.
Для описания статических свойств и режима работы установки или техноло гического процесса с распределенными по пространственной переменной / ко ординатами (переменными) используется обычно векторное дифференциаль
ное |
уравнение: |
|
|
|
|
5), |
( 11) |
где |
x,z,u |
— векторы выходных возмущающих и управляющих |
координат; |
а — вектор |
параметров; / — вектор-функция. |
|
|
|
Математическая модель статики объектов с сосредоточенными координата |
||
ми чаще всего имеет вид |
|
||
|
|
f ( x , z , u , 5 ) = 0. |
0-2) |
Неустановившиеся во времени / процессы в объектах с сосредоточенными координатами описываются уравнениями типа
dY d t =f{x,z,u,a). |
(1-3) |
Системы уравнений (1.1)—(1.3) применяют для описания так называемых стационарных объектов, свойства которых остаются неизменными во времени.
В математических моделях нестационарных объектов вектор-функция должна явно или косвенно зависеть от времени. Чаще всего в моделях нестацио нарных объектов параметр я рассматривается как функция времени. Тогда урав нения статики и динамики будут иметь вид
/[х,?,м,а(О ] = 0, |
(1-4) |
d% t =f[x,z,u,a(t)}- |
О-5) |
Статика отдельных технологических аппаратов чаще всего характеризуется уравнениями типа (1.1) и реже (1.2). Для описания статических режимов техно логических процессов, установок, производств, предприятий и отрасли приме няют, как правило, уравнение (1.2). Математические модели, описывающие ди намику процесса вида (1.3), используют для характеристики неустановившихся явлений в отдельных аппаратах и реже для технологических процессов.
Математические модели статики типа (1.2) находят широкое применение при решении задач планирования (оптимального планирования) работы объек та, а также для оптимизации статических режимов.
2 - 2515 |
17 |
Математические модели динамики, выражаемые уравнением (1.3), исполь зуют для оптимизации переходных режимов работы объекта, например при пус ке и остановке аппаратов, а также при вычислении текущих значений парамет ров работы объекта.
1.5. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
При получении продуктов основного органического синтеза используют различные процессы (химические, физико-химические, гидродинамические, диффузионные, тепловые, механические), причем многие из них протекают од новременно в одном аппарате. Ход этих процессов, а следовательно, и нормаль ное функционирование всего производства определяется их параметрами. Со вокупность технологических параметров определяет технологический режим различных подсистем химико-технологических систем.
Среди параметров процесса различают экстенсивные, зависящие от количе ства вещества (например, объем), и интенсивные, не зависящие от количества вещества (температура, давление, концентрация веществ и др.).
Наиболее важными в химико-технологических процессах являются интен сивные параметры.
Переменные химико-технологических процессов делятся также на независи мые, которые могут изменяться независимо друг от друга, и зависимые, числен ные значения которых определяются значением независимых переменных (па раметров).
Общее число параметров определяет число степеней свободы или вариант ность процесса. На основе числа степеней свободы всей сложной химико-тех нологической системы (ХТС) производится выбор технологических связей эле ментов процесса.
Всоответствии с организацией потоков химико-технологические процессы,
атакже все системы подразделяются, как было указано ранее, на периодиче ские, непрерывные и полунепрерывные.
Впериодических процессах выходные потоки, а также любые интенсивные характеристики (переменные) различных процессов (температура, концентра ция и др.) меняются во времени и являются периодическими функциями с пе
риодом т„:
Т„ = т, + т2 + т3 + т4,
гдет„ — продолжительность полного цикла; т,, т2, т3, т4 — время загрузки, рабо ты, выгрузки и подготовки аппарата к новой загрузке соответственно.
Коэффициент использования оборудования г|0б = т/т„ (где т — продолжи тельность основного процесса) для периодического процесса всегда ниже еди ницы.
Следовательно, производительность аппаратов периодического действия будет ниже, чем производительность аппаратов непрерывного действия. Кроме того, первые труднее автоматизировать и в них получается неоднородная по ка честву продукция.
Вместе с тем часто при малых масштабах производства экономически целе сообразно применять аппараты периодического действия из-за компактности их установки.
18
В связи с тем что промышленность основного органического синтеза выпус кает многотоннажную продукцию, в этой отрасли используют главным образом процессы непрерывного действия, так как они обладают рядом преимуществ пе ред периодическими.
При осуществлении непрерывных процессов входные и выходные потоки от запуска до остановки производства в идеальном случае в течение длительного времени являются постоянными, или стационарными, потоками.
Интенсивные характеристики этих процессов также постоянны во времени. Такое состояние непрерывного процесса называют стационарным или устано вившимся.
Установившийся процесс представляет собой предельный случай непрерыв ного процесса. Вместе с тем практически такого состояния добиться невозмож но, так как колеблются, правда в допустимых пределах, значения многих техно логических параметров: состав и состояние сырья, активность катализатора, температура и давление в аппаратах, атмосферные условия. Многие отклонения объясняются, главным образом, динамикой процесса.
Следовательно, непрерывный процесс может быть установившимся, но практически никогда не бывает полностью установившимся. Вместе с тем уста новившийся, или стационарный, процесс всегда является непрерывным.
Таким образом, в непрерывных процессах имеется возможность поддержи вать постоянными заранее выбранные технологические параметры ( Т, р и др.) во всех точках ХТС. Это позволяет:
S получать полупродукты и продукты постоянного качества;
S достигать высокого коэффициента использования оборудования, кото рый приближается к единице;
S механизировать и автоматизировать производство;
S легко управлять производством, втом числе с использованием ЭВМ;
S обеспечивать высокую производительность труда, значительно облегчать труд обслуживающего персонала, делать его безопаснее, чем на предприятиях, использующих периодические процессы.
Непрерывность исключает простои всех аппаратов и требует меньших их размеров при более высоком коэффициенте использования, т.е. непрерывный процесс является более высокой ступенью развития технологии по сравнению с периодическим.
Для осуществления непрерывного процесса требуются следующие условия: 1) пространственная (конструктивная) разделенность входов и выходов всех
аппаратов;
2)непрерывная и вдостаточной степени стационарная подача исходных ве ществ (загрузка) и вывод из аппаратов продуктов (выгрузка);
3)постоянная на протяжении работы аппаратуры (от пуска до остановки) номенклатура составляющих сырья и целевых продуктов;
4)непрерывное перемещение всех продуктов внутри аппаратов и между
ними.
Соблюдение этих условий обычно не вызывает трудностей, если транспор тируемые вещества находятся в жидком или газообразном состоянии, но они могут возникать при работе с твердыми веществами или зязкими жидкостями.
Все аппараты, применяемые в технологии основного органического и неф техимического синтеза, могут работать по непрерывному принципу. Вместе с 1ем организация работы некоторых реакционных и массообменных аппаратов
*>* |
19 |