Концепция полного использования сырья

Оптимальному использованию сырьевых ресурсов отвечает выполнение нескольких условий организации труда с учетом конкретных затрат на всех этапах переработки.

Концепция полного использования сырья направлена на максимальный вклад целевого продукта, максимальное превращение сырья в полезные продукты.

Рассмотрим некоторые методы достижения этой цели [6,7,8,13].

Выбор схемы процесса – важнейший этап, на котором можно добиться улучшения использования сырьевых ресурсов. Винилхлорид получают в две стадии – хлорирование этилена и дальнейший пиролиз образовавшегося дихлорэтана:

Избирательность каждой из стадий 95%, образуется НСl как отход. Выход винилхлорида по этилену - 90%, а по второму веществу, хлору, – 50%.

Перейдя к одностадийной схеме окислительного гидрохлорирования с заменой одного из продуктов – (хлора) на другой (хлористый водород)

с избирательностью 95%, удалось разработать процесс с 95%-м выходом продукта по обоим исходным компонентам.

Избыток одного из реагентов – как правило, более дешевого и доступного, а также возможность вернуть его в процесс. Используют два фактора влияния избытка реагента на увеличение выхода продукта [7].

а) Термодинамический фактор заключается в том, что избыток одного реагента увеличивает равновесное превращение другого. В паровой конверсии метана (СН₄ + Н₂О = СО + 3Н₂) стехиометрическое соотношение реагентов СН₄:Н₂О = 1:1. В промышленных условиях (Р = 30 МПа, t = 900ºС) равновесная степень превращения СН₄ для исходной смеси указанного состав Х_р = 0,58. При соотношении СН₄:Н₂О = 1:4 (четырехкратный избыток Н₂О) Х_р = 0,96. Это соотношение использовано в промышленности.

б) Кинетический фактор обусловлен особенностями механизма и кинетики протекающего процесса. В окислении аммиака 4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O стехиометрическое соотношение реагентов О₂:NH₃ = 1,25. Реакция протекает во внешнедиффузионной области и лимитируется переносом аммиака на поверхность катализатора – его концентрация у поверхности катализатора мала. При стехиометрическом соотношении реагентов также мала будет концентрация кислорода. В этих условиях NH₃ окисляется в основном до N₂. Необходим избыток кислорода, чтобы он вытеснил аммиак с поверхности катализатора, и тогда последний окисляется преимущественно до NO. Используя соотношение О₂:NH₃ = 1,8, создают оптимальный избыток кислорода на поверхности катализатора, что позволяет с высокой селективностью окислить NH₃ в NO.

Противоточный контакт фаз–известное решение, обеспечивающее максимальную движущую силу процесса переноса, например противоточное движение теплоносителей в теплообменнике, абсорбция водой оксидов азота. Противоточное движение фаз при абсорбции окислов азота водой представлено на рис. 2.2.

Рис. 2.2 Схема противоточного движения фаз

в абсорбционной колонне

Для максимального поглощения оксидов жидкая фаза должна быть слабокислой. В верхней части абсорбера, куда подается вода, концентрация кислоты минимальная, и отходящие газы содержат мало оксидов азота. Поглощение происходит почти полостью. Это характерно для всех сорбционных процессов.

Рецикл используют при неполном превращении исходных реагентов. Для этого в системе разделения после реактора выделяют непрореагировавшие реагенты и возвращают в химический процесс. Типичным примером являетсясинтез аммиака, в котором после конденсации и сепарации аммиака оставшуюся азотоводородную смесь снова направляют в реактор. Во многих процессах нефтехимического синтеза образуется целый ряд продуктов. Их разделяют в многоколонной системе, и выделенный исходный компонент возвращают в систему вместе со свежей смесью. В этих случаях при неполном превращении реагентов в реакторе общее превращение исходного компонента в системе будет полным.

Регенерация с рециклом. В процессах с рециклом часто применяют вспомогательные материалы, которые вводят после проведения химической реакции и регенерируют на стадии выделения целевых продуктов или непрореагировавшего сырья. Например, в схеме очистки азотоводородной смеси от СО₂ в производстве аммиака используют абсорбент – моноэтаноламин (МЭА) (см. рис.2.3). При абсорбции СО₂ водным раствором МЭА в абсорбере 1 реакционную смесь подогревают (аппарат 2) и направляют на десорбцию. В десорбере 3 выделяют СО₂, а регенерированный раствор МЭА возвращают на абсорбцию.

В случае синтеза стирола дегидрированием этилбензола в систему ректификации продуктов реакции добавляют элементарную серу для предотвращения полимеризации стирола. Продукты реакции вместе с серой накапливаются в кубовых остатках ректификации стирола (КОРС). Серу регенерируют растворением в углеводородной среде с последующей ее кристаллизацией при охлаждении.

Рис. 2.3 Схема регенерации МЭА

Утилизация отходов позволяет получить дополнительные полезные вещества из побочных продуктов реакции, практически всегда образующиеся вместе с целевым продуктом (непрореагировавшие исходные вещества, побочные продукты реакции и примеси, имеющиеся в сырье). При синтезе аммиака часть циркулирующей азотоводородной смеси непрерывно выводят из системы. Это связано с тем, что свежая азотоводородная смесь содержит незначительное количество примесей, в основном метан, который не выводится с аммиаком и накапливается в цикле. Для предотвращения значительного накопления, приходится часть потока выводить из системы (как говорят, «необходима отдувка»), что мало сказывается на полноте использованного сырья. В производстве аммиака применяют воздух как источник азота. С воздухом в азотоводородную смесь попадает аргон. Выделяя аргон из отходящего газа, получают дополнительный ценный продукт.

Производство фенола и ацетона кумольным методом включает последовательные стадии синтеза изопропилбензола, гидропероксида изопропилбензола и кислотного разложения последнего на фенол и ацетон:

Рис. 2.4 Блок-схема утилизации фенольной смолы

Утилизация фенольной смолы позволяет извлечь до 85% ценных химических продуктов (рис. 2.4).

Альтернативное сырье.Использование невозобновляемого сырья заставляет искать не только способы его полного использования, но и другие сырьевые источники. Использование отходов других производств – одно из направлений расширения сырьевых источников. Другое направление – альтернативные источники первичного сырья.

Получение сырья для нефтехимической промышленности в основном базируется на трех ведущих процессах переработки нефти – каталитический крекинг (насыщенные и ненасыщенные углеводороды С₃ – С₄), термический пиролиз (этилен и другие низшие олефины) и каталитический риформинг (бензол и другие ароматические углеводороды). Нефтепереработка обеспечивает также выработку таких важных продуктов, как моторные топлива (бензин, дизельное топливо и др.). Относительная ограниченность запасов нефти при высоких объемах ее добычи, ухудшение качества нефти вновь открываемых месторождений и, как следствие, значительный рост затрат на их разработку обусловливают изменение структуры и диверсификацию сырьевого баланса для получения моторных топлив и органического синтеза. В этом отношении большую перспективу имеют другие горючие ископаемые (см. рис. 2.5).

Уголь – самое распространенное углеродсодержащее полезное ископаемое. По оценке мировой энергетической комиссии (МИРЭК – ХII), извлекаемые запасы угля составляют 720 млрд.

Рис. 2.5Основные направления переработки некоторых видов сырья альтернативных нефти

тонн условного топлива (т.у.т.), а потенциальные ресурсы достигают 10500 млрд. т.у.т.

Интерес к углю, как альтернативному источнику сырья за последние годы возродился. Известны несколько методов, которые используются для превращения угля в жидкие углеводороды и топливо. Наибольшее значение приобрели гидрогенизация угля и газификация до СО и Н₂ с последующим каталитическим синтезом углеводородов.

Существуют два основных направления переработки синтез-газа. Первое – превращение синтез-газа в этилен и другие углеводороды, которые в свою очередь могут быть переработаны в промышленно важные химические продукты. Второе направление – прямое превращение синтез-газа или метанола, полученного из синтез-газа, в целевые продукты органического синтеза и моторные топлива.

Моторные топлива и сырье для органического синтеза могут быть получены также из битуминозных нефтей, сланцев, природного газа.

Использование возобновляемых сырьевых ресурсов.В связи с непрерывным удорожанием полезных ископаемых для производства органических продуктов и полимерных материалов все в больших масштабах начинают применять продукты растительного происхождения. Помимо древесины потенциальным растительным сырьем вступают продукты (полуфабрикаты, отходы) сельского хозяйства (меласса, крахмал и др.).

Лесоперерабатывающая промышленность нашей страны использует более 240 млн. м³/ год или 70% всей заготовленной древесины. Продукты, получаемые после первичной химической обработки древесины, играют важную роль в производстве пластмасс, искусственного волокна и полимерных материалов. Кроме того, выработка этанола и углеводородов из древесины уменьшает потребление для этих целей пищевого сырья.

Возрастает перечень новых материалов, производимых из древесины. Создан королитматериал со свойствами деревобетона, который получается после специальной обработки коры деревьев – отхода лесообрабатывающей отрасли [6].

Комбинированные химико-технологические процессы и комплексное использование сырья.Комбинированное производство, или комбинированная химико-технологическая система, представляет собой комплекс взаимосвязанных технологических процессов для производства одного или нескольких продуктов [6,7].

Характерным примером является совместное производство карбамида СО(NН₂)₂ и аммиака NН₃. Карбамид, получают взаимодействием NН₃ и СО₂:

Оба исходных вещества образуются в аммиачном производстве:

Таким образом, из 1 моля СН₄ можно получить 1 моль карбамида и 2/3 моль аммиака. Оба технологических процесса объединены не только линиями передачи СО₂ и NН₃, но и другими вспомогательными связями – материальными и энергетическими. Понятно, что можно организовать и две отдельные ХТС, продукты одной из которых являются сырьем для другой. Поэтому грань между комбинированным производством и последовательностью отдельных производств условна.

Классифицируем комбинированные производства. Первый, подобный описанному выше, - взаимосвязанные ХТС для производства двух и более продуктов. Второй тип – комбинированные взаимосвязанные различные химико-технологические процессы (или ХТС), производящие один продукт. Пример – производство винилхлорида. Исходным сырьем для него является этилен, получаемый пиролизом нафты, основным процессом – хлорирование этилена. Можно продолжить два варианта комбинирования производства второго типа. Первый вариант заключается в следующем. Этилен разделить на два потока и один из них направить на процесс хлорирования. Выделяющийся при этом хлороводород направить на окислительное хлорирование этилена до винилхлорида.

Другой вариант основан на изменении условий пиролиза, при которых можно получить в равных количествах этилен и ацетилен. Этилен хлорируют до винилхлорида, а выделяющийся НСl направляют на гидрохлорирование ацетилена с получением также винилхлорида.

В обоих вариантах почти вдвое сокращается расход одного из компонентов – хлора. При таком комбинировании получают в двух связанных друг с другом различных химико-технологических процессах один и тот же продукт. Кроме того, во втором варианте оба процесса получения продукта технологически зависят от третьего – пиролиза нафты.

Более высоким уровнем комбинирования производств было бы замкнутое производство. В него поступает сырье и выходят только полезные потребляемые продукты для других производств. Вспомогательные материалы, имеющиеся отходы химико-технологического процесса полностью используются для обеспечения процесса в замкнутых циклах. Производств, полностью отвечающих определению замкнутого, практически нет.

Комбинированное химическое производство не решает до конца проблемы использования всего вещественного (или компонентного, элементного) потенциала сырья. Замкнутое производство нереально из-за многокомпонентности сырья. Полное использование вещественного потенциала сырья возможно при комплексной переработке сырьевых ресурсов, обеспечиваемой многими отраслями промышленности.

Примером комплексного использования большинства составляющих компонентов минерального сырья является начатая в химической промышленности переработка апатито-нефелиновых руд Кольского полуострова. Она предусматривает получение апатитового, нефелинового, титаномагниевого и сфенового концентратов и их последующую переработку в фосфорные и бесхлорные калийные удобрения, глинозем, кальцинированную соду, поташ, коагулянты, фтористые соли, портланд-цемент, извлечение диоксида титана и соединений редких металлов.

Концепция полного использования сырья реализуется в стремлении углубить переработку нефти и получить из нее максимум целевых продуктов. Разработанные и применяемые ныне технологические процессы переработки тяжелых остатков нефти позволяют увеличить отбор светлых нефтепродуктов до 75-80%.

Комплексная переработка сырья – наиболее перспективное направление в решении концепции полного использования сырьевых ресурсов.

Контрольные вопросы по ІІ разделу

«Ресурсы. Рациональное использование сырья и материалов »

1. Определение терминов: резервы, запасы, ресурсы

2. Классификация резервов и запасов нефти и газа

3. Понятие «безотходность» в химической промышленности

4. Пути оптимального использования сырьевых ресурсов

5. Классификация сырья

6. Способы добычи и подготовки сырья

7. Концепция полного использования сырья