Структура и состав химического производства

Химическое производство – это совокупность функциональных подсистем, связанных между собой технологическими, электрическими, транспортными и телекоммуникационными (для информации и управления) линиями связи для совместного функционирования и обеспечивающих эффективное использование материальных, энергетических ресурсов при химическом превращении реагентов в целевой продукт заданного качества, высокую производительность, управление процессами, охрану труда и окружающей среды.

Химическое производство можно представить как систему. Система – совокупность элементов и связей между ними, функционирующих как единое целое. Элемент системы изменяет свойства и состояние входящих в него потоков. Выходящие потоки передаются по связям в другие элементы, в которых происходят их последующие изменения. Система элементов, перерабатывая входящие и выходящие из нее потоки, функционирует взаимосвязано. Для исследования таких объектов, их свойств и особенностей функционирования используется теория систем [1, 2].

В химическом производстве элементы – это машины, аппараты, реакторы; связями являются трубо-, газо- и паропроводы. В элементах происходит превращение потоков – изменение их состояния – разделение, смешение, сжатие, нагрев, химическое превращение и прочее, а по связям материальные, тепловые, энергетические потоки передаются из одного элемента в другой. Это позволяет представлять химическое производство как химико-технологическую систему.

Химико-технологическая система (ХТС) – совокупность аппаратов, машин, реакторов, других устройств (элементов), а также материальных, тепловых, энергетических и других потоков (связей) между ними, функционирующая как единое целое и предназначенная для переработки исходных веществ (сырья) в продукты [1].

Элемент ХТС может быть представлен отдельным аппаратом (реактором, смесителем, абсорбером, теплообменником, турбиной и т. д.) или их совокупностью. Например, каскад реакторов с теплообменниками и смесителями потоков, расположенных между ними, изменяет химический состав, и эту совокупность аппаратов можно представить как элемент ХТС. Степень детализации элемента (один аппарат или совокупность нескольких) зависит от задачи исследований (установить те или иные показатели химико-технологического процесса, определить особенности функционирования и т. д.).

Совокупность элементов можно представить как химико-техноло-гическую систему. Например, реакционный узел, состоящий из нескольких реакторов, теплообменников, смесителей (элементов) и потоков между ними (связей) и функционирующих как единое целое, является системой. В то же время его можно рассматривать как подсистему, входящую в большую систему.

Подсистемы могут быть выделены как по масштабу, так и функционально. Реакционный узел – малая по масштабу, но значимая во всем технологическом процессе переработки сырья в продукт подсистема. В этом случае рассматривается технологическая подсистема производства. Энергетическая подсистема включает энергетическое оборудование как ее элемент, по масштабу охватывает все производство, но ее роль сводится к выполнению определенной функции – обеспечению производства энергией.

Таким образом, химико-технологическая система представляет собой модель химического производства или химико-технологического процесса, отображающую его структуру и позволяющую прогнозировать те или иные свойства и показатели [1].

Химическое производство должно быть организовано та­ким образом, чтобы соблюдались следующие требования:

1) получение продукта, отвечающего требованиям ТУ, ГОСТ, СТБ, ISO;

2) максимальное использование сырья и энергии;

3) максимальная экономическая эффективность;

4) экологическая безопасность;

5) безопасность и надежность эксплуатации оборудования.

Общая структура химического производства или ХТС включает в себя функ­циональные элементы подсистем, представленные на рис. 1, согласно которому 1–3 – технологическая подсистема или собственно химико-технологический процесс, в ко­тором сырье перерабатывается в продукт. ХТП включает подготовку сырья 1, т. е. его предварительную обработку: измельчение, очистку от примесей, смешение компо­нентов, нагревание и т. д. Подготовленное сырье проходит ряд физико-химических и химических превращений – его перера­ботку 2, в результате чего образуются целевой и, как правило, побочный продукты. Образование побочных продуктов может осуществляться как при протекании целевой, так и побочных реакций. Кроме того, побочные продукты могут образовываться и за счет наличия в сырье примесей. Поскольку степень превращения исходных реагентов в промышленном ХТП меньше 1, то после химического превращения 2 в образовавшейся смеси продуктов присутствуют и компоненты сырья. выделение целевого продукта из образовавшейся смеси, а иногда и его очистка от примесей, осуществляются на стадии 3.

Продукт целевой

Сырье 1 2 3

Побочные

продукты

Материалы

4 Продукт

дополни-

тельный

Отходы

5 6 7

Энергия Вода Управление

Рис. 1. Структура и функциональные элементы химического производства [1]:

1 – подготовка сырья; 2 – химическая переработка сырья; 3 – выделение целевого продукта;

4 – обезвреживание и переработка побочных продуктов; 5 – энергетическая подсистема;

6 – подготовка вспомогательных материалов и водоподготовка; 7 – подсистема управления

После выделения целевого продукта оставшиеся побочные продукты направляют на очистку и обезвреживание, либо на переработку в продукт, используемый в химической или других отраслях промышленности 4. Переработка и обезвреживание побочных продуктов необходимы для снижения вредного воздействия производства на окружающую среду и человека. Например, получение экстракционной фосфорной кислоты основано на разложении фосфорсодержащего сырья – апатита или фосфорита серной кислотой по реакции

Ca₅F(PO₄)₃ + 5H₂SO₄ + 10H₂O = 5CaSO₄ · 2H₂O + 3H₃PO₄ + HF

В результате химических превращений образуется целевой продукт – фосфорная кислота и побочные продукты в виде осадка – сульфат кальция и фторсодержащие газы. После разделения жидкой и твердой фаз путем фильтрации сульфат кальция (фосфогипс) направляют на складирование в отвал. Так как данный побочный продукт ввиду его состава и свойств используется ограниченно, то он постоянно накапливается и является отходом производства. Фторсодержащие газообразные побочные продукты поступают на переработку с целью получения гексафторкремниевой кислоты (Н₂SiF₆), которая затем применяется для получения фтористых солей, в частности AlF₃, MgF₂, NaF.

Отходы производства, или невостребованные продукты переработ­ки сырья, могут содержать как вредные вещества, которые могут за­грязнять окружающую среду, так и полезные, которые целесообраз­но использовать. Поэтому особое внимание необходимо уделять переработке отходов (рис. 1, поз. 4). Наиболее рациональным является превращение отходов основного производства в технические материалы, которые можно использовать в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве. В частности, пигменты, получаемые переработкой железосодержащих отходов (шламов), которые образуются при обезвреживании травильных растворов, могут быть применены для окрашивания строительных, резинотехнических, лакокрасочных и других материалов. В случае, когда невозможна переработка отходов в технические продукты, производится их очистка или обезвреживание. После проведения данных процессов при соблюдении санитарно-гигиенических нормативов твердые отходы складируются на специально подготовленных полигонах, жидкие (сточные воды) сбрасываются в природные водоемы, газообразные выбрасываются в атмосферу.

Предприятия химической промышленности достаточно энергоем­ки: для обеспечения переработки сырья в конечные продукты расхо­дуется около 15% всех вырабатываемых энергоресурсов. Энергетичес­кая подсистема – важный и сложный элемент химического производства (рис. 1, поз. 5). Расход энергии осуществляется на всех стадиях получения целевого продукта, а также очистки, обезвреживания и переработки побочных продуктов. Основная доля расходуемой энергии приходится на тепловую. Нередко химические превращения сопровождаются выделением энергии (экзотермические реакции), и в энергетической системе, кроме обеспечения распределе­ния энергии по стадиям переработки, должна быть предусмотрена воз­можность вторичного использования выделяемой энергии для нужд производства.

Кроме энергии в химическом производстве применяются вспомо­гательные материалы, имеющие различное целевое назначение. К ним относятся, например, сорбенты для очистки и выделения продуктов,катализаторы, ускоряющие химическое превращение реагентов, коагулянты для осветления природной и оборотной воды, рассолов, флокулянты для укрупнения взвешенных частиц и др.

Особое место в химическом производстве занимает вода. Она используется для охлаждения технологических потоков, выработки пара, растворе­ния, разбавления веществ и отмывки осадков как реагент, и ее потребление может быть значитель­ным. Подготовка вспомогательных материалов и особенно водоподготовка (рис. 1, поз. 6) – очень важная и сложная часть хими­ческого производства. Поскольку вспомогательные материалы и вода обеспечивают технологический процесс, но, как правило, не входят в конечные продукты производства, система подготовки должна преду­смотреть восстановление их свойств после проведения цикла опера­ций с их участием с последующим возвращением в производство.

Сложное химическое производство невозможно эксплуатировать без системы управления (рис. 1, поз. 7). Она обеспечивает контроль технологического режима, проведение процессов при оптимальных ус­ловиях, защиту от нежелательных или аварийных ситуаций, пуск и ос­тановку сложной системы. Эта подсистема представляет собой автома­тизированную систему управления технологическим процессом (АСУТП).

Компоненты химического производства. Переменные компоненты постоянно потребляются или образуются в производстве. К ним относятся [1, 2]:

1) сырье, поступающее на переработку;

2) вспомогательные материалы, обеспечивающие технологический процесс;

3) продукты (основные и побочные) как результат переработки сырья; продукты производства далее могут быть использованы как целевые продукты потребления и как полупродукты для их дальнейшей переработки в другие продукты;

4) отходы производства – не подлежащие дальнейшей переработке вещества и материалы, удаляемые затем в окружающую среду;

5) энергия, обеспечивающая функционирование производства.

Постоянные компоненты закладываются в производство (оборудо­вание, конструкции) или участвуют в нем (персонал) на весь или поч­ти весь срок его существования. Они включают:

− аппаратуру (машины, аппараты, реакторы, емкости, трубопроводы, армату­ру);

− устройства контроля и управления;

− строительные конструкции (здания, сооружения);

− обслуживающий персонал (рабочие, аппаратчики, инженеры и
другие работники производства).

Последний компонент требует особого внимания как социальная составляющая производства.

В компоненты конкретного производства не входят элементы ин­фраструктуры, как не участвующие непосредственно в производстве продукта, но необходимые для его функционирования.

Состав химического производства, обеспечиваю­щий его функционирование как производственной единицы:

1) собственно химико-технологический процесс;

2) хранилища сырья, продуктов и других материалов;

3) система организации транспортировки сырья, продуктов, вспомогательных материалов, промежуточных веществ, отходов;

4) дополнительные здания, сооружения;

5) обслуживающий персонал производственных подразделений;

6) система управления, обеспечения и безопасности.

Наличие хранилищ сырья, продуктов и других материалов необходимо, так как при непрерывном производстве доставка сырья и отгрузка про­дуктов происходит периодически, кроме того, обеспечение стабильности про­изводства возможно при наличии определенного запаса. Нередко хра­нилища представляют собой технически сложные сооружения.

Так, амми­ак – один из продуктов азотной промышленности – хранится в кон­денсированном состоянии (в газообразном состоянии его объем в 7–8 тысяч раз больше) под давлением 1–2 МПа. Его испарение может при­вести к разрыву емкости, что обусловливает необходимость поддержи­вания в ней определенной температуры и отвода испаряющегося ам­миака обратно в хранилище.

Даже хранение, казалось бы, безопасных веществ, например удобрений, требует обеспечения особых условий. В непрерывных крупнотоннажных производствах продукт на складе хранится «внавал». Несоблюдение режима влажности может вызвать его слеживание, а неизбежные процессы разложения, в том числе и примесей, как бы мало их ни было, могут привести к разогреву массы и далее – к самовозгоранию. Особое вни­мание должно быть уделено хранению горючих и токсичных веществ.

На производстве имеются машины для транспортировки веществ и материалов, доставляющие сы­рье из хранилищ к собственно производству и продукты в соответст­вующие хранилища, а также используемые при разгрузке поступающего сырья и отгрузке про­дукта. Предъявляются высокие требования к технике безопасности, повышается степень меха­низации и автоматизации этих процессов.

Для обеспечения производства могут понадобиться вспомогательные здания и сооружения, такие как управление цехом, мастерские, бытовки, гараж, цеховая проходная. Конструктивно они могут совмещаться с основными производственными зданиями.

Обслуживающий персонал, кроме занятых непосредственно в про­изводстве продукта, включает работников других подразделений и служб: хозяйственных и финансовых, ремонтных и уборочных, отделов контроля производства и продуктов и др.

Управление персоналом и обеспечение его безопасности обычно осуществляется администрацией на основе соответствующей нормативно-тех­нической и управленческой документации.