Продукция химических производств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Продукция химических производств

ГЛАВА 1. ГИБКИЕ ПРОИЗВОДСТВА МАЛОТОННАЖНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ

Современная цивилизация немыслима без продукции химических производств. Эта аксиома со школьной скамьи ассоциируется у многих с циклопическими сооружениями большой химии: доменными печами и конвертерами металлургических заводов, ректификационными колоннами нефтеперерабатывающих комплексов, непрерывными производствами минеральных кислот, цемента, удобрений, целлюлозы, бризантных ВВ и других крупнотоннажных химических продуктов.

Но в повседневной жизни человека незримо окружают тысячи наименований совершенно иных химических соединений. Это лекарственные препараты, витамины, бесчисленные тонкие химикаты -- вкусовые добавки, консерванты, антиоксиданты, красители, кинофотоматериалы и другие продукты малой химии. Каждый житель планеты, даже незнакомый с химической формулой воды, от момента рождения и в течение всей жизни непрерывно потребляет малотоннажные химические продукты. Ассортимент последних непрерывно обновляется, а конкуренция на рынке продуктов малой химии достигает невиданного накала и драматизма.

Каталоги производителей и дистрибьюторов продуктов тонкой химии включают десятки тысяч наименований химических соединений. Эти вещества характеризуются различной молекулярной структурой, физическими, химическими и токсикологическими свойствами. Они различаются областями применения, требованиями к чистоте продукции и производственных помещений, опасностью и, наконец, объемом (тоннажем) выпуска. Можно классифицировать химическое производство по тоннажу выпуска продукции следующим образом (в т/год): микротоннажные (до 0,1), малотоннажные (0,1--10), среднетоннажные (10--1000), крупнотоннажные (5--10 тыс.) и супертоннажные (свыше 100 тыс.).

Между данными группами химических производств имеются принципиальные отличия. Крупно- и супертоннажные производства нацелены на выпуск в огромных масштабах продукции стабильного ассортимента, микро- и малотоннажные -- на обеспечение спроса химической продукции с широким и быстро обновляющимся ассортиментом, но относительно небольшим объемом выпуска [1].

Очевидно, что технологические процессы, лежащие в основе упомянутых групп, организуются в соответствии с различными принципами. Крупнотоннажные производства основаны на непрерывных технологических процессах, работающих даже по праздникам в круглосуточном стационарном режиме. Непрерывные производства отличаются сложностью и спецификой аппаратурного оформления, переработкой огромной массы реагентов и растворителей, потреблением больших количеств энергии. Подобные технологические монстры нередко загрязняют окружающую среду гигантским количеством отходов. Во избежание чрезвычайных последствий ошибок операторов системы управления и контроля таких производств полностью автоматизированы.

Отметим, что непрерывные производства созданы для выпуска одного, реже нескольких химических продуктов. Отсюда их инерционность при переходе с одного вида продукции на другой.

Напротив, синтез малотоннажных химических продуктов основан на разнообразных химических процессах, протекающих в относительно простых реакторах периодического действия. Малотоннажные химические продукты разнообразны по химическому строению и потребительским свойствам, их ассортимент непрерывно и быстро обновляется. Важно, что к качеству продукции малотоннажной химии, особенно к лекарственным препаратам, предъявляют исключительно жесткие требования. Еще один характерный штрих -- рыночная стоимость малотоннажных химических продуктов сопоставима, а подчас и превосходит цену на золото и драгоценные камни. Неудивительно, что в странах с развитой рыночной экономикой добыча и первичная переработка сырья уступают место наукоемким и прибыльным производствам малотоннажных химических продуктов.

В каталогах фирм, производящих и распространяющих продукцию малой химии, содержатся десятки тысяч наименований химических соединений, основные группы которых приведены ниже.

Синтетические лекарственные и душистые вещества, средства защиты растений, другие биологически активные вещества, продукты бытовой химии

Синтетические красители, катализаторы, ингибиторы коррозии, вулканизаторы, присадки к маслам и топливам, фотохимикаты

Химические реактивы, высокочистые вещества, биохимические препараты

Люминофоры, ферриты, полимеры медицинского и инженерного назначения.

Необходимым условием успешной конкуренции на рынке производителей малотоннажных химических продуктов является способность производства к быстрому изменению ассортимента продукции в соответствии с конъюнктурой рынка. Проектирование, монтаж и ввод в эксплуатацию промышленных установок химического синтеза, ориентированных на выпуск только одного малотоннажного продукта, не имеют перспективы. Следует отметить тенденцию к переходу от отдельных установок по получению химического продукта к гибким химико-технологическим системам [2--5].

Тонкий органический синтез в производственных масштабах наряду с химическими процессами включает технологические операции, выполняемые при помощи химических аппаратов: реакторов, фильтров, теплооб-менных систем, перемешивающих устройств, насосов. Комплекс таких аппаратов составляет установку. Результатом эволюции нескольких установок является химико-технологическая система (ХТС), под которой понимают совокупность всех физико-химических процессов и средств, обеспечивающих эффективное производство продукции заданного качества и ассортимента. ХТС состоит из элементов, в которых протекают технологические операции, необходимые для достижения цели. Понятия "система" и "элемент" относительны. Одна система может быть элементом другой, более сложной системы. В общем случае ХТС можно описать при помощи следующей схемы [6]: ХТС в отличие от гибких производственных систем (ГПС), давно известных в машиностроении, являются принципиально новыми объектами современной технологии. Методология организации гибких ХТС полностью не разработана. Дело в том, что только малотоннажные химические производства функционируют в условиях неопределенности цели и информации. Следовательно, гибкие ХТС уникальны тем, что они обречены активно взаимодействовать с фундаментальной химической наукой, питаясь ее идеями и методами. Наряду с этим гибкие ХТС остаются элементом рыночной инфраструктуры.

Замысел и конструирование (дизайн). На этой стадии предлагаются структурные формулы соединений, способных удовлетворить потребность. Здесь важно сконструировать и предложить формулы веществ, наиболее полно отвечающих сформулированной медиками и молекулярными биологами стратегической задаче. К традиционным профессиональным навыкам, знаниям, интуиции, всегда помогающим химикам на этой стадии, теперь прибавились мощные компьютерные программы, позволяющие прогнозировать биологическую активность вещества с высокой достоверностью.

Направленный синтез. На этой стадии разрабатываются оптимальные тактические маршруты, приводящие к цели наиболее рациональным способом. Уже на стадии синтеза возможен отсев некоторых из намеченных веществ из-за высокой трудоемкости, опасности проведения синтеза, высокой стоимости реагентов и других причин.

Фармакологический скрининг. Здесь на основе экспериментов in vitro отсеивается основное количество веществ, предложенных и синтезированных химиками. Наиболее перспективные препараты, прошедшие этот этап, передаются на клиническую проверку.

Потребность и конъюнктура рынка. Весь процесс создания производства определяется потребностью рынка, поэтому вся цепочка будет эффективно работать только производя конкурентоспособную продукцию, имеющую реальный спрос на рынке.

Эффективность процесса создания препарата и успех его реализации на рынке зависят от распределения нагрузки по отдельным стадиям, неравноценным по трудоемкости и затратам. Стоимость неизбежно возрастает от начала к концу процесса. Поэтому важно, чтобы наукоемкие первые стадии были загружены больше других, что сократит как время создания препаратов, так и расходы на их производство. Теперь понятно, почему наиболее процветающие фирмы, производящие лекарственные средства, содержат собственные, прекрасно оснащенные химические лаборатории, в которых работают высококвалифицированные ученые, в том числе и лауреаты Нобелевской премии.

Для рынка малотоннажных химических продуктов характерно быстрое изменение потребности в конкретном веществе. Поэтому важно успеть вовремя отреагировать на запрос и произвести как можно быстрее нужную продукцию. Отсюда принципиально важная особенность многоассортиментных ХТС -- способность быстро перестроиться на выпуск новой продукции. Иными словами, такие ХТС должны быть гибкими.

В последние 25--30 лет в различных областях физики и математики на передний план выходят нелинейные задачи. Теории, основанные на использовании линейных классических или квантовых уравнений, сыграли определяющую роль в становлении многих областей науки и лежат в основе современных представлений об окружающем нас мире. Однако ясно, что картина мира, построенная на линейных уравнениях, имеет ограниченную область применения, поскольку все линейные процессы рано или поздно становятся нелинейными. Именно нелинейность, по-видимому, и обусловливает возможность существования стабильных структур. В этом нас убеждают как повседневный опыт, так и общефилософские рассуждения. Например, линейный рост приращения длины с ростом приложенной силы (закон Гука) обычно заканчивается разрывом, которому предшествует нелинейный этап. Возможен и второй сценарий этого процесса. Если тело оказалось очень прочным и мы не смогли его разорвать, то это означает, что мощность источника приложенной силы вышла на насыщение. Любой источник имеет конечную мощность, и мы не можем увеличивать приложенную силу до бесконечности. Краеугольной моделью многих линейных теорий является модель гармонического осциллятора. Она лежит в основе квантовых теорий поля, микрочастиц и макроскопических сред. Примером гармонического осциллятора является математический маятник при не очень больших амплитудах колебания. Пусть 9 -- угол отклонения маятника от положения равновесия, тогда уравнение движения математического маятника имеет хорошо известный вид

где со 0 = Jg /1 -- собственная частота колебаний маятника. При 9 < 1 уравнение (1) принимает вид уравнения гармонического осциллятора

ё + со 09 = 0. (2)

В чем состоят основные отличия нелинейного уравнения математического маятника (1) и уравнения гармонического осциллятора (2), являющегося его линейным приближением? Одно из принципиальных отличий состоит в следующем. Уравнению гармонического осциллятора соответствует интеграл движения, имеющий смысл закона сохранения энергии, следующего вида:

E = Ј + ^-° 92, 22

где первое слагаемое в правой части, зависящее от скорости изменения угла, есть кинетическая энергия

K(9) = 9 /2, а второе -- потенциальной П0(9) =

= со ;09 V 2.

Мы видим, что потенциальная энергия гармонического осциллятора представляет собой параболу и имеет одну экстремальную точку -- точку минимума 9 = 0 и стремится к бесконечности с ростом 9.

Для уравнения математического маятника кинетическая энергия имеет тот же самый вид, что и для гармонического осциллятора, а потенциальная энергия отличается и имеет вид

iye) = 2 со 2sin2 2.

При малых углах отклонения 9 < 1 потенциальная энергия маятника близка к потенциальной энергии осциллятора. Однако в отличие от осциллятора потенциальная энергия маятника имеет не одну, а бесконечное число точек минимума, определяемых условием 9Л = 2%n, где n -- целое число. Во-вторых, потенциальная энергия маятника ограничена и достигает максимума в точках

9m = к (2m + 1),

где m -- целое число.

Эти отличия в виде потенциальной энергии приводят к принципиальным отличиям в виде решений уравнений (1) и (2). При со2 > 0 уравнение осциллятора имеет решение в виде гармонических незатухающих колебаний. С физической точки зрения эти решения описывают периодические превращения потенциальной энергии осциллятора в кинетическую энергию его движения и обратно. Сколь бы ни была велика начальная кинетическая энергия осциллятора, он всегда остановится и его кинетическая энергия полностью перейдет в потенциальную.

Уравнение маятника также имеет осциллирующие решения. Однако, во-первых, эти осцилляции не являются гармоническими. Во-вторых, эти осциллирующие решения бывают двух типов. В первом случае, так же как и для осциллятора, происходит периодическое преобразование кинетической энергии в потенциальную и обратно. Во втором не вся кинетическая энергия маятника может быть преобразована в потенциальную. Это связано с тем, что маятник совершает колебания лишь в ограниченной области пространства, поэтому его потенциальная энергия имеет не только минимальное, но и максимальное значение.

Наиболее яркое отличие нелинейного уравнения (1) от линейного (2) состоит, пожалуй, в том, что наряду с осциллирующими решениями уравнение (1) имеет неосциллирующее решение, для которого кинетическая энергия стремится к нулю при стремлении времени к бесконечности (t --«- ±°°). Это решение соответствует ситуации, когда частица стартует с точки максимума потенциальной энергии и заканчивает свое движение на соседнем максимуме потенциальной энергии. Оно имеет вид

9( t) = arcsin( th со о/), 9 (t) = . (3)

Чем отличается апериодическое решение (3) от периодических решений гармонического осциллятора? Дело в том, что кинетической и потенциальной энергии маятника (как и любого другого тела) может быть придан различный смысл. Потенциальная энергия связана с положением частицы в поле сил тяжести, а кинетическая -- со скоростью ее перемещения. Как мы видим, равновесие (в смысле сохранения полной энергии) в линейном мире может осуществляться путем периодического преобразования кинетической энергии в потенциальную и обратно. В нелинейном мире равновесие может достигаться как периодическим обменом, так и строго локализованным во времени обменом энергии. Мы видим из (3), что характерная длительность процесса обмена энергией t0 = 1/ со 0.

Пусть теперь у нас имеется не один маятник, а набор связанных маятников. Связь маятников может осуществляться, например, с помощью пружинок, соединяющих отдельные маятники, или же с помощью электромагнитных полей, если грузики маятников электрически заряжены или являются магнитами. В такой системе колебание любого из маятников приведет к колебаниям его соседей, а следовательно, в системе возникнет волна возбуждения колебаний, распространяющаяся по системе с конечной скоростью. Так же как и в случае колебательных процессов, волновые процессы могут быть линейными или нелинейными.

Разнообразные примеры линейных и нелинейных волновых процессов обсуждались на страницах "Соросов-ского Образовательного Журнала" в [1, 2]. В этих статьях было отмечено, что одним из наиболее интересных и важных нелинейных волновых процессов является час-тицеподобное, или солитонное, распространение волн, когда волна возбуждения движется по системе в виде уединенного импульса, форма которого не меняется по мере распространения. Такое поведение действительно необычно. Более естественным кажется процесс, когда возбуждение одного из маятников передается все большему их числу. В этом случае амплитуда колебаний каждого из маятников постепенно уменьшается, поскольку потенциальная или кинетическая энергия возбуждения одного из маятников постепенно перераспределяется между все большим их числом.

В упомянутых статьях были приведены примеры возникновения уединенных волн в разнообразных физических процессах. Мы остановимся здесь лишь на одном из таких примеров -- солитонах самоиндуцированной прозрачности, возникающих в процессе распространения импульса когерентного света в системе резонансных атомов, и обсудим лишь один из аспектов общей проблемы, связанный со скоростью распространения солитонов.

Для того чтобы пояснить смысл переменных, входящих в уравнение (4), обсудим подробнее физику самого процесса. Хорошо известно, что физика атомов и молекул является физикой квантовых систем. Энергия электрона в атоме не может изменяться непрерывно, а принимает лишь дискретные значения. В основном (невозбужденном) состоянии атома его электроны занимают состояния с наименьшей энергией. При взаимодействии атома с электромагнитной волной электроны могут переходить в возбужденные состояния с большей энергией. Пусть Е1 -- энергия валентного электрона атома в основном состоянии, а Е2 -- в возбужденном. Процесс возбуждения атома наиболее эффективен в том случае, когда энергия кванта поля hco0 совпадает с разностью энергий основного и возбужденного состояний Е2 - Е1 = hco 0. В этом случае, поглотив квант света, атом заведомо окажется в возбужденном состоянии с энергией Е2, а не в каком либо другом возбужденном состоянии. Следовательно, при резонансном взаимодействии света с веществом мы можем полагать, что атом является двухуровневым. Пусть в объеме V среды имеется N двухуровневых атомов и пусть в момент времени t в возбужденном состоянии находятся N2(t) атомов, а N1(t) -- в основном. В этом состоянии система атомов имеет энергию

E (t) = E2 N 2 (t) + Ei N i( t) =

= ^(N2(t) -Ni(t)) +E2+ElN.

Учитывая, что полное число атомов в системе остается неизменным, N2(t) + N1(t) = N, мы видим, что последнее слагаемое в этом выражении от времени не зависит, поэтому мы всегда можем положить E2 + E1 = 0. Это эквивалентно тому, что потенциальную энергию маятника мы отсчитываем от точки подвеса, в этом случае потенциальная энергия маятника в точке устойчивого равновесия равна П1 = -mgl, а в точке неустойчивого равновесия П2 = mgl. Таким образом, энергия атомной системы в момент времени t пропорциональна разности населенностей уровней N2(t) - N1(t). Если иметь дело с протяженной средой атомов, то число атомов N2(x, t) в возбужденном состоянии в различных точках х объема Vв один и тот же момент времени t может быть различно. Более того, плотность числа атомов n(x) = = AN(x)/A Vможет быть неодинакова в различных пространственных точках, если образец неоднороден, поэтому вместо энергии атомной подсистемы удобнее ввести плотность энергии e(x, t) и представить ее в виде

e(x, t) = N2V^ * Ro(x)cos9(x, t).

Таким образом, переменная 9 (x, t), фигурирующая в уравнении (4), определяет плотность энергии атомной системы аналогично тому, как угол 9 определяет потенциальную энергию маятника. Эта переменная в теории двухуровневого атома получила название угла Блоха.

До сих пор мы договорились лишь о точке начала отсчета энергии атома, но не о направлении энергетической оси. Будем считать, что до прихода в точку х импульса света угол Блоха 9 (x, t) всегда равен нулю, тогда равенство R0(x) = -1 означает, что в начальный момент времени все атомы были в основном состоянии с энергией E1 = - hco 0/2 и плотность атомов вдоль направления распространения волны не меняется. Если плотность атомов не является постоянной, то R0(x) зависит от х. Например, если среда имеет размер L вдоль оси х и плотность атомов в объеме постоянна, то R0(x) = -1 при x е [0, L] и равна нулю вне указанного интервала.

ГЛАВА 2. МАЛОТОННАЖНОЕ ПРОИЗВОДСТВО МЕТАНОЛА

При этом тысячи низкоресурсных газовых месторождений по всему миру не вовлечены в эксплуатацию из-за отсутствия экономически выгодных технологий переработки и транспортировки газа. Отрасль остро нуждается в новых технологиях.

Рис.1: Распределение газовых месторождений по величине ресурсов

Остро стоит проблема утилизации попутных нефтяных газов при добыче нефти, мировой объем факельного сжигания которых превышает 100 млрд м3/год. Их использование в полном объеме для покрытия собственных потребностей в энергии не всегда возможно. Кроме того, потребности месторождения в энергии сильно изменяются за период его эксплуатации и не всегда соответствуют объему получаемого попутного газа. Необходим модульный принцип подбора оборудования для обеспечения оптимальных условий эксплуатации в каждом из периодов освоения: наращивание модулей по мере ввода скважин в эксплуатацию и выведения из работы модулей в период падающей добычи.



Рис.:2 Динамика добычи нефти, газа и жидкости

Малотоннажная газохимия позволяет:

1. Снизить объем факельного сжигания углеводородов и их эмиссии в атмосферу.

2. Обеспечить промысловое производство метанола - ингибитора гидратообразования. Организовать производство из газового сырья жидких энергетических и моторных топлив для локальных потребителей.

4. Дать возможность промышленного освоения малоресурсных месторождений.

5. Альтернатива трубопроводному транспорту и СПГ при освоении труднодоступных и удаленных газовых месторождений.

Существует ряд различных подходов к малотоннажной переработке газа в топлива и различные химические продукты. Среди них методы получения синтез-газа путем парового или автотермического реформинга, совместное получение синтез-газа и энергии на базе двигателей внутреннего сгорания, получение синтез-газа на базе ракетных технологий и др. Одно из наиболее перспективных направлений в создании новых технологий основано на прямом парциальном окислении углеводородных газов в метанол и другие оксигинаты (direct methane oxidation to methanol - DMTM). Преимуществами DMTM технологии является:

* одностадийный характер процесса;

* автотермический процесс, не требующий дополнительных затрат тепла и энергии;

* низкие капзатраты;

* возможность перерабатывать углеводородные газы практически любого состава;

* нечуствительность к примесям, в т.ч. соединениям серы и другим каталитическим ядам;

* возможность использовать в качестве окислителя воздух;

* низкие операционные затраты;

* слабая зависимость себестоимости от производительности.

Наиболее очевидной и практически разработанной технологией на базе Метокс-процесса является малотоннажное производство метанола для предотвращения образования газовых гидратов при добыче, переработке и транспортировке природного газа на удаленных месторождениях. Ежегодное потребление метанола для этих целей в России достигает трехсот тысяч тонн. Из-за трудности транспортировки его цена для потребителя вдвое превышает рыночную стоимость. Существуют десятки районов добычи не имеющих удобной транспортной инфраструктуры, разбросанных на огромных расстояниях, каждое из которых потребляет около 3-5 тыс.т. метанола. Технико-экономические оценки показывают, что в этих случаях простые установки на базе Метокс-процесса могут обеспечить непрерывную поставку метанола при себестоимости в несколько раз ниже, чем цена доставляемого продукта. Время их окупаемости 3-4 года. Минимальный набор оборудования позволяет получать метанол-сырец, который также может быть использован в качестве топлива для местного потребления.



Рис.3: Макет установки получения метанола прямым окислением метана. Проект ООО «АМТЕК инжиниринг».

Главным достоинством установки по производству метанола методом прямого окисления является способность перерабатывать «жирный» нефтяной газ. Местом привязки может быть любой комплекс нефтяного или газового месторождения, на котором имеются: газопроводы, инженерные сооружения, система энергообеспечения.

Рис.4: Схема включения установки прямого окисления метана в инраструктуру месторождения

Разработаны технологические схемы для различных случаев, включая прямое введение содержащих метанол газов в газопровод без предварительного выделения метанола.

Такие малотоннажные установки могут быть использованы для производства метанола в качестве абсорбента для извлечения соединений серы и других компонентов из природного газа, как в известном промышленном процессе Ректизол, разработанным компанией Лурги. Хотя метанол как абсорбент менее эффективен, чем этаноламины, при собственном производстве он будет значительно дешевле. На одной установке возможно удаление соединений серы, производство метанола и введение части его в газовую магистраль для предотвращения гидратообразования.

Еще одна группа разрабатываемых процессов направлена на решение важной экономической и экологической проблемы нефтегазодобычи - предотвращения факельного сжигания попутных газов. В то время как газовый конденсат и пропан-бутановая фракция могут транспортироваться потребителю в виде обычной жидкости или жидкости под давлением, а сухой природный газ может доставляться по газопроводам, транспортировка этановой фракции является сложной технической проблемой. В большинстве случаев она экономически не выгодна, поэтому этан просто сжигается. В России используется всего несколько процентов этана, добываемого в составе природного газа. Более 90% этановой фракции теряется, хотя она является идеальным сырьем для прямого окисления в оксигенаты. Наши исследования показали, что она может перерабатываться при низких, менее 3 МПа давлениях, обеспечивая высокий выход таких ценных продуктов, как метанол, формалин, этанол. Включение этого процесса в состав существующих газофракционирующих установок позволяет сделать оба процесса боле экономичными за счет совмещения ряда узлов и комбинации тепловых потоков.

маломонтажный малотоннажный метанол скриннинг конъюнктура



Рис.5: Парциальное окисление газов деэтанизации НТР

Малотоннажная промысловая конверсия природных и попутных газов на базе Метокс-процесса позволяет экологически и экономически оправданным способом решить проблему утилизации этих газов, обеспечить собственные потребности промыслов в метаноле-ингибиторе гидратообразования и жидком топливе, вовлечь в эксплуатацию большое число малоресурсных месторождений. Основным продуктом конверсии углеводородных газов может стать метанол - универсальное топливо и химическое сырье для получения разнообразных химических продуктов.

Прямой и косвенный вклад катализа в экономику развитых стран составляет до 25% всеобщего валового продукта и в мировом масштабе исчисляется даже не миллиардами, а триллионами долларов [1]. К сожалению, в настоящее время, в России производится различных катализаторов не более 10-25% от их уровня производства начала 90-х годов. Идет захват рынка иностранными компаниями. Сегодня практически весь объем бензина производится на зарубежных катализаторах, в азотной промышленности более половины производств оснащено иностранными катализаторами, что делает российскую экономику крайне уязвимой и неустойчивой.

Известно, что внедрение лучших по характеристикам катализаторов в 10-100 раз эффективнее других технических усовершенствований. Если учесть, что до 90% промышленных химико-технологических процессов идут в присутствии катализаторов, становится ясным масштаб их применения в различных производствах.

Несмотря на то, что география производства катализаторов и сорбентов весьма обширна (Новосибирск, Москва, Омск, Ангарск, Пермь, Рязань, Уфа, Томск, Казань, Санкт-Петербург, Екатеринбург, Щелково, Нижнекамск, Са-лават, Черноголовка, Ярославль, Тольятти, Красноярск, Ишимбай, Стерлита-мак, Северодонецк, Новомосковск и др.), а разработки российских специалистов по уровню исследований по-прежнему являются ведущими в мире, при сложившейся на сегодняшний день экономической ситуации, это положение может измениться. Поскольку техническая оснащенность отечественной промышленности, к сожалению, много лет отстает от передовых зарубежных производителей, то многие отечественные разработки катализаторов, несмотря на их высочайший уровень, не смогли конкурировать с западными. В современных условиях это обернулось катастрофой для всей катализаторной отрасли России.

В настоящее время, в связи с резким повышением цен на катализаторы, на ряде производств принимаются решения о продлении сроков эксплуатации сверх нормативных, что снижает экономические показатели и чревато аварийными последствиями.

Таким образом, чтобы не допустить снижения производства катализаторов и экспансии иностранных фирм, необходимо финансирование перспективных предприятий мирового уровня. Также, в сложившейся ситуации экономически оправданным решением становится создание малотоннажных многоассортиментных производств, способных реализовывать разнообразные процессы химического синтеза и выпускать широкий ассортимент продукции, в соответствии с рыночной конъюнктурой. Для подобных производств с гибкой перенастраиваемой технологией, существенной становится проблема управления при переходе на новый вид продукции, который часто сопровождается изменениями технологической схемы и приводит к вынужденным простоям из-за переналадки оборудования и настройки систем управления. В связи с этим, наиболее актуальной задачей является разработка гибкой системы управления, адаптивной по отношению к различным видам продукции одного класса и производительности. Такая система позволяет существенно сократить экономические потери, связанные с переходом на новый вид продукции.

Подбор катализаторов даже для таких хорошо изученных реакций, как окисление аммиака, метанола, диоксида серы, синтез аммиака, высших спиртов, конверсия оксида углерода, является эмпирическим [2], требует длительного поиска и усовершенствования. Переход от эмпирических методов подбора к точной теории предвидения каталитического действия достаточно сложен. Имеются лишь отдельные прогнозы создания катализаторов с заданными свойствами. Создание катализаторов, обладающих высокой активностью и устойчивых в работе при значительном колебании параметров технологических режимов, является целью технологов - разработчиков катализа-

торов, в связи с чем, отдельным направлением при разработке технологии промышленного производства новых сорбционно-каталитических материалов становится исследовательская деятельность. Чаще всего при этом рассматривают наиболее проблемную и важную стадию производства. При этом одной из важнейших задач является обработка и анализ экспериментальных данных, что зачастую представляет серьезную проблему из-за большого объема данных, несовершенных методов обработки и не всегда очевидных подходов к интерпретации результатов. В связи с этим актуальной становится задача создания математических моделей и программных средств для исследовательских целей и для управления технологическим процессом, что позволит повысить информативность и эффективность управления.

Таким образом, можно утверждать, что разработка и внедрение в современное отечественное производство сорбционно-каталитических материалов эффективных компьютерных систем управления является актуальной задачей. В связи с меняющейся конъюнктурой рынка сорбционно-каталитической отрасли, диктующей потребность динамического отклика разработками и выпуском новых продуктов данного класса, возникает необходимость в создании систем управления гибкими многоассортиментными производствами.

Основная особенность таких систем заключается в решении задач различных уровней автоматизации: от обработки экспериментальных данных, синтеза математических моделей, до выработки оптимальных управляющих воздействий и выдачи советов оператору-технологу. При этом основные усилия следует сосредоточить на управлении ключевыми стадиями многостадийного синтеза гранулированных пористых материалов.

Таким образом, целью настоящей диссертационной работы является создание комплекса средств для решения задач управления качеством продукции, управления в нештатных ситуациях, при переходе на новый вид продукции в условиях гибкого многоассортиментного производства гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

* исследовано малотоннажное многоассортиментное производство гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц, выявлены характеристики используемого сырья и материалов, оборудования, определены требования к системе управления;

* исследованы процессы производства алюмохромфосфатного катализатора (АХФ), алюмофосфатного сорбента-осушителя (АФ), носителя -шарикового активного оксида алюминия (ШАОА), определены особенности производства как объекта управления, выделены ключевые стадии и показатели качества готовой продукции;

* разработаны математические модели ключевых стадий, позволяющие определять технологические режимы производства новых видов гранулированной сорбционно-каталитической продукции, компенсировать недостаточную наблюдаемость процесса (параметры, контролируемые только лабораторным путем), прогнозировать основные показатели качества продукции, выбирать управляющие воздействия для обеспечения заданного качества продукции;

* исследованы методы синтеза систем управления гибкими производствами, разработаны структура и алгоритм функционирования для системы управления гибким многоассортиментным производством гранулированных пористых материалов;

* разработана система поддержки принятия решений для управления производством в условиях возникновения нештатных ситуаций, включающая базу знаний, состоящую из 55 нештатных ситуаций, 91 причины и 92 рекомендаций;

* разработан программный комплекс системы управления многоассортиментным производством гранулированных пористых материалов, включающий математические модели наиболее важных стадий, позволяющие прогнозировать технологические параметры процесса и выбирать управляющие воздействия для обеспечения заданных значений показателей качества продукции, базы данных технологических режимов и параметров, характеристик сырья и материалов, оборудования и позволяющий решать функциональные задачи управления производством гранулированных пористых материалов;

* проведено тестирование и внедрение системы на примере действующего гибкого многоассортиментного производства гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц.

В первой главе настоящей работы анализируются существующие системы управления производствами гранулированных пористых материалов, определяются современные тенденции в проектировании и создании программных комплексов для синтеза систем управления гибкими многоассортиментными производствами в сорбционно-каталитической промышленности. Проводится анализ современного многоассортиментного производства гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц. Во второй главе формулируются задачи управления производством гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц. Технологический процесс производства катализатора АХФ, сорбента АФ и носителя ШАОА анализируется как объект управления. В соответствии с определенными задачами проводится разработка структуры и алгоритма функционирования программного комплекса системы управления многоассортиментным производством. Третья глава посвящена разработке информационного, математического и программного обеспечения системы управления гибким производством гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц. В четвертой главе приводятся сведения о тестировании и внедрении системы для управления производством гранулированных пористых материалов сорбционно-каталитического назначения, а также внедрении разработанного программного и математического обеспечения в учебный процесс.

ГЛАВА 3. ХАРАКТЕРИСТИКА ГИБКИХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ В СОРБЦИОННО-КАТАЛИТИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

Функционирование химического производства невозможно без применения современных средств автоматизации. Современное производство гранулированных пористых материалов, подразумевает использование развитых систем контроля и управления технологическими процессами на базе ЭВМ, что позволяет подойти к организации данных производств как к созданию гибких автоматизированных производственных систем (ГАПС), обеспечивающих быструю и ресурсосберегающую адаптацию производства к изменению ассортимента продукции, видов и состава сырья, режимов протекания технологических процессов и т. п. [3, 4].

Для многоассортиментных сорбционно-каталитических производств с переменной номенклатурой продукции (в пределах определенного класса) актуальна задача размещения новых технологических процессов на оборудовании действующих производств [5].

Наиболее распространенная классификация продуктов химической промышленности следующая [5]:

1) продукты неорганической химии;

2) полимеры (синтетические каучуки, пластмассы и химические волокна);

3) лакокрасочные материалы и продукты;

4) синтетические красители и органические промежуточные продукты;

5) продукты органического синтеза (нефте-, коксо- и лесо- химия);

6) химические реактивы и особо чистые химические вещества;

11

7) медикаменты и химико-фармацевтическая продукция.

Каталоги производителей и дистрибьюторов продуктов тонкой химии включают десятки тысяч наименований химических соединений. Эти вещества характеризуются различной молекулярной структурой, физическими, химическими и токсикологическими свойствами. Они различаются областями применения, требованиями к чистоте продукции и производственных помещений, опасностью и, наконец, объемом (тоннажем) выпуска [6]. Можно классифицировать химическое производство по мощности выпуска продукции следующим образом (в т/год): микротоннажные (до 0,1), малотоннажные (0,1-10), среднетоннажные (10-1000), крупнотоннажные (5-10 тыс.) и супертоннажные (свыше 100 тыс.). Между данными группами химических производств имеются принципиальные отличия. Крупно- и супертоннажные производства нацелены на выпуск в огромных масштабах продукции стабильного ассортимента, микро- и малотоннажные - на обеспечение спроса химической продукции с широким и быстро обновляющимся ассортиментом, но относительно небольшим объемом выпуска [7].

Производство гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц включает производство катализаторов, сорбентов и носителей, в первую очередь - специального назначения и со специальными свойствами. Производительность производства таких материалов колеблется между 1 - 1,2 и 2,5-3 тонн в год, следовательно, оно относится к малотоннажным.

Наряду с объемом выпуска, в качестве классификационного признака производства используется характер ассортимента, по которому выделяются многоассортиментные производства. Малотоннажное производство гранулированных пористых материалов со специальными свойствами является многоассортиментным, поскольку ориентировано на выпуск широкого перечня продукции сорбционно-каталитического назначения.

В отличие от крупнотоннажных производств (серной кислоты, аммиака, минеральных удобрений, продуктов основного органического синтеза и др.), где ассортимент продукции и ее тоннаж, как правило, фиксированы, а технологические системы ориентированы на единственный продукт и функционируют преимущественно в непрерывных режимах [5], малотоннажное многоассортиментное производство гранулированных пористых сорбцион-ных и каталитических материалов специального назначения из тонкодисперсных частиц характеризуется следующими признаками: обширный ассортимент продукции непостоянной номенклатуры; многообразие видов перерабатываемого сырья, в том числе уникального; возможность получения одного и того же продукта из сырья разных видов; сложность и многоста-дийность схем химического синтеза и выделения целевых продуктов; возможность получения одного и того же продукта разными способами; сложность технологической структуры производства; множество связей по сырьевым и полупродуктовым потокам.

Малотоннажные продукты, к которым также относятся гранулированные пористые сорбционно-каталитические материалы специального назначения называют также продуктами тонкого химического синтеза. Следует отметить, что невозможно четко разграничить понятия «крупнотоннажные химические продукты» и «продукты тонкого синтеза». Основные признаки, по которым тот или иной продукт принято относить ко второму классу, это -высокая наукоемкость, значительная добавленная стоимость (в процессе его производства), небольшой объем партий и широкий ассортимент. Однако при таком определении граница между двумя названными классами продуктов оказывается условной и весьма подвижной, так как в зависимости от ряда обстоятельств один и тот же продукт может быть отнесен и к крупнотоннажным, и к продуктам тонкого синтеза. Тоннаж продукции при этом существенной роли не играет.

Таким образом, по характеру ассортимента и организации технологических процессов (широкая номенклатура, малый объем выпуска, периодический способ организации технологических процессов и др.) производство специальных гранулированных носителей, сорбентов и катализаторов из тонкодисперсных частиц можно отнести к многоассортиментным малотоннажным продуктам.

В настоящее время, по тоннажу и характеру ассортимента неорганические композиционные материалы специального назначения, такие как катализаторы, сорбенты и носители, можно определить как заказные, т.е. выпускаемые по мере появления потребности в них, причем заказ может составлять и 1 килограмм.

Для малотоннажных производств специальных сорбционно-каталитических материалов характерен обширный и непостоянный ассортимент продукции, который обновляется в результате освоения промышленностью новых перспективных видов. Обновление ассортимента обычно сопровождается улучшением качества продукции и, как правило, расширением ее номенклатуры.

Разработка и освоение производства малотоннажных химических продуктов от лабораторных исследований до включения в действующий ассортимент требуют значительного времени, а их жизненный цикл в сфере потребления, а следовательно, и в сфере производства, зачастую, короток.

Расширение ассортимента малотоннажной химической продукции и непостоянство ее номенклатуры приводят, с одной стороны, к усложнению структуры производства и необходимости проектирования и строительства новых производств [6], а с другой - к уменьшению полезного времени работы технологического оборудования, и следовательно - к снижению технико-экономической эффективности производства.

Из анализа ассортимента малотоннажных производств материалов сорбционно-каталитического назначения ясно, что экономически не выгодно проектировать производства, ориентированные на конкретный продукт, и следует разрабатывать технологические системы, обеспечивающие возможно более широкий набор аппаратурно подобных технологических процессов.

Очевидно, что технологические процессы, лежащие в основе упомянутых групп производств, организуются в соответствии с различными принципами. Крупнотоннажные производства основаны на непрерывных технологических процессах. Непрерывные производства отличаются сложностью и спецификой аппаратурного оформления, переработкой огромной массы реагентов и растворителей, потреблением больших количеств энергии. Подобные технологические монстры нередко загрязняют окружающую среду гигантским количеством отходов. Во избежание чрезвычайных последствий ошибок операторов системы управления и контроля таких производств полностью автоматизированы. Непрерывные производства созданы для выпуска одного, реже нескольких химических продуктов. Отсюда их инерционность при переходе с одного вида продукции на другой [6].

Синтез специальных сорбентов, катализаторов и носителей, как малотоннажных химических продуктов [7] основан на разнообразных химических процессах, протекающих в относительно простых реакторах периодического действия. Продукты данного класса разнообразны по химическому строению и потребительским свойствам, их ассортимент непрерывно и быстро обновляется. Важно, что к качеству продукции сорбционно-каталитического назначения, предъявляют исключительно жесткие требования.

Для производства гранулированных пористых материалов, как и для других малотоннажных химических производств важно успеть вовремя отреагировать на запрос потребительского рынка и произвести как можно быстрее продукцию, пользующуюся спросом. Отсюда принципиально важная особенность данных многоассортиментных химико-технологических систем (ХТС) - способность быстро перестроиться на выпуск новой продукции. Иными словами, гибкость (перестраиваемость) системы становится необходимой характеристикой малотоннажного производства гранулированных пористых материалов.

Свойства гибкости придаются ХТС на всех этапах ее синтеза, включая синтез АСУ.

Целесообразно рассматривать гибкие автоматизированные системы состоящими из процессно-аппаратурной и информационно-управляющей подсистем [9].

1. На первом этапе решается задача формирования оптимального ассортимента продукции (ассортимент, наиболее полно удовлетворяющий спросу при минимальнных затратах на выпуск продукции в необходимых количествах) с учетом возможной взаимозаменяемости ее отдельных марок.

2. Формирование оптимальной технологической структуры многоассортиментного производства, в результате чего множество подлежащих peaлизации технологических процессов оптимальным образом распределяется по типам технологического оборудования.

В итоге многоассортиментное производство оказывается декомпозированным на подмножества ХТС, среди которых имеются гибкие системы.

3. Автоматизированный синтез гибких ХТС, т.е. детализация структуры и полного аппаратурного оформления. Оптимизация выполняется по тому или иному (обычно экономическому) критерию.

4. Создание АСУ ТП ГНС, которые призваны оптимизировать их функционирование с возможностью легко и быстро переориентировать схему на производство продукции другого ассортимента [9] .

Классификация технологических стадий многоассортиментных производств сорбционно-каталитической продукции

Типовая технологическая схема производства гранулированных пористых материалов состоит из этапов подготовки сырья, химического синтеза и сдачи-приемки готовой продукции.

К стадиям подготовки сырья производств гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц относятся растворение, помол и сушка; к стадиям химического синтеза - смешение, гомогенизация, формование, термообработка (провялка, сушка, прокалка), пропитка, дробление и классификация.

Практически все стадии представляют собой совокупность разнообразных технологических процессов и могут быть классифицированы в соответствии с их физико-химической природой, согласно [3]:

К механическим процессам относятся: переработка твердых материалов под действием механических сил: измельчение, классификация, смешение твердых материалов. Измельчение проводится с целью увеличения удельной поверхности твердых материалов, а также обеспечения требуемых физико-химических характеристик. Например, возможность приготовления пластичных масс для гранулирования сорбентов и катализаторов из твердых частиц исходных материалов во многом определяется их дисперсностью и реакционной способностью. Требуемые дисперсность и реакционная способность частиц обеспечиваются либо использованием исходных материалов с необходимыми характеристиками, либо посредством измельчения исходного сырья до тонкодисперсного состояния на стадии помола. Процессы классификации сыпучих материалов (их разделение на фракции, различающиеся гранулометрическим составом)- для обеспечения их требуемого гранулометрического состава. В производстве гранулированных пористых материалов к классификационным относится процесс рассева. Процесс смешения твердых порошкообразных материалов используется для приготовления продукта заданного компонентного состава в соответствие с нормативами технологии.

Гидромеханические (гидродинамические). Такие гидромеханические процессы как перемешивание, движение потоков газов и жидкостей в трубах являются составной частью большинства стадий малотоннажных производств. В рассматриваемой технологии вышеназванные процессы осуществляются при приготовлении рабочих растворов пептизаторов и пластификаторов, активных добавок и при дозировке жидких компонентов.

Термические - технологические стадии, включающие проведение процессов дегидратации, химических, физико-химических и фазовых превращений при температурном воздействии. В производстве гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц термические процессы представлены стадиями провялки, сушки и прокалки, играющими важную роль в формировании свойств сорбентов и катализаторов как таковых, и гранулированных пористых тел, в особенности.

ГЛАВА 4. УЧЕБНО-ПРОМЫШЛЕННАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАСЧЕТА ОБОРУДОВАНИЯ МНОГОАССОРТИМЕНТНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Расчет оборудования является одним из важнейших этапов технологических расчетов при проектировании и реконструкции многоассортиментных малотоннажных химических производств (ММХП), примерами которых могут служить производства химических красителей и полупродуктов, добавок к полимерным материалам, кинофотоматериалов, фармацевтических препаратов. Химико-технологические схемы (ХТС) ММХП обычно ориентированы на выпуск нескольких марок продукции, а большинство стадий синтеза продуктов производств этого класса включают сложные, недостаточно изученные физико-химические превращения и чаще всего реализуются в периодическом режиме. Эти особенности резко усложняют решение задачи расчета оборудования, которая сводится к определению основных размеров и числа аппаратов заданных типов, позволяющих реализовать стадии синтеза всех продуктов заданного ассортимента и выпустить за отведенное время требуемое количество каждого продукта. Спрос на те или иные виды продукции ММХП довольно часто меняется, поэтому актуальной, особенно в настоящее время, является задача организации выпуска новых продуктов с использованием оборудования существующих ХТС при его минимальной реконструкции.

Система автоматизации расчета оборудования ХТС ММХП разрабатывается авторами в течение двадцати последних лет и в настоящее время существует в двух версиях: промышленной и учебной. Первая ориентирована на конкретное многоассортиментное производство и предназначена главным образом для решения задач организации выпуска новых продуктов с помощью имеющегося оборудования, вторая служит для обучения студентов специализации 17.05.14 "Гибкие автоматизированные системы в технологии машин и аппаратов химических производств" основам автоматизированного проектирования и реконструкции аппаратурного оформления (АО) ХТС ММХП.

В основу функционирования системы положена разработанная авторами математическая модель определения и реконструкции АО ХТС ММХП. Ее последний вариант, в отличие от предложенных ранее [1-3], учитывает возможность возникновения на некоторых стадиях ХТС следующих типичных производственных ситуаций: дробление партий продуктов на равные части и их последовательная обработка; объединение и совместная обработка нескольких партий; синхронная обработка аппаратами стадии равных долей партии материалов. Необходимость учета возможности возникновения этих ситуаций вызвана, с одной стороны, стремлением обеспечить выпуск всех продуктов ассортимента проектируемого производства с помощью минимального количества основного оборудования, а с другой - тем, что размеры аппаратов существующего производства, способных реализовать стадии выпуска нового продукта, могут сильно отличаться от требуемых.