Проектирование энерго- и ресурсосберегающих процессов в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии

2.1 Описание технологической установки
Цель курсовой работы – формирование практических навыков организации энерго- и ресурсосберегающих промышленных производств на основе совершенствования химических, нефтехимических и биотехнологических процессов.
В настоящее время в нефтехимической промышленности используются установки нового типа, в которых гетерогенно-каталитические реакций осуществляются в СВЧ-поле.

2.1.1 Применение СВЧ-волн в нефтехимической промышленности

Особый интерес представляет использование микроволнового излучения для подвода энергии в реакционную зону при осуществлении эндотермической реакций дегидрирование олефинов в диолефины [1].
Как правило, процессы гидрирования и дегидрирования происходят с участием полярных и неполярных молекул углеводородов. Поскольку превращения неполярных углеводородов в реакциях гидрирования и дегидрирования, в отличие от конверсии органических молекул, не имеет преимуществ дипольной поляризации, наиболее часто реализуемой в органическом синтезе под воздействием микроволнового излучения [2-4]. Так, реакцию дегидрирования метилбутенов можно осуществить без большого количества водяного пара, который используется в качестве теплоносителя и разбавителя углеводородов, с помощью СВЧ-излучения.
С целью реализации предложенной технологии разработана конструкция СВЧ-реактора [5]. Применение СВЧ в промышленных процессах существенно улучшит экологическую обстановку на предприятиях и снизить потребление природных ресурсов. Так, использование СВЧ-реакторов для дегидрирования изоамиленов в изопрен на ОАО «Синтез-каучук» в г. Стерлитамак снизит потребление воды на 749 м3/час, что составит 6378540 м3/год, поскольку в этой реакции в качестве энергоносителя используется не водяной пар, а электромагнитное СВЧ-излучение, благодаря которому водяной пар можно заменить на инертный газ, который в будет использоваться в замкнутом цикле в качестве разбавителя углеводородов для снижения парциального давления. Замена разбавителя, в свою очередь, сократит количество сбросов. Например, при использовании традиционной технологии в результате конденсации разбавителя сырья – водяного пара, образуются сточные воды, которые содержат в своем составе до 43 мг/л углеводородов, в том числе и 5,365 кг/ час вредных веществ. Применение СВЧ-реакторов в технологии дегидрирования способна сократить выброс вредных веществ на 45,7 т/год, а при замене всех реакторов на СВЧ-реакторы – на 548,4 т/год. Также значительно сокращается образования выбросов в виде продуктов сгорания при использовании пароперегревательных печей, в которых углеводородное сырье нагревается до 500-550 °С, а водяной пар – до 700-750 °С.
Применение СВЧ-излучения повышает эффективность и других реакций, например, олигомеризацию углеводородов и синтеза промышленных катализаторов [6-7].
Важной проблемой экологической безопасности химического производства является обезвреживание образующихся отходов перед утилизацией или переработкой для получения сырья, полуфабрикатов или товарной продукции.
Имеющиеся традиционные технологии обезвреживания и переработки отходов производства малоэффективны, и образующиеся отходы не используются, а скапливаются на полигонах. Использование разработок, основанных на использовании физических методов, в частности электромагнитного излучения, позволяет расширить спектр обезвреживаемых и утилизированных веществ, что существенно снизит количество хранящихся отходов, особенно тех, которые представляют экологическую опасность.
Многочисленные исследования промышленных процессов под действием СВЧ-излучения показали их высокую эффективность. Так, в работе [8] предложен новый метод обезвреживания отработанных промышленных катализаторов, что расширит спектр использования отработанных промышленных катализаторов.
В качестве примера рассмотрим преимущества обезвреживание твердых сред, содержащих оксиды металлов, с помощью СВЧ-излучения, по сравнению с термическим разложением:
- содержание СrO3 уменьшается в 10-130 раз;
- энергозатраты снижаются в два раза, по сравнению с традиционным термическим способом;
- время обезвреживания сокращается;
- пары СrO3 (VI) и других токсичных веществ, входящих в отработанного катализатора в процессе обезвреживания не выбрасываются в атмосферу, а поглощаются наружными слоями обезвреживаемого катализатора или конденсируются на поверхности гранул.
Данная технология предназначена для обезвреживания отработанных катализаторов, содержащих токсичные оксиды металлов, производств химической и нефтехимической промышленности.
Одной из последних разработок является технология переработки углеводсодержащих отходов нефтепереработки и нефтехимии, хранимых на полигонах, с использованием микроволнового излучения. Суть разработанной технологии состоит в следующем: под действием микроволнового излучения частотой 2450 МГц происходит конверсия углеводородсодержащих отходов, в результате которого происходит извлечение непредельных ароматических углеводородов, а битуминозный остаток утилизируются в производстве дорожных покрытий. Для интенсификации процесса в качестве приемника и трансформатора микроволн в тепловое излучение используются отработанные катализаторы нефтехимического производства.
Таким образом, общая эффективность использования микроволнового излучения с целью обеззараживания углеводородосодержащих отходов, по сравнению с традиционным термическим нагревом, отличается высоким качеством очистки, отсутствием вредных продуктов переработки, высокой скоростью технологического процесса и низкими энергетическими затратами.

2.1.2 Традиционный и нетрадиционный способы получения бутадиена

Рассмотрим процесс изомеризации углеводородов, широко используемый в промышленности, который очень часто является начальным этапом синтезов. Следующие реакции изомеризации бетенов, а именно: миграция двойной связи, цис-транс-изомеризации, протекают в присутствии гетерогенных катализаторов.
Для получения мономеров синтетических каучуков, например, бутадиенового и изопренового, используются процессы изомеризации на твердом катализаторе в твердой фазе. Поэтому, подобная реакция представляет огромный практический интерес.
Схема традиционной технологии получения бутадиена представлена на Рис. 1.



Рис. 1. Традиционная технология получения бутадиена дегидрирование бутенов [1].


На Рис. 2. представлена схема получения бутадиена с использованием СВЧ-реактора.
Указанные схемы, изображенные на Рис. 1-2, включает следующие элементы конструкции: