книги / Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза.-1

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

Неустановившиеся во времени / процессы в объектах с сосредоточенными координатами описываются уравнениями типа

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

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.

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