1. Рациональное использование материальных и энергетических ресурсов в химической технологии

1.1. Взаимосвязь энерго- и ресурсосбережения

Проблема рационального использования сырья и энергии имеет двоякий аспект: экологический и экономический. В соответствии с фундаментальными законами природы материалы и энергия, используемые людьми, не исчезают. Переработка материалов, являющихся сырьем для многих отраслей промышленности, приводит к появлению большого количества отходов, а энергия рассеивается, превращаясь из высоко- в низкопотенциальную – тепловую. Существует постоянный поток материалов и энергии от планетарных источников через экономику к планетарным стокам, где накапливаются отходы и загрязнения [1]. Очевидно, пределы темпов использования материалов и энергии должны соответствовать пределам темпов приема отходов планетарными стоками без ущерба природным процессам поглощения, регенерации и регулирования.

Энергетика играет решающую роль в нашем обществе, внося существенный вклад в социальное развитие и экономический рост. Можно констатировать [2], «что за истекшие без малого три десятилетия потребление энергии на душу населения существенно выросло, и одновременно произошла резкая дифференциация стран по эффективности использования энергии». «Проанализировав закономерности энергопотребления в различных странах земного шара, можно сделать два вывода: в последние десятилетия большинство развитых стран увеличивали не только количество потребляемой энергии, но и эффективность ее использования; наличие в стране сырьевых, а также ресурсо- и энергоемких отраслей промышленности (металлургия, химия и др.) снижает эффективность использования энергии. Эти выводы подтверждены не только примерами стран, ориентированных на производство и продажу сырья, но и высокоразвитыми странами (США, Канада, Великобритания)» [2].

Системообразующим стержнем всей промышленности является химическая и сопряженные с ней отрасли (нефтехимическая промышленность, черная и цветная металлургия и др.), связанные с использованием химических процессов. Без широкого ассортимента продукции химических отраслей современная промышленность практически не может существовать. Но, как известно, продукция химического комплекса характеризуется повышенным сырьевым и энергетическим индексом, причем доля материальной компоненты в структуре затрат на производство достигает 70 %. Табл. 1 дает представление о потреблении сырья и энергии в химической и нефтехимической промышленности [3].

Таким образом, проблема рационального использования материальных и энергетических ресурсов оказывается особенно важной в химической и смежной с ней отраслях промышленности.

1.2. Принципиальные пути рационального использования ресурсов

Энерго- и ресурсосбережение можно рассматривать в узком смысле как оптимизацию материальных и энергетических потоков существующих технологических процессов. В то же время эту задачу можно понимать и более широко как поиск новых путей рационального использования сырья и энергии для получения необходимых продуктов. Такой взгляд на проблему приводит к рассмотрению задачи рационального использования

Таблица 1.

Технико-экономические показатели по энерго- и ресурсопотреблению некоторых производств базовых химических продуктов (по данным НИИТЭХИМ в отраслевых организациях)* [3]

Наименование	Россия	Зарубежье	,%
Энергопотребление (Гкал /т)
1. Аммиак (удобрение, полупродукт) 2. Метанол 3. Карбамид 4. Сода каустическая 5. Сода кальцинированная 6. Тарное стекло (ккал/кг) 7. Первичная переработка нефти, вакуумная перегонка мазута 8. Каталитический крекинг 9. Гидрокрекинг 10.Коксование	9,6 – 10,3 11,2 – 12,6 1,3 – 1,8 1,3 – 1,8 1,0 – 1,5  2000 34,1 1 поколение 73,0 2 поколение 70,3 147 73	6,7 – 7,0 7,0 – 7,5  1,0 1,08 1,0 1250 19 – 21 21,8 67 46,9	32,5 30,0 35,5 30,3 20,0 37,5 40 60 54 37 5,0 6,2 2,7 50 30 5-10 50 -
Потребление сырья, т /т
Винилхлорид (для ПВХ) Этилен (ПЭ) высокого давления Этилен (ПЭ) низкого давления	1,05 1,78 1,1	1,00 1,67 1,07
Коэффициент выхода бензина. %
Каталитический крекинг Гидрокрекинг	1 поколение 25 2 поколение 34,2 3 поколение 44,6 Бензин – 24 Диз.топливо - 66	45 – 50 47 39

* Данные на 2000 год.

сырьевых и энергетических ресурсов на различных иерархических уровнях, начиная от молекулярного и кончая окружающей средой и рынком [3, 4]. В табл. 2 представлены принципиальные пути энерго- и ресурсосбережения на различных иерархических уровнях, условно названных как нано-, микро-, мезо-, макро- и мегамасштаб

Наномасштаб (молекулярный уровень)

Здесь речь идет о поиске химических реакций или их последовательности, обеспечивающих в идеальном случае безотходную технологию. При этом атомная эффективность, характеризующая степень использования атомов исходных реагентов, должна приближаться к 100 %. Это означает, что все компоненты, получающиеся в результате химической реакции (основы технологического процесса), должны являться используемыми продуктами.

Наличие отходов неизбежно уже из-за химизма некоторых реакций, положенных в основу производства ряда химических продуктов. Так, производство серной кислоты из железного колчедана сопровождается образованием отходов в виде так называемого «огарка» (Fe₂O₃):

4 FeS₂ +11O₂  2Fe₂O₃+8SO₂

0,5 О₂ Н₂О

SO₂  SO₃  H₂ SO₄

4 FeS₂+15O₂+8H₂O  2Fe₂O₃ +8H₂ SO₄ (1)

Применяя понятие атомной эффективности к реакции (1), можно рассчитать ее величину (71 %). Но при получении серной кислоты можно перейти на другое сырье и использовать вместо серного колчедана элементарную серу, окисляя ее до SO₂, или использовать SO₂, образующийся в качестве отхода на других предприятиях.

Путь замены реакций с низкой атомной эффективностью на новые каталитические процессы с полным использованием всех атомов исходных реагентов оказывается очень плодотворным для сокращения отходов (прямая экономия сырья за счет практического отсутствия побочных продуктов). Наномасштаб охватывает и перспективное решение таких задач, как разделение смесей, например, парамагнитных (О₂) и диамагнитных (N₂) молекул при продувании воздуха через пористый сверхпроводник.

На уровне наномасштаба огромное значение имеет катализ, в том числе и биокатализ, как радикальный прием снижения энергетических затрат и получения новых продуктов. Следует отметить, что катализ уже на данном этапе является основой химических производств. Доля каталитических процессов в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности составляет 80-85% и постоянно возрастает. В XXI веке роль катализа в обеспечении устойчивого развития еще более возрастет. Чтобы подчеркнуть особую роль катализа, достаточно упомянуть развитие химических процессов от синтеза аммиака (1910 г.) и метанола (1920 г.) до получения бензина из метанола (1980 г.) и окисления углеводородов оксидом азота (1996 г.)

Микромасштаб (уровень частиц, капель, пузырей)

На данном уровне задачи энерго- и ресурсосбережения должны сводиться к интенсификации процессов на межфазных поверхностях, образуемых частицами, каплями, пузырями. Эти процессы всегда имеют место в химических реакторах и узлах разделения смесей и сопровождаются переносом импульса, энергии и массы. Задачи переноса импульса, энергии и массы наиболее часто сопряжены друг с другом и поэтому особенно сложны. Существенное внимание необходимо уделять направленному развитию различного рода неустойчивостей при протекании вышеуказанных процессов. Интенсификация возникает и при наложении электрических, магнитных, центробежных полей, использовании ультразвуковых и низкочастотных колебаний.

Свой вклад в решение проблемы как на этом уровне, так и на уровне наномасштаба, может внести и интеграция процессов, понимаемая здесь как принцип одновременного химического превращения и разделения продуктов реакции. Напомним, что протекание обратимого химического превращения смещается в сторону прямой реакции, если непрерывно удалять продукты из зоны реакции.

Мезомасштаб

(уровень реакционного узла и системы разделения).

Здесь проблема рационального использования материалов и энергии решается путем создания новых, совершенствования традиционных процессов разделения и реакционного узла. Существенный эффект вносит оптимизация традиционных способов разделения, таких как ректификация, абсорбция, экстракция, кристаллизация. Экономия достигается и созданием новых типов химических реакторов, ориентированных на проведение каталитических процессов.

Решение проблем разделения гомогенных смесей энерго- и ресурсосберегающими способами реализуется при интеграции различных методов. Такое сочетание способов разделения позволяет создавать комплексные системы, объединяющие достоинства и компенсирующие недостатки каждого из методов в отдельности. Особенно привлекательной выглядит идея объединения реакционного узла и системы разделения (выделения продуктов) в одном аппарате. Такие процессы получили название направленно совмещенных (гибридных). Уже существуют реакционно-ректификационные, реакционно-сорбционные, реакционно-мембранные и другие совмещенные процессы.

На уровне реакционного узла и системы разделения возможно как технологическое, так и энерготехнологическое комбинирование, т.е. сопряжение материальных и энергетических потоков.

Макромасштаб (уровень агрегата, завода)

На этой стадии решающее значение приобретают интеграция и оптимизация технологических процессов и систем целого завода (химического комбината). При этом сопряжение материальных и энергетических потоков выполняется в масштабах целого предприятия.

Интеграция и оптимизация энергетических и материальных потоков крупных химических производств может дать экономию общих энергозатрат (по данным Linhoff March) для нефтехимии, неорганических производств, малотоннажной химии – до 30 %, для производств смол – до 25 %, пигментов – до 15 %, пищевых продуктов – до 25 % [3].

Результаты инновационной деятельности, заключающиеся в комплексном подходе к проблеме энерго- и ресурсосбережения, могут быть наглядно продемонстрированы на примере такого важного производства, как синтез аммиака. Удельные затраты энергии при производстве аммиака реально приблизились к теоретически возможным в результате улучшения катализатора (нано- и микромасштаб), внедрения турбокомпрессоров (мезомасштаб) и создания интегральной энерготехнологической схемы (макромасштаб).

Мегамасштаб (окружающая среда / рынок)

Уровень мегамасштаба представлен рынком и окружающей средой. При этом требования рынка, направленные на обеспечение возрастающих потребностей общества в химических продуктах, необходимо удовлетворять при безусловном решении задач, связанных с охраной биосферы от диспропорций. Иными словами, химические процессы должны становиться чище, использовать меньше энергии и поставлять хорошо очищенные продукты. Как уже отмечалось, кардинальное решение этих проблем состоит в поиске новых путей химического (биохимического) синтеза для создания безотходных технологий, «чистых» способов подготовки исходного сырья и очистки продуктов. Но в реальных условиях полностью избавиться от отходов и влияния предприятия на окружающую среду невозможно. Поэтому на данном этапе задачи энерго- и ресурсосбережения, как правило, связаны с использованием отходов в качестве вторичных источников сырья и энергии.

Безусловно, с целью глобальной экономии материальных ресурсов и энергии необходим переход на возобновляемые источники энергии и безотходные производства. Однако реальное положение дел не позволяет обходиться без очистных сооружений, что, естественно, увеличивает себестоимость продукции. Причем, роль инноваций здесь, по-прежнему, очень важна. Так, на основе энергосберегающего способа каталитической очистки газов от токсичных примесей (реверс-процесс) [5] разработаны и успешно применяются промышленные процессы очистки газов от оксидов азота, токсичных органических примесей и аммиака, окисления диоксида серы в триоксид с последующей абсорбцией и получением товарной серной кислоты.

В данном пособии не представляется возможным детально изучить все способы рационального использования материальных и энергетических ресурсов в химической технологии, поэтому речь пойдет о более подробном знакомстве с принципами интеграции основных процессов химической технологии, включая химические.