Химическая технология

Введение Химическая технология - одна из самых энергоемких отраслей промышленности. Однако только 35-40 % энергии, потребляемой химическим производством, расходуется рационально. Остальное составляют потери. Ситуация осложнена тем, что большинство существующих химических технологий было запроектировано, создано или приобретено еще во времена СССР, т.е. при дешевой энергии, когда вопросам ее экономии не уделялось должного внимания. Значительный рост цен на энергоносители при большой энергоемкости отечественных производств сделал их убыточными. В настоящее время для всех химических предприятий требуется выявление резервов возможной экономии энергии, широкое внедрение энергосберегающих мероприятий, модернизация существующих технологий и оборудования с целью снижения энергозат. Государство, региональные и муниципальные органы власти принимают меры, направленные на развитие энергосбережения. В частности, 23 ноября 2009 г. был принят Федеральный закон Российской Федерации № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Разработана государственная программа Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года». Энерго- и ресурсосбережение – это не только техническая проблема. Она имеет и социальную и воспитательную стороны. Следует понимать, что впустую тратить энергию, питьевую воду, металл и другие ресурсы не только экономически не выгодно, но также и аморально, как, например, выбрасывать хлеб. Их выработка требует не меньших затрат труда, а холод и отсутствие света не менее страшны для человека, чем голод. Используя природные ресурсы нельзя забывать и о нуждах последующих поколений. 1. Актуальность и потенциал энергосбережения Российская экономика является одной из наиболее энергоемких в мире – в 2,5 раза выше среднемирового уровня и в 2,5-3,5 раза выше, чем в большинстве развитых стран. Доля затрат энергии в себестоимости продукции и услуг составляет в среднем: сельском хозяйстве – 11%, на транспорте – 17%, в промышленности – 18%, а в ряде энергоемких производств, в том числе в химической промышленности, достигает 40%-60%. Высокая энергоемкость производства в России приводит к высокому уровню себестоимости продукции, снижает конкурентоспособность отечественных товаров и замедляет развитие экономики страны. Принятая в стране программа широкомасштабного энергосбережения основывается на следующих предпосылках: - реализация имеющегося потенциала энергосбережения при восстановлении и развитии промышленности и народного хозяйства в целом в течении ближайших 15-20 лет позволит обходиться практически без ввода новых энергетических мощностей. Ввод мощностей требует больших инвестиций и времени, которыми страна не располагает; - при внедрении энергосберегающих технологий затраты на высвобождение 1 кВт мощности в среднем в 3-5 раз ниже затрат на ввод 1 кВт новой мощности; иначе говоря – затраты на проведение энергосберегающих мероприятий в 3-5 раз ниже, чем инвестиции на альтернативную добычу и производство топливно-энергетических ресурсов; - срок окупаемости затрат на энергосберегающие мероприятия в несколько раз ниже этого показателя при вводе новой мощности; срок окупаемости многих мероприятий, связанных с энергосбережением, не превышает 1-2 лет; - при энергосбережении экономится топливо и соответственно снижаются затраты на его добычу, транспортировку и хранение; - при экономии сжигаемого топлива снижаются вредные выбросы, в том числе выбросы диоксида углерода, примерно 1,5 т СО2 на каждую тонну сэкономленного условного топлива; снижается влияние продуктов сгорания топлива на состояние окружающей среды; - при снижении потребления энергии снижается плата за нее и соответственно себестоимость продукции; это приводит к повышению ее конкурентоспособности. Российская Федерация располагает одним из самых больших в мире технических потенциалов повышения энергоэффективности, который составляет более 40% от уровня потребления энергии. В абсолютных объемах это 403 млн. тонн условного топлива, а с учетом сокращения сжигания попутного газа в факелах – порядка 420 млн. тонн. Ресурс повышения энергоэффективности следует рассматривать как один из основных энергетических ресурсов будущего экономического роста. Соответственно, энергосбережение может явиться одним из главных рычагов для подъема экономики. Применение энергосберегающих мероприятий должно сопровождаться их всесторонним и серьезным анализом при одновременном учете технологических, экономических, социальных и других обстоятельств. 2. Актуальность ресурсосбережения Ресурсосбережение является одним из наиболее эффективных видов энергосбережения, поскольку на производство любой химической продукции расходуется существенное количество энергии. Для примера приведем ориентировочные значения энергозатрат на производство 1 тонны некоторых продуктов, выраженные в тоннах условного топлива (т у.т.): стекловолокно – 6 т у.т./т; химические волокна – 4,7 т у.т./т; сода каустическая – 2 т у.т./т; каучук – 1,9 т у.т./т; стеклопластик – 1,7 т у.т./т; синтетические смолы – 1,4 т у.т./т; метанол – 0,8 т у.т./т. Доля энергозатрат в себестоимости водопроводной воды достигает 45%. В России потребление воды только через городские системы хозяйственно-питьевого водоснабжения достигает 15 км3 в год. Удельное потребление хозяйственно-питьевой воды достигает в среднем 330 л в сутки на человека, что на 15-20% выше, чем в развитых странах. При этом производственное потребление воды значительно выше хозяйственно-питьевого потребления – более 65% потребляемой пресной волы приходится на долю промышленности, из них на охлаждение оборудования около 30%. В действующих химических производствах вода в больших количествах потребляется производствами аммиака, метанола, азотной кислоты, хлора, пластмасс и др. Например, в производстве аммиака один компрессор для сжатия смеси азота и водорода потребляет около 450 м3/ч оборотной воды, а холодильники моноэтаноламинового раствора расходуют до 1800 м3/ч охлаждающей воды. При производстве поверхностно-активных (моющих) веществ на 1 т продукции расходуется 150-210 м3 воды. В химических и нефтехимических производствах, как правило, применяют систему оборотного водоснабжения, для эксплуатации которой требуется мощное насосно-градирное оборудование (градирни с естественной и принудительной вентиляцией, отстойники, фильтры, разветвленная сеть трубопроводов). Система оборотного водоснабжения имеет ряд существенных недостатков: на испарение в атмосферу теряется 8-12% общего объема циркулирующей воды, поэтому требуется дополнительная подпитка свежей водой; вода насыщается кислородом, что приводит к повышенной коррозии теплообменного оборудования; при длительной эксплуатации в охлаждающей воде накапливаются жесткие осадки, микрофлора и ил. Образующиеся в трубном и межтрубном пространстве теплообменников различные виды отложений ухудшают процесс теплопередачи. Стоимость охлаждающей воды в оборотных системах зависит от климатического района, уровня эксплуатации, состояния оборудования, наличия водных бассейнов и ряда других факторов. Для современных химических производств с развитой схемой водоснабжения стоимость 1000 м3 воды составляет около 2000 руб.1 Важной составляющей ресурсосбережения является снижение материалоемкости (металлоемкости) производственного оборудования, так как при этом достигается двойной эффект – сбережение энергии и уменьшение загрязнения окружающей среды, связанного с добычей и подготовкой сырья, производством материалов, выплавкой металла, их транспортировкой. При уменьшении материалоемкости отдельных изделий снижаются их масса и габариты, а следовательно и затраты на монтаж оборудования, экономятся производственные площади. Снижение массы и размеров вращающихся элементов, например, при изготовлении полых валов из труб, может уменьшить мощность двигателя и, соответственно, энергозатраты на вращение системы. Запасы многих полезных ископаемых невосполнимы, ограничены и значительно истощены. Кроме того, усложнились горно-геологические условия добычи сырья и ухудшилось качество некоторых его видов. Например, среднее содержание железа в сырой руде за последние 40 лет уменьшилось от 46% до 30%. Большое значение ресурсосбережения состоит в природоохранной функции. Необходимо стремиться к снижению отходов производства и к повторному, полезному использованию этих отходов, так называемых вторичных ресурсов. 3. Энергетические ресурсы на химических предприятиях Энергетический ресурс – материальный объект, в котором сосредоточена энергия, пригодная для практического использования человеком, носитель энергии. Структура потребления энергоресурсов в России в целом примерно следующая: газ – 48%, нефть – 24%, уголь – 21%, ядерное топливо – 5,5%, остальное (гидроэнергия, торф, дрова и др.) – 1,5%. Первичный энергоресурс – энергоресурс, который не подвергался какой-либо переработке непосредственно находящиеся в природе (солнечная энергия, ветер, месторождения нефти и газа и т.д.). Первичные энергоресурсы извлекают из окружающей среды. К первичным энергоресурсам ( ЭР) принято относить традиционные: нефть, газ, уголь, атомную и гидроэнергию, а также нетрадиционные возобновляемые энергоресурсы ( НВЭР): солнечную, ветровую, геотермальную, гидроэнергию малых рек, энергию морских течений, волн, приливов, температурного градиента морской воды, низкотемпературного тепла Земли, воздуха, биомассы животного, растительного и бытового происхождения, водородную энергетику. Первичные энергоресурсы извлекают из окружающей среды. К первичным энергоресурсам ( ЭР) принято относить традиционные: нефть, газ, уголь, атомную и гидроэнергию, а также нетрадиционные возобновляемые энергоресурсы ( НВЭР): солнечную, ветровую, геотермальную, гидроэнергию малых рек, энергию морских течений, волн, приливов, температурного градиента морской воды, низкотемпературного тепла Земли, воздуха, биомассы животного, растительного и бытового происхождения, водородную энергетику. Вторичный энергоресурс – энергоресурс, полученный после преобразования первичного энергоресурса на специальных установках, а также полученный в результате недоиспользования энергии в технологическом процессе или в виде побочного продукта основного производства (электроэнергия, горячая вода, газ в трубопроводе). На химическом производстве в качестве энергоносителей в основном используются: топливо, электроэнергия, водяной пар, горячая и холодная вода, сжатый воздух, продукты разделения воздуха, инертные газы, хладагенты. Энергоносители нужны не только для осуществления процессов подвода и отвода теплоты при нагревании или охлаждении технологических потоков, фазовых превращениях и в других технологических операциях. Они создают двигательную силу машин, применяются для контроля и управления производством, для создания необходимых климатических и санитарно-гигиенических условий в помещениях предприятия и т.д. 4. Тепловая энергия Основной вид энергии, который используется в химической технологии, – это тепловая энергия. Дело в том, что большинство процессов на химическом и нефтехимическом производстве (ректификация, сорбция, сушка, выпаривание, химические превращения и др.) не обходится без нагревания одних потоков и охлаждения других. Соответственно, доля теплообменной аппаратуры на предприятиях химической отрасли составляет в среднем 50 %. При этом, в отличие от электроэнергии, тепловую энергию труднее передать на дальние расстояния, обеспечить ее учет и регулирование. С термодинамической точки зрения теплоту, как менее организованную форму энергии, труднее преобразовывать в другие виды энергии. Соответственно, процессы выработки, передачи и использования тепловой энергии связаны с большими непроизводительными затратами. Тепловая энергия на химическом производстве расходуется не только для осуществления химико-технологических процессов, но и на отопительно-вентиляционные нужды и для обеспечения хозяйственно-бытового горячего водоснабжения. Соответственно потребителей тепловой энергии можно разделить на 3 основные группы: – технологические потребители – это различные устройства, реакторы и другие аппараты, служащие для нагрева или охлаждения теплоносителей, рабочих тел и т.д. Являются основными, поскольку потребляют около 77% от общего годового теплопотребления; – отопительно-вентиляционные системы, потребляющие в среднем 18% тепловой энергии на химических предприятиях. Отопление производственных помещений в основном воздушное, совмещенное с вентиляцией. Такие совмещенные системы несут около 85-90% отопительно-вентиляционных нагрузок. Тепловая нагрузка имеет сезонный характер. В приточных системах вентиляции атмосферный воздух, в зависимости от времени года имеющий температуру -40 оС до +10 оС подогревается в калориферах систем до 25-40 оС. Основным теплоносителем являются пар и горячая вода с температурой не выше 150 оС. В летнее время, когда температура воздуха высока, его нужно охлаждать в калориферах холодной водой. Для подготовки воздуха, подаваемого в производственные помещения, часто используют кондиционеры, которые также являются потребителями энергии; – системы хозяйственно-бытового горячего водоснабжения потребляют около 5% тепла, имеют постоянную, круглогодичную нагрузку. Это в основном душевые, мойки, прачечные, столовые. Конечный теплоноситель – горячая вода с температурой 45-70 оС. Режим потребления горячей воды непрерывный, с резко выраженными кратковременными пиками нагрузок после окончания каждой смены (увеличение в 5-8 раз по сравнению со среднечасовым потреблением в течение суток). Первичный энергоресурс – энергоресурс, который не подвергался какой-либо переработке непосредственно находящиеся в природе (солнечная энергия, ветер, месторождения нефти и газа и т.д.). Первичные энергоресурсы извлекают из окружающей среды. К первичным энергоресурсам ( ЭР) принято относить традиционные: нефть, газ, уголь, атомную и гидроэнергию, а также нетрадиционные возобновляемые энергоресурсы ( НВЭР): солнечную, ветровую, геотермальную, гидроэнергию малых рек, энергию морских течений, волн, приливов, температурного градиента морской воды, низкотемпературного тепла Земли, воздуха, биомассы животного, растительного и бытового происхождения, водородную энергетику. Тепловая энергия в химической промышленности Тепловая энергия на химическом производстве расходуется не только для осуществления химико-технологических процессов, но и на отопительно-вентиляционные нужды и для обеспечения хозяйственно-бытового горячего водоснабжения. Соответственно потребителей тепловой энергии можно разделить на 3 основные группы: – технологические потребители – это различные устройства, реакторы и другие аппараты, служащие для нагрева или охлаждения теплоносителей, рабочих тел и т.д. Являются основными, поскольку потребляют около 77% от общего годового теплопотребления; – отопительно-вентиляционные системы, потребляющие в среднем 18% тепловой энергии на химических предприятиях. Отопление производственных помещений в основном воздушное, совмещенное с вентиляцией. Такие совмещенные системы несут около 85-90% отопительно-вентиляционных нагрузок. Тепловая нагрузка имеет сезонный характер. В приточных системах вентиляции атмосферный воздух, в зависимости от времени года имеющий температуру -40 оС до +10 оС подогревается в калориферах систем до 25-40 оС. Основным теплоносителем являются пар и горячая вода с температурой не выше 150 оС. В летнее время, когда температура воздуха высока, его нужно охлаждать в калориферах холодной водой. Для подготовки воздуха, подаваемого в производственные помещения, часто используют кондиционеры, которые также являются потребителями энергии; – системы хозяйственно-бытового горячего водоснабжения потребляют около 5% тепла, имеют постоянную, круглогодичную нагрузку. Это в основном душевые, мойки, прачечные, столовые. Конечный теплоноситель – горячая вода с температурой 45-70 оС. Режим потребления горячей воды непрерывный, с резко выраженными кратковременными пиками нагрузок после окончания каждой смены (увеличение в 5-8 раз по сравнению со среднечасовым потреблением в течение суток). Энергетический ресурс – материальный объект, в котором сосредоточена энергия, пригодная для практического использования человеком, носитель энергии. Первичный энергоресурс – энергоресурс, который не подвергался какой-либо переработке непосредственно находящиеся в природе (солнечная энергия, ветер, месторождения нефти и газа и т.д.). Первичные энергоресурсы извлекают из окружающей среды. К первичным энергоресурсам ( ЭР) принято относить традиционные: нефть, газ, уголь, атомную и гидроэнергию, а также нетрадиционные возобновляемые энергоресурсы ( НВЭР): солнечную, ветровую, геотермальную, гидроэнергию малых рек, энергию морских течений, волн, приливов, температурного градиента морской воды, низкотемпературного тепла Земли, воздуха, биомассы животного, растительного и бытового происхождения, водородную энергетику. От всего добываемого в стране топлива около 55% потребляется промышленностью, примерно 30% – коммунально-бытовым сектором, менее 9% – транспортом и около 5% – сельским хозяйством.