Зялёная хімія: Устойлівыя падыходы да вытворчасці перакісаў

Уводзіны

Хімічная прамысловасць сутыкаецца з усё большым ціскам, каб скараціць свой экалагічны след, захоўваючы пры гэтым эфектыўнасць вытворчасці і якасць прадукцыі. Для вытворцаў арганічных перакісяў гэтая задача асабліва вострая — сінтэз перакісяў уключае ў сябе небяспечную хімію, энергаёмістае ахалоджванне і складаныя патрабаванні да ачысткі. Аднак сучасныя практыкі вытворчасці, заснаваныя на прынцыпах зялёнай хіміі, даказваюць, што ўстойлівасць і канкурэнтаздольнасць могуць ісці рука ў руку. У гэтым артыкуле разглядаецца, як перадавыя прадпрыемствы па вытворчасці пераксіду ўкараняюць устойлівыя практыкі ў такіх сферах, як адбор сыравіны, сінтэз, кіраванне энергіяй, скарачэнне адходаў і аптымізацыя жыццёвага цыкла прадукцыі.

12 прынцыпаў зялёнай хіміі ў вытворчасці пераксіду

12 прынцыпаў зялёнай хіміі Пола Анастаса і Джона Уорнера даюць аснову для ацэнкі ўстойлівасці вытворчасці. Некалькі прынцыпаў маюць прамое і трансфармацыйнае прымяненне ў вытворчасці пераксіду:

Аднаўленне і перапрацоўка растваральнікаў

Закрытыя сістэмы растваральнікаў

Многія арганічныя перакісі сінтэзуюцца ў арганічных растваральніках (талуол, ізададэкан, фталатныя пластызатары), якія застаюцца ў канчатковым прадукце ў якасці растваральнікаў-разбаўленнікаў або флегматызатараў. Аднак этапы рэакцыі і ачысткі часта патрабуюць дадатковых растваральнікаў, якія павінны быць выдалены з канчатковага прадукту. Сучасныя заводы па вытворчасці перакісяў укараняюць сістэмы закрытага цыкла рэкуперацыі растваральнікаў, якія:

• Збіраюць галоўны паровы струмень дыстыляцыі — выкарыстоўваючы шматступеньчавыя кандэнсатары і нізкатэмпературныя пасткі для аднаўлення растваральнікаў з дыстыляцый рэакцыйных і ачышчальных этапаў з эфектыўнасцю больш за 99%
• Аднаўленне растваральнікаў для мыйкі — канструкцыі з супрацьтокавай экстракцыяй, якія мінімізуюць выкарыстанне растваральнікаў і максімізуюць эфектыўнасць раздзялення
• Перапрацоўка на месцы — адноўленыя растваральнікі аналізуюцца на чысціню і вяртаюцца непасрэдна ў працэс, што ліквідуе вугляродны след, звязаны з аўтсайдэрскай перапрацоўкай або ўтылізацыяй растваральнікаў
• Рэгенерацыя адсарбентаў — пласты актываванага вугалю і малекулярнага сіта, якія выкарыстоўваюцца для канчатковай ачысткі растваральніка, рэгенеруюцца на месцы з аднаўленнем растваральніка, а не выкідваюцца

Уплыў: Найлепшыя ў сваім класе заводы па вытворчасці перакісу дасягаюць паказчыкаў аднаўлення растваральнікаў на ўзроўні 95–98%, што змяншае спажыванне свежага растваральніка ў дзесяць разоў у параўнанні з аднапраходнымі сістэмамі. Тэрмін акупнасці інфраструктуры па аднаўленні растваральнікаў звычайна складае 2–4 гады.

Выбар растваральніка: Адмова ад праблемных растваральнікаў

Галіна актыўна змяншае залежнасць ад праблемных растваральнікаў:

• Вывад з эксплуатацыі дыхларметыну — замяняецца на этылавы ацэтат, метыл-тэрц-бутылавы эфір (МТБЭ) або безадходныя працэсы для адпаведных сінтэзаў пераксіду
• Замена араматычных растваральнікаў — Ізададэкан і дэараматызаваныя вуглевадародныя вадкасці замяняюць талуол і ксілол там, дзе гэта тэхнічна магчыма, зніжаючы таксічнасць ЛОС
• Вадаэмульсійныя дысперсіі — распрацоўка акваарганічных перакісных дысперсій цалкам выключае арганічныя растваральнікі для пэўных сфер прымянення, ствараючы па сваёй прыродзе больш бяспечныя формы прадуктаў

Аптымізацыя энергаспажывання

Халадзільнае абсталяванне: асноўны спажывец энергіі

Вытворчасць арганічных перакісяў па сваёй прыродзе энергаёмістая з-за нізкіх тэмператур, неабходных для сінтэзу (звычайна ад -10°C да +10°C) і захоўвання (да -25°C). Халадзільнае абсталяванне можа складаць 40–60% ад агульнага спажывання электраэнергіі на заводзе па вытворчасці пераксіду. Асноўныя стратэгіі аптымізацыі ўключаюць:

• Каскадныя халадзільныя сістэмы — выкарыстанне паслядоўных халадзільных контураў з паступовым зніжэннем тэмпературы, пры якім адпрацаваная цеплыня з контураў больш высокай тэмпературы забяспечвае папярэдняе ахалоджванне для этапаў з больш нізкай тэмпературай
• Частотна-рэгуляваныя прывады (ЧРП) на рухавіках кампрэсараў — рэгуляванне хуткасці кампрэсара ў адпаведнасці з фактычным попытам на ахалоджванне, а не працай на поўнай хуткасці з рэгуляваннем абхаднай лініяй, што дазваляе зэканоміць 15–30% энергіі
• Тэрмічнае назапашванне — сістэмы назапашвання з лёдавым сховішчам або ў халоднай вадзе, якія пераносяць халадзільную нагрузку на гадзіны з нізкім спажываннем электраэнергіі, зніжаючы як выдаткі на энергію, так і пікавае спажыванне ў сетцы
• Аднаўленне цяпла — паглынанне адпрацаванага цяпла з выпускнога канала кампрэсара для ацяплення будынка, гарачага водазабеспячэння або для нізкатэмпературнага тэхналагічнага ацяплення (напрыклад, папярэдняга награвання сыравіны)
• Высокаэфектыўная ізаляцыя — вакуум-ізаляваныя панэлі і аэрагелевая ізаляцыя на рэактарах і ёмістасцях для захоўвання зніжаюць цеплавы прыток і адпаведную халадзільную нагрузку на 40–60%

Кіраванне энергіяй рэакцыі

Рэакцыі сінтэзу пераксіду звычайна экзатермічныя. Эфектыўнае адвядзенне цяпла мае важнае значэнне як для бяспекі, так і для якасці, але разумная тэрмічная інтэграцыя можа ператварыць гэтую праблему ў магчымасць:

• Абмен цяплом паміж сыравінай і прадуктам рэакцыі — выкарыстанне гарачага прадукту рэакцыі для папярэдняга награвання ўваходнай сыравіны, што змяншае патрэбу ў энергіі як для награвання, так і для ахалоджвання
• Каларыметрыя рэакцыі — маніторынг цеплавога патоку ў рэжыме рэальнага часу дазваляе дакладна кантраляваць тэмпературу, прадухіляючы пераахалоджванне, што зніжае энергаспажыванне на ахалоджванне і пры гэтым захоўвае запасы тэхнічнай бяспекі

Інтэнсіфікацыя працэсу

Тэхналогія мікрарэактараў з бесперапынным патокам набірае папулярнасць для сінтэзу арганічных перакісяў. У параўнанні з партыённымі працэсамі, бесперапынныя мікрарэактары прапануюць:

• Выдатная цеплаперадача (суадносіны паверхні і аб'ёму ў 100–1000 разоў большыя, чым у партыённых рэактарах), што дазваляе праводзіць рэакцыі хутчэй і пры больш бяспечных тэмпературах
• Меншыя аб'ёмы рэактара (змяншэнне запасаў небяспечных прамежкавых прадуктаў на 90–99%)
• Пастаянная якасць прадукту дзякуючы дакладнаму кантролю часу знаходжання і тэмпературы
• Зменшаныя аб'ёмы растваральніка — рэакцыі, якія патрабуюць разбаўлення ў партыях для кіравання цеплавыдзяленнем, часта могуць праходзіць пры больш высокіх канцэнтрацыях у бесперапынным патоку

Змяншэнне аб'ёму адходаў і валорызацыя пабочных прадуктаў

Вадкія сцёкавыя патокі

Сінтэз перакісу ўтварае вадкія адходы, якія змяшчаюць солі (ад этапаў нейтралізацыі), арганічныя пабочныя прадукты і рэшткавы перакіс. Сучасныя метады ачысткі ўключаюць:

• Разбурэнне пераксіду — Кантраляванае каталітычнае або тэрмічнае раскладанне рэшткавага пераксіду ў сцёкавых патоках перад скідам, што ліквідуе рэакцыйныя небяспекі пры ачыстцы сцёкавых вод
• Мембраннае аддзяленне — нанафільтрацыя і зваротны асмас для канцэнтрацыі арганічных забруджвальнікаў з мэтай іх аднаўлення або спальвання, а таксама для атрымання чыстай вады для паўторнага выкарыстання
• Нулявы сцёк вадкасці (НВС) — найлепшая практыка для новых прадпрыемстваў; усе вадкія адходы апрацоўваюцца і перапрацоўваюцца ў межах прадпрыемства, што выключае сцёк вадкага сцёку

Пабочныя патокі

Важныя пабочныя прадукты сінтэзу перакісу ўключаюць:

• тэрт-бутанол (ТБА) — пабочны прадукт пэўных сінтэзаў пераксідаў; можа ачышчацца для продажу як прамысловы растваральнік або хімічнае пасярэднік
• Расолы натрыю сульфату/натрыю хларыду — атрымліваюць шляхам нейтралізацыі кіслотных адходаў; канцэнтрацыя і крышталізацыя дазваляюць атрымаць прадаваныя солевыя прадукты або зыходную сыравіну для хлор-шчолачных працэсаў
• Спіртавыя пабочныя прадукты — з бакавых рэакцый гідролізу; вылучэнне шляхам перагонкі для выкарыстання ў якасці кампанентаў для змешвання з палівам або хімічнай сыравіны

Сыравіна біялагічнага паходжання: наступны рубеж

Хоць у цяперашні час большасць камерцыйных арганічных перакісяў атрымліваюць з зыходных матэрыялаў на аснове нафты, даследаванні біялагічна чыстых альтэрнатыў паскараюцца:

• Перакіс вадароду біялагічнага паходжання — ферментатыўная вытворчасць H₂O₂ з глюкозы/кіслароду забяспечвае асноўны акісляльнік для многіх сінтэзаў перакісяў без нафтахімічнага вадароду
• Пераксіды на аснове тлустых кіслот — Пераксіды, сінтэзаваныя з тлустых кіслот раслінных алеяў (алеінавай, лінолевай кіслоты), прапануюць аднаўляльны вуглярод з параўнальнымі характарыстыкамі ў пэўных сферах прымянення
• Бія-алкаголі для пераксэстэраў — Біяэтанол і біябутанол могуць служыць алкагольным кампанентам у сінтэзе пераксэстэраў, замяняючы нафтахімічныя алкаголі
• Фенолы на аснове лігніну — новыя даследаванні прадуктаў дэпалімерызацыі лігніну ў якасці заменнікаў фенолу для пэўных пераксідных прамежкавых злучэнняў

Хоць біябазаваныя перакісі сутыкаюцца з праблемамі ў дасягненні парытэту па кошце і эфектыўнасці з іх нафтахімічнымі аналагамі, яны ўяўляюць сабой стратэгічна важны доўгатэрміновы напрамак для галіны, асабліва паколькі ўлік вугляроду і сертыфікацыя біязмесціва становяцца патрабаваннямі да закупкі для буйных вытворцаў палімераў.

Падыход, арыентаваны на жыццёвы цыкл: па-за межамі завода

Устойлівая вытворчасць выходзіць за межы завода-вытворцы пераксіду. Асноўныя аспекты жыццёвага цыкла ўключаюць:

• Канцэнтрацыя прадукту — больш актыўныя гатункі пераксіду (напрыклад, 99% DCP у параўнанні з 40% на інертным носьбіце) змяншаюць вагу пры перавозцы, аб'ём упакоўкі і транспартныя выкіды на адзінку пастаўлянага актыўнага пераксіду
• Аптымізацыя ўпакоўкі — вяртаемыя кантэйнеры-кубкі (IBC) і дастаўка наливным спосабам выключаюць адходы аднаразовай упакоўкі для буйных заказчыкаў
• Эфектыўнасць халоднай ланцужка — аптымізаваныя маршруты дастаўкі, шматкамерныя транспартныя сродкі з кантролем тэмпературы і кансалідацыя з адпраўленнямі іншых вытворцаў пераксіду зніжаюць вугляродныя выкіды, звязаныя з транспартаваннем
• Інтэграцыя ў працэсы заказчыка — тэхнічная падтрымка, якая дапамагае заказчыкам аптымізаваць выкарыстанне ініцыятараў (змяншэнне колькасці пераксіду на тону палімера), памнажае экалагічны эфект па ўсім ланцужку стварэння кошту

Абавязацельствы кампаніі Sender Chemicals у галіне ўстойлівага развіцця

На нашым вытворчым прадпрыемстве ў Цзібо мы рэалізуем паэтапную праграму павышэння ўстойлівасці ў адпаведнасці з вышэйзгаданымі прынцыпамі зялёнай хіміі. Цяперашнія ініцыятывы ўключаюць устаноўку сістэмы рэкуперацыі растваральніка з закрытым цыклам для нашай вытворчай лініі пераксіддыкарбанату (мэта: 97% рэкуперацыі растваральніка), мадэрнізацыю ўсіх асноўных халадзільных кампрэсараў з дапамогай VFD і даследаванне мэтазгоднасці бесперапыннай перапрацоўкі асобных відаў пераксідных прадуктаў. Мы празрыста справаздаёмся аб нашым экалагічным паказчыку ў штогадовай справаздачы аб устойлівым развіцці і імкнёмся да пастаяннага ўдасканалення па ўсіх экалагічных паказчыках.

Заключэнне

Зялёная хімія — гэта не проста амбіцыйны ідэал для галіны арганічных перакісяў, а практычная аснова для зніжэння выдаткаў, павышэння бяспекі і задавальнення чаканняў кліентаў і рэгулятараў у галіне ўстойлівага развіцця. Ад аднаўлення растваральнікаў і аптымізацыі энергаспажывання да перапрацоўкі адходаў і выкарыстання біяасноўных сыравіны, набор інструментаў для ўстойлівай вытворчасці перакісяў з'яўляецца багатым і пастаянна пашыраецца. Шлях да поўнасцю ўстойлівай вытворчасці пераксіду доўгі, але кожнае паступовае паляпшэнне спрыяе стварэнню больш устойлівай, канкурэнтаздольнай і экалагічна адказнай хімічнай прамысловасці.