ISSN 1991-3087

Свидетельство о регистрации СМИ: ПИ № ФС77-24978 от 05.07.2006 г.

ISSN 1991-3087

Подписной индекс №42457

Периодичность - 1 раз в месяц.

Вид обложки

Адрес редакции: 305008, г.Курск, Бурцевский проезд, д.7.

Тел.: 8-910-740-44-28

E-mail: jurnal@jurnal.org

Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100
Яндекс.Метрика

Изучение промышленного производства получения хлористого винила с помощью структурно-функционального анализа

 

Елфимова Светлана Николаевна,

доцент кафедры технологии органического и нефтехимического синтеза,

Яковенко Дарья Юрьевна,

магистрант.

Волгоградский государственный технический университет.

 

Системный анализ за последние годы становится основным методом исследования сложных явлений и процессов. Общими принципами, применяемыми к решению любой структурной задачи, являются: четкая формулировка цели исследования; разработка развернутого плана исследования; пропорционально-последовательное продвижение по всему комплексу взаимосвязанных этапов и возможных направлений; принцип нисходящей иерархии анализа и восходящей иерархии синтеза [1].

Инструментом изучения промышленного производства был выбран один из видов системного анализа – структурно-функциональный. Технология анализа подробно рассмотрена в [2] и [3] и в данной работе не описывается. В качестве примера представлены результаты анализа структуры на уровне «цех» и функций на уровне «основная стадия».

Целью анализа было выявление возможности интенсификации процесса за счет рационального использования сырья. В качестве объекта исследования выбрано промышленное производство хлористого винила термическим крекингом 1,2-дихлорэтана.

Хлористый винил – уникальный и самый многотоннажный в химической промышленности продукт комплексной переработки минерального и органического сырья – поваренной соли и нефти. Полимеры хлористого винила (поливинилхлорид) и сополимеры его с другими винильными соединениями приобрели большое техническое значение. По прогнозным данным компании SRI Consulting, текущее сокращение потребления хлористого винила прекратится, и в ближайшие пять лет (до 2015 года) будет наблюдаться рост потребления в размере 3,4% в год и 2,5% в последующие пять лет (с 2013 по 2018 гг.). Учитывая рост потребления хлористого винила можно считать актуальными поиски, направленные на интенсификацию процесса его получения.

Аренда офиса рядом с метро

Аренда офисов. Аренда и продажа офисов

spektr-bc.ru

Взрывозащищенный нагреватель

Взрывозащищенное электрооборудование

bev.usgz.ru

Способ получения хлористого винила посредством непрерывного термического крекинга 1,2-дихлорэтана осуществляется в крекинг-печи при температуре 350 – 550°С, давлении 0,8 – 1,2 МПа, времени реакции 12 – 15 секунд. Основная реакция [5]:

Объект был исследован на следующих уровнях иерархии: «цех»→«основная стадия»→«основной элемент», что позволило выявить недостатки каждого уровня.

Структурная схема процесса получения хлористого винила представлена на рисунке 1. В схеме наглядно отражены взаимосвязи между стадиями входящими материальными и энергетическими потоками. Имеются информационные связи на уровне всей химико-технологической системы (ХТС).

 

Рис. 1. Схема материальных потоков получения хлористого винила на уровне «цех».

 

Анализ структуры и функций подсистем, входящих в ХТС уровня «цех», позволил выявить ряд недостатков:

а)                  использование дорогостоящего пара (18 атм) на стадии подготовки сырья – энергозатратность;

б)                 на стадии синтеза (она является основной подсистемой, так как в ней реализуется целевая функция всей системы) образуется большое количество побочных продуктов в контактном газе, следовательно, сравнительно низкая степень конверсии 1,2-дихлорэтана (65 – 75%);

в)                 тепло выходящего из реактора потока с температурой 550°С утилизируется в колонне закалки;

г)                  энергоемкость стадии выделения вследствие применения рассола с температурой минус 15°С.

Так как основной вклад в качество целевого продукта вносит стадия синтеза, то более подробному функциональному анализу была подвергнута именно данная стадия (рисунок 2).

 

Рис. 2. Структурная схема стадии синтеза винилхлорида.

 

Процесс крекинга 1,2-дихлорэтана осуществляется параллельно в четырех трубчатых печах змеевикового типа с беспламенными горелками. В таблице 1 представлен пример оного из анализов функций – анализ на уровне «основная стадия».

 

Таблица 1.

Анализ функций подсистем на уровне «основная стадия».

Подсистема

Функция

Результаты функционирования

Положительные

Отрицательные

Реактор – печь крекинга

Проведение крекинга ДХЭ; создание и поддержание оптимального температурного режима: 300 – 350ºС конвекционная камера; 350 – 550ºС радиантная камера

Получение ВХ с заданным выходом и селективностью; быстрое протекание реакции; осуществляется автоматический контроль процесса.

Низкая степень конверсии ДХЭ; высокая температура процесса; образование побочных продуктов, смол и кокса; необходимость в декоксовании; энергетические затраты; выброс дымовых газов в атмосферу.

Колонна квенчинга

Резкое снижение температуры; завершение реакции

Отмывка газообразных продуктов от сажи и смолистых веществ; применение в качестве закалочной жидкости дихлорэтана способствует прекращению реакции; охлаждение реакционной смеси до 80 – 140ºС; снижение доли побочных продуктов; в аппарате совмещены закалка и отгонка непрореагировавшего ДХЭ, ВХ и HCl.

Затраты на обслуживание колонны (расход оборотной воды); применение насадки в отмывочной части колонны увеличивает гидравлическое сопротивление в системе; конструктивная сложность аппарата; отходы колонны не находят применения – негативное влияние на экологию.

Трубопроводы

Обеспечивают подачу ДХЭ и вывод продуктов реакции, подачу пара и горючего газа в горелки печи.

Подача сырья непрерывна; эффективный способ транспортировки материальных и энергетических потоков.

Металлоемкость; коррозия; затраты на обслуживание; возможность забивки.

Вентили, задвижки и др. арматура

Контроль поступления, отвода материальных и энергетических потоков.

Регулирование расходов основных и вспомогательных потоков; предотвращение поступления в систему потоков с несоответствующими параметрами; стандартная аппаратура.

Возможен выход из строя: поломка, коррозия; затраты на приобретение, обслуживание и поддержание рабочего состояния.

КИПы

Обеспечиваются условия для синтеза продукта (контроль расхода сырья, температуры, давления); используются для отслеживания изменения параметров в системе.

Обеспечивается точная нагрузка на реактор и другое оборудование узла; передача на щитовую звукового и светового сигнала при достижении максимального и минимального значения.

Необходима регулярная проверка точности аппаратов во избежание получения ложных значений; затраты на приобретение и обслуживание; не обеспечивается 100%-ая надежность – влияние человеческого фактора.

 

На данном уровне иерархии выявлено, что в работе попеременно находятся только три реактора, а один стоит на очистке трубчатки от полимеров хлористого винила. Дымовые газы, выходящие из печей с температурой 650°С, сбрасываются в атмосферу, что противоречит принципу рационального использования энергии и отрицательно влияет на экологию.

Конструкция реактора (трубчатая печь змеевикового типа с беспламенными горелками), как показал анализ на уровне «основной элемент», входит в некоторые противоречия с природой процесса. В связи с тем, что необходимо за 12 – 15 секунд нагреть контактный газ от 180°С до 550°С (высокая удельная тепловая нагрузка), требуется развитая поверхность теплообмена, которая достигается за счет снижения диаметра трубок змеевика печи. Это, в свою очередь, приводит к увеличению гидравлического сопротивления трубчатки. Реакция идет с увеличением объема. Для преодоления гидравлического сопротивления змеевиков давление в трубном пространстве поддерживается 8 – 10 атм. Высокое давление способствует образованию побочных веществ (1,3-бутадиена и 2-хлоропрена), резко снижающих качество хлористого винила.

Процесс, протекающий в реакторе, радикально-цепной, и для диссоциации молекулы 1,2-дихлорэтана требуется температура порядка 350 – 550°С. Такой температурный режим способствует протеканию не только основной реакции образования хлористого винила, но и протеканию ряда побочных процессов, таких как коксо- и смолообразование на стенках трубчатки. Поэтому невозможно достичь высокого выхода хлористого винила.

На основании проведенного анализа функций контрольно-измерительных приборов видно, что существенным недостатком системы автоматизации является наличие человеческого фактора. КИП в большинстве случаев выполняют лишь функцию сигнализации на изменение значения параметра, выходящее за установленные пределы. Далее должна последовать мгновенная реакция человека, ответственного за выполнение данных операций. Следовательно, неточное регулирование таких важных параметров, как давление и температура в реакторе, может существенно отразиться на качестве целевого продукта, а также послужить причиной аварийной ситуации в цехе.

Таким образом, использование структурно-функционального анализа на примере промышленного производства хлористого винила позволяет выявить взаимосвязь способа и химико-технологической концепции, выявить проблемные ситуации, возникающие на различных системных уровнях, а главное, подробно исследовать тот уровень, на котором сконцентрированы основные проблемы, и в итоге на основании анализа выбрать путь интенсификации промышленного процесса с учетом современных мировых тенденций. Их анализ позволяет считать перспективным направлением совершенствования технологии получения хлористого винила переход на каталитический процесс дегидрохлорирования 1,2-дихлорэтана.

 

Литература

 

1.                  Кафаров В. В. Системный анализ процессов химической технологии. Основы стратегии / В. В. Кафаров, И. Н. Дорохов. – М.: Наука, 1976 – 500 с.

2.                  Половинкин А. И. Методы инженерного творчества: учеб пособ. / А. И. Половинкин. – Волгоград, 1984 – 498 с.

3.                  Половинкин А. И. Основы инженерного творчества: учеб. пособ. для студентов вузов / А. И. Половинкин. – М.: Машиностроение, 1988 – 368 с.

4.                  Тимофеев В. С. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза: учеб. пособ. для вузов / В. С. Тимофеев, Л. А. Серафимов. – М.: Высш. шк., 2003. – 536 с.

5.                  Трегер Ю. А. Винилхлорид: химия и технология: в 2 т. Т. 1. / Ю. А. Трегер, М. Р. Флид. – М.: Калвис, 2008 – 581 с.

6.                  Флид М. Р. Ресурсосберегающие, сбалансированные по хлору технологии получения винилхлорида из этан-этиленового сырья. Дис. на соискание ученой степени докт. техн. наук. – М.: МИТХТ, 2002.

 

Поступила в редакцию 27.01.2011 г.

2006-2018 © Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов.
Все материалы, размещенные на данном сайте, охраняются авторским правом. При использовании материалов сайта активная ссылка на первоисточник обязательна.