Технологические концепции создания ХТС

1. Одной из главнейших концепций синтеза ХТС есть глубина переработки сырья в целевой продукт или максимально возможный выход целевого продукта.

Эта концепция может быть выполнена с помощью таких направлений:

1.1. Правильный выбор процесса.

В качестве примера правильного выбора процесса для обеспечения выполнения первой концепции создания ХТС можно рассмотреть разные технологические процессы получения хлорвинила.

Этот продукт можно получить по наиболее распространенному в промышленности двухстадийному способу, а именно:

Выход дихлорэтана на первой стадии процесса равняется 95 %, хлорвинила на второй также 95 %. Общий выход хлорвинила из этилена будет составлять 0,95 0,95 = 0,9 (90 %).

Если же выбрать другой процесс - каталитическое окислительное гидрохлорирование этилена

где выход хлорвинила в одну стадию равняется 95 %, то этим достигается более глубокая переработка этилена в целевой продукт.

1.2. Использование избытка одного из реагентов, обычно наиболее дешевого.

Например, при конверсии метана

 

По стехиометрии соотношение Н₂О: СН₄ = I: I и равновесная степень превращения СН₄ составляет Хр = 48 % (температура 900°С, давление 30∙10⁵Па). Если взять избыток легкодоступного пара, так чтобы соотношение Н₂О: СН₄ = 4, то будет достигнута при тех же условиях Хр = 94%.

1.3. Использование рецикла,

В этом случае после отделения целевого продукта (продуктов) от непрореагировавшего сырья последнее возвращается снова на переработку, вследствие чего суммарный выход продукта увеличивается. Например, за один проход азотоводородной смеси через колонну синтеза во время производства NH₃ степень ее превращения не превышает 14-20 %. Поэтому образованный аммиак конденсируется и отделяется от непрореагировавшей азотоводородной смеси, которая возвращается в цикл производства

2. Второй концепцией является полнота использования сырья и вспомогательных материалов или же максимальная степень превращения компонентов сырья в продукты.

Вторая концепция создания ХТС может обеспечиваться:

2.1. Правильным выбором процесса.

Двухстадийный процесс получения хлорвинила, который рассматривался выше, имеет существенный недостаток: несмотря на достаточно высокий выход целевого продукта, степень превращения начального сырья (С1₂) составляет лишь 50 %. Около половины начального хлора тратится на образование побочного продукта –хлористого водорода. Этилен, который служит сырьем в этом процессе, получают пиролизом нафты. Если выбрать другие условия пиролиза, можно получить, кроме этилена, еще и ацетилен. Тогда хлористый водород, который выделяется при хлорировании этилена, можно использовать для гидрохлорирования ацетилена, получая дополнительную массу целевого продукта - хлорвинила (рис. 12).

 

 

Рис. 12. Принципиальная схема получения хлорвинила из нафты

Итак, вследствие выбора более эффективного процесса пиролиза нефти степень использования хлора во время получения хлорвинила резко возрастает, фактически приближаясь до 100 %.

2.2. Использованием регенерации вспомогательных материалов с их рециклом.

В качестве примера рассмотрим очистку азотоводородной смеси от СО₂ при синтезе аммиака. С этой целью используют абсорбцию СО₂ водными растворами моноэтаноламина по реакции

(16)

После абсорбции раствор подают на регенерацию, где за повышенной температуры происходит десорбция СО₂

(17)

Регенерированный раствор моноэтаноламина возвращают на абсорбцию СО₂.

Примером циклического использования материалов может также быть регенерация отработанного катализатора во время каталитического крекинга нефтепродуктов. В этом процессе поверхность катализатора постепенно покрывается пленкой углерода, который образовывается вследствие побочных реакций глубокого расщепления углеводородов, после чего активность катализатора резко уменьшается. Регенерация катализатора состоит в выгорании углерода в потоке воздуха за повышенной температуры, после чего катализатор подается снова в контактный аппарат крекинга.

2.3. Утилизацией отходов.

Это направление дает возможность получать полезные продукты из отходов производства. При этом выход целевого продукта не изменяется, однако общая степень преобразования сырья возрастает

2.4. Комбинированием производств.

Комбинирование (объединение) производств дает возможность использовать побочные продукты в другом химическом производстве, которое создается вместе с главным. Например, СО₂, который выделяется вследствие очистки азотоводородной смеси во время производства аммиака, можно подать на синтез карбамида, комбинируя последнее производство с синтезом аммиака (рис. 13).

В качестве примера удачного комбинирования, можно привести также комплексную переработку полиминеральных калийных руд, вследствие чего получают основные товарные продукты - безхлорные калийные удобрения: калиймагнезию и сульфат калия; побочным товарным продуктом является кухонная соль; растворы отходов магния хлорида перерабатывают в металлический магний, одновременно получая газообразный хлор. Последний используется в этом самом объединении для производства широкой гаммы химических органических продуктов, в частности, хлорвинила.

 

Рис. 13. Принципиальная схема комбинирования (объединение) производств

3. Минимизация энергетических и тепловых затрат есть третьей необходимой концепцией создания ХТС.

Эта концепция может реализоваться по таким направлениям:

3.1. Рекуперация теплоты.

Например, теплота прореагировавшего потока может использоваться для подогревания холодных исходных реагентов в вынесенном теплообменнике-рекуператоре (рис.14), что значительно уменьшает тепловые затраты на процесс.

Рис. 14. Схема рекуперации теплоты прореагировавших потоков: 1 - теплообменник; 2 -реактор

3.2. Регенерация энергии.

Это направление используется для процессов, которые осуществляются под давлением, применением агрегатов " насос-турбина-электродвигатель" для жидкостей и " компрессор-турбина-электродвигатель" для газов. Прореагировавшая смесь, которая выходит из реактора 1 под давлением, подается на рабочий орган турбины 4, который находится на общем валу с рабочим органом компрессора 3 (рис. 15). Вследствие расширения смеси в турбине происходит приведение в действие компрессора, который обеспечивает свыше 2/3 необходимой мощности. Электродвигатель 2 включается лишь во время запуска агрегата и для компенсации механических потерь электроэнергии (в частности, вследствие трения)

Рис. 15. Схема регенерации энергии применением агрегата "компрессор-турбина -мотор": 1 -реактор; 2 - электродвигатель; 3 - компрессор; 4 - турбина

3.3. Утилизация теплоты отходящих газовых потоков.

Этим направлением достигается сбалансированность производства и потребление энергетического пара вследствие утилизации вторичных энергетических ресурсов, в частности теплоты экзотермических реакций. Например, в производстве серной кислоты суммарное количество энергии, которая выделяется главным образом в виде тепловой, составляет 5000-8000 МДж на 1 т кислоты. Использование лишь 5 % отходящего теплового потока дает возможность полностью компенсировать затраты энергии на производство кислоты. Полученная энергия используется для получения высокопотенциального водного пара в специальных агрегатах- котлах-утилизаторах.

Схему работы котла-утилизатора показана на рис.16. Горячие прореагировавшие газы подаются в змеевик котла-утилизатора и нагревают химически очищенную воду (чаще всего конденсат водной пары), которая находится в межзмеевиковом пространстве котла. Используются также котлы, в которых вода двигается по змеевику, а газы проходят в межзмеевиковом пространстве. Вследствие нагревания вода превращается в водяной пар, который, в зависимости от температуры газов, может иметь высокие значения параметров (высокие температуру и давление).

 

Рис..16. Схема котла-утилизатора

Концепция минимизации затрат теплоты и энергии наиболее полно реализуется в так называемых химико-энергетических (энерготехнологических) схемах, которые объединяют максимальное использование сырья и энергии. В этих схемах избыток тепловой энергии отходящих технологических потоков используется для подогрева исходных холодных реагентов, получения водного пара или трансформирования в электроэнергию непосредственно в системе, т.е. другими словами энерготехнологические схемы объединяют все три или же отдельные направления реализации третьей концепции синтеза ХТС. В качестве примера рассмотрим энерготехнологическую схему получения конвертируемого газа в производстве аммиака (рис. 17).

Для получения конвертируемого газа используется реакция конверсии природного газа водяным паром

(18)

Процесс очень эндотермичен. Его осуществляют при температуре 800ºС в трубчатом реакторе-конверторе 1 на катализаторе под давлением 30 МПа. Необходимая температура достигается вследствие теплообмена с горячими дымовыми газами, которые получают сжиганием природного газа и подаются в межтрубное пространство конвертора с температурой 1000-1200 С. Горячие дымовые газы после конвертора 1 используются для получения водяного пара высоких параметров и подогревания начальной реакционной смеси: природный газ-водяной пар в комбинированном аппарате 2, который объединяет котел-утилизатор в нижний своей части и рекуператор теплоты - в верхней.

Рис. 17. Энерготехнологическая схема конверсии природного газа в производстве аммиака.

1 - конвертор; 2 - комбинированный агрегат: котел-утилизатор - рекуператор;3, 5 - компрессоры высокого и низкого давления; 4, 6- турбины

Полученный водяной пар высоких параметров частично расширяется в турбине 4 и приводит в действие компрессор высокого давления 3, который сжимает азотоводородную смесь, которая подается на синтез аммиака, до давления 300∙10⁵ Па. Водяной пар, который выходит из турбины 4, дальше расширяется в турбине 6, приводя в действие компрессор 5, который сжимает начальную смесь – природный газ-водяной пар, до рабочего давления 30-1О⁵ Па. Сжатая реакционная смесь нагревается в верхней части комбинированного аппарата 2 и подается в конвертор 1

Итак, в технологической схеме конверсии природного газа в производстве аммиака появляется энергетический участок получения водяного пара высоких параметров, который обеспечивает энергией все производство и максимально использует теплоту всех потоков этого же производства. При условии соответствующего выбора параметров энергетического участка вся ХТС становится автономной по энергиии. При необходимости в агрегате 2 сжигают дополнительное количество природного газа, покрывая возможный дефицит энергии, который возникает вследствие неминуемых механических ее потерь.

Энерготехнологические схемы, которые объединяют разнообразные направления реализации третьей концепции синтеза ХТС, в последние годы находят все более широкое практическое применение в химической промышленности.

4. Минимизация отходов - четвертая технологическая концепция и одно из решений для создания экологически безвредных производств. Эта концепция непосредственно связана с тремя предыдущими и потому приведенные выше способы их реализации действительны и для создания безотходных производств.

Кроме этого, есть еще и специфические решения, к которым принадлежат санитарная очистка и обезвреживание отходов, замкнутый цикл водопользования и сокращение вспомогательных технологических и энергетических потоков.

5. Оптимальное использование оборудования есть пятой необходимой концепцией синтеза ХТС и осуществляется так:

а) интенсификацией процесса в аппарате вследствие выбора нового эффективного процесса (например, выбора значительно более активного катализатора), оптимизации процесса (осуществление процесса при оптимальных условиях - температуры, давления, концентрации реагентов и т.п.);

б) улучшением организации процесса в аппарате вследствие уменьшения диффузионного и теплового сопротивления, а также увеличение движущей силы процесса.

Движущую силу гетерогенного процесса можно увеличить, применив противоточный контакт фаз. Уменьшение диффузионного сопротивления достигается применением по возможности более простой конструкции аппарата Например, гетерогенный процесс в системе Г-Ж можно осуществить в реакторах разнообразнейший конструкций, в частности, колонне барботажного типа, насадочной колонне и трубчатом реакторе. Для конкретного модельного процесса эти аппараты характеризуются такими значениями произведения К-F, который как раз косвенно и характеризует диффузионное сопротивление каждого с выбранных аппаратов:

 

Тип конструкции аппарата	K∙F, c-1
Барботажная колонна	0,1-0,2
Насадочная колонна	до 0,4
Трубчатый реактор	До1-1,2

 

На основании приведенных значений величины К- F можно сделать вывод, что при одинаковых других условиях наиболее эффективным в этом случае будет применение трубчатого реактора, который имеет наименьшее диффузионное сопротивление;

в) лучшей организацией технологического процесса.

Рис18. Схема рекуперации теплоты отходящего потока продуктов реакции

с частичным дополнительным подогреванием исходных реагентов:

1 -реактор; 2 — теплообменник;3 — горелка

Пусть процесс проходит в реакторе 1 с небольшим экзотермическим тепловым эффектом (рис.18). Чтобы использовать эту теплоту для подогревания исходных холодных реагентов до необходимой температуры, нужно было бы значительно увеличить поверхность теплопередачи теплообменника-рекуператора 2, т.е. увеличить его размеры, что экономически невыгодно из-за высокой стоимости конструкционных материалов. Значительно экономнее осуществлять частичное подогревание реагентов, которые подаются в реактор 1, теплом дымовых газов, которые образуются вследствие сжигания топлива в горелке 3;

г) лучшими конструкционными решениями, которые направлены на выбор или создание оборудования с меньшими затратами конструкционных материалов;

д) увеличением мощности оборудования.

С увеличением мощности химико-технологической установки или агрегата уменьшаются удельные капитальные затраты вследствие получения большей массы товарного продукта в тех самых аппаратах. Так, при увеличении мощности установки вдвое удельные капитальные затраты снижаются на -20-24 %. Кроме того, существенно уменьшаются эксплуатационные и амортизационные затраты.

3. АНАЛИЗ ХТС