Химико-технологический процесс и его содержание (стр. 3 из 6)
Ультразвуковые колебания сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть использованы как базовые для разработки различных процессов.
Критерии эффективности химико-технологического процесса (ХТП)
Совершенствование химических производств.
Успехи химической промышленности, перспективы развития, ее роль в народном хозяйстве и обеспечении качества жизни населения зависят от уровня научных и технологических исследований.
Основные направления развития химической промышленности состоят:
в поиске новых соединений и материалов,
в повышении эффективности производства химической продукции.
Эффективность по существу определяется экономикой, и ее повышение обеспечивается:
А) снижением затрат:
на сырьё и материалы
на энергию,
на капитальные вложения
Б) повышением производительности труда.
В) разработкой вопросов охраны труда и окружающей среды
Для повышения эффективности ХТП:
А) инженерные приемы:
рекуперация энергии
использование тепла с помощью котлов-утилизаторов
оптимизация технологических схем разделения и выделения продуктов по минимуму затрат
улавливание и рекуперация отходов и др.
Б) открытие новых реакций и каталитических систем (наиболее кардинальная мера)
В) выяснение детального механизма протекающих реакций, позволяющее найти пути осуществления процесса с максимальной эффективностью.
Использование химических приемов при решении инженерных задач характерно для российской школы химиков-технологов. Это связано со сложившейся системой высшего химико-технологического образования, которое включает наряду с инженерной достаточно глубокую химическую подготовку. Этим российская система подготовки инженеров-технологов отличается от западноевропейской и американской, которые готовят отдельно химиков и инженеров-технологов. Поддержание традиций российской высшей инженерной школы, положительно влияющих на качество инженерных решений ее выпускников, во многом зависит от направленности школьного химического образования, которое должно в большей степени уделять внимание задачам химической технологии и путям их эффективного решения.
Рассмотрим некоторые удавшиеся подходы к решению задач повышения эффективности химической промышленности путем использования результатов исследований по установлению детального механизма протекания химических реакций и достижений в области химии и катализа.
А) кумольный метод получения фенола и ацетона [1] (создатели: советские химики-технологи П.Г. Сергеева, Б.Д. Кружалова и Р.Ю. Удриса, 1949 г).
Ранее основными источниками фенола (промежуточного продукта промышленного органического синтеза) были:
фенол, выделяемый из продуктов коксования каменного угля,
и синтетический фенол, получаемый из бензола через промежуточный синтез продуктов хлорирования или сульфирования:
Ни один из этих источников не мог обеспечить возрастающие потребности химической промышленности из-за ограниченности ресурсов каменноугольного фенола и неприемлемости приведенных выше путей синтеза для организации крупнотоннажных производств. Последнее связано с:
большим расходом сырья (хлор, щелочь, серная кислота), попадающего в конечном итоге в отходы (загрязненные фенолом смолы, разбавленная серная кислота со стадии сульфирования),
и жесткими условиями синтеза (до 3500С и 100 атм при щелочном гидролизе). Другими словами, при промышленном использовании реакций (1) и (2) в себестоимости продукта неприемлемо высока доля стоимости сырья (хлор, щелочь, серная кислота не попадают в конечный продукт, а полностью оказываются в отходах), капитальных затрат (объемное, малопроизводительное и дорогостоящее оборудование) и энергетических затрат (высокие температуры и давление). Чрезмерно велико также вредное воздействие отходов на окружающую среду.
Новый химический путь совместного синтеза фенола и ацетона, разработанный П.Г. Сергеевым, Б.Д. Кружаловым и Р.Ю. Удрисом, оказался значительно более технологичным и экономически эффективным:
Он базируется на доступном нефтехимическом сырье (бензол, пропилен), характеризуется высокой селективностью каждой стадии, мягкими условиями их проведения (100-1200С) и относительно небольшим количеством отходов по сравнению с рассмотренными выше путями синтеза (в отходы попадают катализатор (AlCl3), смолообразные продукты). При первой промышленной реализации (1949 год) выход фенола составил 92%. В последующем этот способ синтеза фенола и ацетона получил распространение во всем мире и инженерно-технологическое совершенствование каждой стадии позволило повысить общий выход фенола до 97%. Тем не менее проблема отходов в этом процессе до сих пор полностью не решена. Вместе с тем новый химический путь синтеза (3) позволил существенно повысить экономическую эффективность за счет значительного сокращения расходов на сырье, энергию и оборудование.
Б) синтез ацетальдегида и винилацетата (важный мономер) [2] (Дж. Смита (J. W. Smidt) и академика И.И. Моисеева, 1960 год) - пример кардинального решения технологической задачи путем открытия новой каталитической системы для осуществления новой реакции
Ранее эти важные продукты органического синтеза получали в промышленности из ацетилена.
Ацетальдегид - по реакции Кучерова:
С2Н2 + Н2О - Hg→ CH3CHO (4)
а винилацетат - по гетерогенно-каталитической реакции (Zn (OAc) 2 на активированном угле) ацетилена с уксусной кислотой:
C2H2 + CH3COOH → CH3COOCH=CH2
Недостатком этих процессов является:
использование в качестве исходного сырья ацетилена, получаемого электрокрекингом или пиролизом метана (1200-1500оС) или из карбида кальция.
Все эти процессы отличаются высокой энергоемкостью, что существенно повышает стоимость ацетилена.
наличие экологических проблем (отходы карбидного ацетилена, соединения ртути в реакции Кучерова).
В новой схеме (по Смиту и Моисееву) базировались на более дешевом нефтехимическом этилене и основаны на следующих суммарных стехиометрических реакциях:
C2H4 + 0,5O2 → CH3CHO (6); C2H4 + 0,5O2 + CH3COОН → CH3COОСН=СН2 + Н2О (7)
Эти неизвестные ранее реакции были реализованы Смитом и Моисеевым с помощью специально разработанной новой каталитической системы на основе соединений палладия и меди. Научно обоснованный выбор каталитической системы (а не случайный, что было характерно для многих открытых ранее катализаторов) стал возможен благодаря имевшимся к тому времени достижениям в химии комплексных соединений и металлокомплексном катализе. В основе каталитических превращений этилена в ацетальдегид и винилацетат лежат следующие превращения этилена в координационной сфере катализирующего реакцию комплекса палладия.
В водной среде образуется ацетальдегид:
В среде уксусной кислоты в результате аналогичных превращений получается винилацетат:
Для перевода катализатора в исходную форму необходимо окислить палладий (Pd0 PdII), что легко достигается с помощью солей CuII:
Однохлористая медь, в свою очередь, переводится обратно в CuII окислением кислородом воздуха:
2HCl + 2CuICl + 0,5O2 → H2O + 2CuIICl2 (11)
Сложение всех реакций дает написанные выше суммарные стехиометрические реакции окисления этилена до ацетальдегида и винилацетата. Обе реакции протекают в мягких условиях (100-180оС) и с высокой селективностью. Малое количество отходов и низкая цена этилена по сравнению с ацетиленом способствовали быстрому и масштабному внедрению этих процессов в промышленность.
Крупнотоннажный органический синтез
Благодаря достижениям каталитической химии в промышленности крупнотоннажного органического синтеза за последние десятилетия нашли применение многие новые реакции, существенно повышающие эффективность производства за счет использования дешевого сырья и высокой селективности этих реакций. Среди наиболее успешных примеров можно привести следующие.
Синтез уксусной кислоты карбонилированием метанола с использованием гомогенного родиевого катализатора с йодистым (CH3I) промотором:
Селективность (или доля полезного использования израсходованного сырья) в этой реакции превышает 98% [1].
2. Совместное производство стирола и оксида пропилена с использованием трех последовательных реакций, включающих окисление этилбензола до его гидропероксида:
C6H5C2H5 + O2 → C6H5CHOOHCH3, (13)
эпоксидирование пропилена гидропероксидом при катализе комплексами молибдена:
и каталитическую (Al2O3) дегидратацию образующегося метилфенилкарбинола до стирола:
C6H5CHOHCH3 →C6H5CH=CH2 + H2O (15)
Сложение реакций (13) - (15) дает суммарный процесс:
Селективность образования оксида из пропилена достигает в этом процессе 97%, а стирола из этилбензола - 90% [1].
В рассмотренных ниже реакциях (3-21) эффективность ХТП обеспечивается доступностью сырья, высокой селективностью, полным использованием атомов исходных реагентов в молекулах конечных продуктов (если не считать воды, образующейся в реакциях (7), (16), (17)