CC BY
18
УДК 004.9: 005.966.32: 661.11: 661.487.2: 661.715.1 Казаков А. А., Трохин В.Е., Бессарабов А.М.
ГИБКИЕ МОДУЛЬНЫЕ ПРОИЗВОДСТВА В ТЕХНОЛОГИИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТИВОВ И ОСОБО ЧИСТЫХ ВЕЩЕСТВ
Казаков Александр Александрович, научный сотрудник; Трохин Василий Евгеньевич, к.х.н., директор;
Бессарабов Аркадий Маркович, д.т.н., профессор, заместитель директора по науке, e-mail: bessarabov@nc-mtc.ru; АО Научный центр «Малотоннажная химия», Москва, Россия 107564, Москва, ул. Краснобогатырская, д. 42
Разработаны CALS-проекты гибких модульных установок для получения ассортимента органических и неорганических высокочистых материалов (алифатические углеводороды и неорганические кислоты). Созданы типовые структуры справочников и словарей по элементам оборудования, свойствам продуктов, конструкционным материалам и др.
Ключевые слова: CALS-технологии, аппаратурные модули, гибкие производства, химические реактивы, особо чистые вещества.
FLEXIBLE MODULAR PRODUCTIONS IN THE TECHNOLOGY OF CHEMICAL REACTIVES AND HIGH PURE SUBSTANCES
Kazakov A.A., Trokhin V.E., Bessarabov A.M. R&D Centre "Fine Chemicals", Moscow, Russia
CALS-projects developed flexible modular systems for the range of organic and inorganic high purity materials (aliphatic hydrocarbons, and inorganic acids). Created typical structure of directories and dictionaries on the elements of equipment, properties, products, construction materials and others.
Keywords: CALS-technologies, instrumental modules, flexible production, chemical reagents, high pure substances.
Для предметной области «химические реактивы и особо чистые вещества» проведен системный анализ на четырех иерархических уровнях гибкости [1] (номенклатурный, производственно-
технологический, организационно-технологический, организационно-производственный), на примере разработки гибких многоассортиментных производств алифатических углеводородов реактивной квалификации [2] и неорганических кислот особой чистоты [3].
Для получения количественной оценки целесообразности синтеза многоассортиментного производства проводится анализ с целью выделения групп процессов, для которых это целесообразно. Первым этапом анализа является декомпозиция выпускаемого ассортимента на основе иерархического подхода по трем основным признакам: по технологическому сходству, химическому сходству и по классам целевых продуктов. Вторым этапом анализа является агрегирование процессов по технологическому сходству. При этом объединяются различные циклы производства: подготовки сырья, получения продуктов (целевых веществ) и фасовки. Каждый цикл организуется в виде отдельных совмещенных схем, где продукты производятся с учетом их физико-химических признаков, выделенных выше. Система гибких взаимосвязей между совмещенными узлами позволяет организовать производство в виде гибкой схемы.
На основе предложенной методологии [1] нами разработаны структуры двух многоассортиментных производств: алифатических углеводородов и петролейных эфиров реактивной квалификации; неорганических кислот особой чистоты. Научные исследования и автоматизированное проектирование проводятся на основе наиболее перспективной системы компьютерной поддержки - CALS-технологии (Continuous Acquisition and Life cycle Support - непрерывная, информационная поддержка жизненного цикла продукта) [4].
Технологическое производство алифатических углеводородов строится по обычной схеме: от сырья (растворители технических марок) к продуктам более высоких квалификаций («чистый», «чистый для анализа», «химически чистый»). Для получения химических веществ реактивной квалификации необходимо специализированное оборудование, позволяющее добиваться требуемого качества с помощью специальных перемешивающих устройств, конструкционных материалов, совмещения стадий и др. Особенно перспективно в этом направлении применение аппаратурных модулей глубокой очистки.
Конструктивно технологическая схема строится из последовательности стандартизованных аппаратурных модулей, на каждом из которых реализуется процесс очистки от определенной группы примесей и выделение основного продукта. Выбор модулей, последовательность их использования, организация и формирование
технологических потоков определяются
достижением необходимого уровня качества и выбором сырья.
Созданная нами технология получения ассортимента алифатических углеводородов и петролейных эфиров базируется на 5 типовых аппаратурных модулях: адсорбции, химической очистки, предварительной ректификации, точной ректификации и финишной ректификации. Модули предварительной, точной и финишной ректификации являются выпускающими, т.е. с них производится вывод соответствующей готовой продукции. Модули адсорбционной и химической очистки не являются выпускающими. Между ними и модулями ректификации существуют
технологические потоки (т.н. внутренние), с которых отбор продукции не производится.
В типовой модульной технологической схеме (рис. 1), на примере переработки н-гептана и изооктана, показаны связи между отдельными технологическими модулями, пересечения и объединения технологических потоков (основных, побочных и возвратных). Основным
технологическим потоком является
последовательный процесс очистки
технологического сырья (н-гептана «технического»; изооктана «технического») до химического реактива
низких квалификаций (н-гептан «чистый», изооктан «чистый»), более высоких (н-гептан «эталонный» по ГОСТ 25828-83, изооктан «эталонный» по ГОСТ 12433-83), до реактивов специальной очистки (н-гептан «химически чистый» для УФ-спектроскопии; изооктан «химически чистый» для УФ-спектроскопии). Побочными потоками являются технологические процессы получения петролейных эфиров (марок 70-100, 90-110 и др.), которые получаются путем переработки и переквалификации отходов основного технологического потока.
Разработка гибкой модульной технологии неорганических кислот особой чистоты (рис. 2) осуществлялась путем такого сочетания отдельных технологических процессов, которое дает возможность использования максимального разнообразия исходного сырья. В качестве примера такого синтеза нами ранее проводилась разработка технологий высокочистых азотной и хлорной кислот на одной технологической линии, и галогеноводородных кислот (плавиковой и соляной) - на другой [3]. При этом во втором случае имеет место возможность использования практически всех возможных видов исходного сырья (газ, концентрированные и разбавленные кислоты), представленного на рынке химических продуктов.
Изооктан "технический1
АППАРАТУРНЫЕ МОДУЛИ:
1-АД - адсорбционная очистка
2-ХО - химическая очистка
3-ПР - предварительная
ректификация
4-ТР - точная ректификация
5-ФР - финишная ректификация
н-Гептан "технический
Петролейный эфир 90-1 1 О "чистыи"
гг*
3 -ПР Изооктан
"чистый"
н
А
куб+предгон
4-ТР Изооктан 2-ХО
"эталонный"
.
Изооктан "хч" для УФ-спектроскопии
Петролейные эфиры:
70-100
куб+предгон
0
I
3-ПР н-Гептан 4-ТР
"чистый"
эталонный
90-110
1 Бензин-растворитель
'-бЫТОВОЙ
н-Гептан "хч" для УФ-спектроскопии
Рис. 1. Гибкая модульная технология алифатических углеводородов и петролейных эфиров реактивной квалификации
Рис. 2. Модульная блок-схема гибкой технологии получения ассортимента неорганических кислот особой чистоты
На основе литературных и экспериментальных данных, а также экспертных оценок нами были выбраны семь основных стадий (модулей), необходимых для разрабатываемого гибкого производства неорганических кислот особой чистоты: химическая обработка (очистка), ректификационная очистка, десорбция, адсорбционная очистка, абсорбция, коррекция состава и фильтрация. Каждая из этих стадий выбирается для решения комплекса соответствующих задач.
Стадия химической обработки (ХО) предназначена для предварительной очистки кислоты (фтористоводородной 40-70 масс.% или соляной 38-45 масс.%) от микропримесей некоторых металлов, хлоридов (для HF) и некоторых органических соединений. В основе процесса лежит перевод (в процессе окисления) легколетучих соединений в нелетучие. В качестве окислителей используются избытки перманганата калия (для НС1 и НР) и нитрата серебра (для НР). Эффективность химической обработки заключается в снижении концентрации ионов мышьяка (As3+ с 10-3 мас. % до 10-5 и с 10-2 мас. % до 10-4 для фтористоводородной и соляной кислот, соответственно). Содержание хлорид ионов (С1) в фтористоводородной кислоте уменьшается на два порядка: с 10-2 до 10-4 масс.%.
Стадия ректификации (РК) используется для глубокой очистки предварительно подготовленных на предыдущих стадиях производства растворов неорганических кислот. Эффективность использования этой стадии определяется полученными нами экспериментальными данными по коэффициентам разделения примеси между жидкостью и паром. Из этих данных видно, что в лимитирующем процессе ректификации плавиковой кислоты наиболее трудноотделяемыми микропримесями являются примеси калия и хлорид-ионы, а также бор, магний и натрий. В соляной кислоте наиболее легко отделяются марганец и кобальт, трудно - калий, кальций, натрий, алюминий. Для азотной и хлорной кислот наименьший коэффициент разделения - у натрия, бора и хлорид-ионов.
Стадия адсорбции (АД) применяется нами в получении высокочистых плавиковой и соляной кислот для поглощения микропримесей (т.е. их извлечение из очищаемого вещества адсорбентом) из газовой фазы. Она предназначена для очистки от микропримесей - в основном от хлористого метила и хлоридов железа (II, III). Очистка газовой фазы осуществляется в случае использования для получения высокочистых соляной и плавиковой кислот из газа (НР или НИ в схеме без деления потоков) или исходных кислот (40%-ая НО или 70%-ая НР в схеме с делением потоков).
Стадия абсорбции (АБ) в схеме получения высокочистых кислот не относится к тем, на которых производится очистка продукта. Она предназначена для получения товарного продукта заданной концентрации, путем объединения жидкого и газового потоков, каждый из которых предварительно очищен.
Данная стадия может быть использована для получения высокочистой соляной кислоты путем поглощения газообразного хлористого водорода соляной кислотой азеотропного состава в случае использования в качестве сырья жидкой соляной кислоты или высокочистой водой при использовании в качестве сырья газообразного хлористого водорода. Также абсорбция используется для получения высокочистой плавиковой кислоты путем поглощения паров фтористого водорода высокочистой водой.
Стадия десорбции (ДС) необходима при использовании в качестве сырья жидких кислот (3840% соляная, 40-70% плавиковая), так как необходимо произвести деление потоков. Это связано с тем, что использование концентрированных кислот для ректификации, при которой происходит отделение микропримесей катионов, практически неосуществимо. Такое деление потоков производят на стадии десорбции. В результате этого получают два потока: поток сверхазеотропного газа (HCI и HF) и соответствующую кислоту азеотропного состава. После стадии адсорбции кислоты направляют на стадию коррекции состава (КС) и/или в модуль фильтрации (ФЛ), где происходит отделение взвешенных частиц до требуемого уровня (если они лимитируются в целевом продукте). Для корректировки концентрации очищаемых кислот предусмотрен дополнительный подвод высокочистой воды.
Разработанные технологии реализованы и успешно используются на базе производства АО «ЭКОС-1». Полученные результаты вошли в конкурсные проекты Минобрнауки (№ 02.513.12.3072, № 02.513.123073) и Минпромторга (№ 16.1СА.12.8003).
Работа проводилась при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) по проекту № 16-07-00823 «Теоретические основы разработки и внедрения автоматизированных CALS-систем управления жизненным циклом научных исследований в химической промышленности».
Список литературы
1. Ryabenko E.A., Malyshev R.M., Bessarabov A.M. Flexible multiproduct chemical-engineering systems for the production of reagent chemicals and reagent-grade substances // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 1996. V. 30, № 1. P. 93-96.
2. Use of the CALS concept for development of equipment modules producing reagent-quality aliphatic hydrocarbons / Trokhin V.E. [et al.]. Chemical and Petroleum Engineering. 2012. V. 48, № 5-6. P. 271-277.
3. Development of equipment modules for flexible technology of high-purity inorganic acids / Kazakov A. A. [et al.]. Chemical and Petroleum Engineering. 2015. V. 51, № 9-10. P. 597-603.
4. Bessarabov A., Kvasyuk А. Cybernetic researches in technology of chemical reagents and high-purity substances // Clean Technologies and Environmental Policy. 2015. V. 17, № 5. P. 1365-1371.
