1.4 Химические принципы

Химические принципы отражают общую тенденцию в созда­нии новых производств и совершенствовании действующих. Общ­ность их заключается в том, что все они реализуются в виде кон­кретных химических приемов и методов, позволяющих приблизить производство к безотходному ресурсосберегающему производству.

Создание малостадийных (одностадийных) химических процессов. Сокращение химических стадий при получении из сырья целевых продуктов снижает, как правило, количество побочных продуктов. При этом также не только сокращаются расходы энергии, но и умень­шается число потоков, которые необходимо перерабатывать и энер­гию которых необходимо утилизировать. В таких технологических процессах в большинстве случаев сокращается количество газовых потоков и воды, которые следует очищать от вредных примесей. В конечном счете себестоимость продукта, полеченного по методу с меньшим числом стадий, как правило, ниже.

Разработка методов получения продуктов из доступного и дешево­го сырья. Как правило, все новые методы получения продуктов ос­новного органического и нефтехимического синтеза направлены на замену сырья более дешевым, сокращение числа стадий, уменьшение энергетических затрат, а также количества побочных продуктов.

Рассмотрим несколько примеров. Наиболее характерным яв­ляется замена пищевого сырья на непищевое (в основном нефтя­ное) в производстве бутадиена. Такая замена в свое время позволи­ла существенно уменьшить издержки производства, поскольку себестоимость бутадиена из синтетического спирта в 2 раза ниже себестоимости бутадиена из пищевого сырья, а удельные капиталь­ные вложения при производстве бутадиена из синтетического сы­рья ниже в 3 раза.

При производстве ацетальдегида прямым окислением этилена достигается экономия эксплуатационных затрат на 15% по срав­нению с затратами на парофазную гидратацию ацетилена. Подоб­ным же примером может служить производство винилацетата из ацетилена и этилена. Сравнение технико-экономических показа­телей производства винилацетата парофазным методом из ацети­лена и уксусной кислоты и винилированием уксусной кислоты по­казывает преимущество последнего (издержки производства ниже на 15 %). Причем основная часть экономии достигается за счет сни­жения затрат на сырье.

Разработка высокоэффективных процессов. Одним из основных принципов, позволяющих наиболее полно использовать сырье для получения целевых продуктов, является повышение селективнос­ти процессов. Селективность процесса зависит прежде всего от ка­тализатора, а также от условий проведения процесса: температуры, давления, концентрации реагентов, растворителя (в случае жидко-фазных процессов), времени пребывания реагентов в зоне реакции и других параметров, а также типа реактора. При этом выбор опти­мальных параметров позволяет достигнуть максимальной селектив­ности процесса.

Применение «сопряженных» методов. Наиболее ярким при­мером такого производства является «кумольный» метод получения фенола и ацетона. По данному методу из изопропилбензола одно­временно получают два ценных продукта: фенол и ацетон. В этом случае себестоимость фенола значительно ниже, чем себестоимость фенола, получаемого другими методами (из каменноугольной смо­лы - в 1,8-3,0, из сланцев - в 4,5, из торфа - в 1,1, из продуктов лесохимии - в 1,05 раза).

При взаимодействии пропилена и гидропероксида этилбензола одновременно получается два ценных продукта: пропиленоксид и стирол; при взаимодействии пропилена и гидропероксида - трет-бутила - пропиленоксид -изобутилен и триметилкарбинол; совме­стное окисление пропилена и ацетальдегида позволяет получать про­пиленоксид и уксусную кислоту, а совместное окисление пропилена и изопропилового спирта - пропиленоксид и ацетон и т. д.

Следует также отметить, что все «сопряженные» методы позволяют бо­лее полно использовать сырье на получение целевых продуктов, характеризуются меньшим количеством побочных продуктов, а так­же меньшими энергетическими затратами.

Разработка технологии, позволяющей достигать высоких конвер­сии. Достижение высоких конверсии реагентов за один проход име­ет большое значение при создании безотходных производств. Это обусловлено тем, что при малых конверсиях необходимы большие рециклы по сырью, которые будут приводить к значительным энер­гетическим и капитальным затратам; кроме того, при больших ре­циклах будут и большие потери этих веществ в окружающую среду.

Конверсия зависит от параметров процесса (температуры, дав­ления, скорости подачи реагентов, их соотношения, теплового эффекта и т. д.). Вместе с тем некоторые параметры, которые приво­дят к повышению конверсии, могут вести к понижению селек­тивности, а это приводит, в свою очередь, к увеличению выхода побочных продуктов. В связи с этим необходимо подбирать оп­тимальные условия проведения процесса.

Совмещение нескольких реакций, направленных на получение од­ного и того же целевого продукта. При получении многотоннажных продуктов требуется, как правило, подводить большое количество тепла или отводить его из реакционных устройств, что представля­ет сложную задачу.

Вместе с тем, в одном аппарате можно проводить, по крайней мере, две реакции, имеющие противоположные теплоты, т. е. одна из них должна протекать с подводом тепла, а другая - с его отводом. В этом случае условия их протекания в реакторе приближаются к адиаба­тическим. Подобная организация значительно снижает теплоту суммарного процесса и сокращает энергию на его проведение.

Кроме того, при совмещении реакций, как правило, повыша­ются конверсии основного сырья и выход целевого продукта. Это обусловлено тем, что один из продуктов основной реакции вступа­ет в следующую реакцию, что смещает равновесие в сторону обра­зования целевого продукта.

Таким примером могут служить технологии окислительного де­гидрирования различных углеводородов и спиртов. В этих процес­сах применяются в качестве катализаторов оксиды и соли металлов переменной валентности IV, V и VI групп, на которых выделяющий­ся водород связывается кислородом. Благоприятное воздействие на такие процессы оказывают инертные разбавители, такие как вода, азот, оксид углерода и др.