Как конспект лекций «Общая химическая технология» Протокол №7 от 21. 04. 2010 г. Сумы Издательство Сумгу 2010
| скачать Министерство образования и науки Украины Сумский государственный университет Общая химическая технология для студентов специальности 7.(8.) 090220 всех форм обучения Часть 6Утверждено на заседании кафедры общей химии как конспект лекций «Общая химическая технология» Протокол № 7 от 21.04.2010 г. Сумы Издательство СумГУ 2010 Общая химическая технология: конспект лекций / Составители: И.Г. Воробьева, Л.М. Миронович. – Сумы: Изд-во СумГУ, 2010. – Ч.6. – 60 с. Кафедра общей химии ВВЕДЕНИЕ Химическая технология изучает закономерности производственных химико-технологических процессов получения различных по своей природе и назначению продуктов. Независимо от конкретного вида производимой продукции и типа процесса ее получения, любое производство включает несколько обязательных элементов: сырье, то есть объект превращения, энергию, то есть средство воздействия на объект и аппаратуру, в которой это превращение осуществляется. Особое место в химическом производстве занимает вода. Она не только служит средой, в которой протекают многие химические превращения, но широко используется в химико-технологических процессах как растворитель, теплоноситель и хладоагент, транспортное средство, а также для других разнообразных физических операций. Поэтому вполне правомочно считать воду четвертым обязательным элементом химического производства. ГЛАВА ІХ ^ 9.1 Определение, классификация и требования к химическому сырью Сырьем называются природные материалы, используемые в производстве промышленной продукции. Сырье – это основной элемент производства, от которого в значительной степени зависят экономичность производства, выбор технологии и аппаратуры и качество производимой продукции. В химическом производстве на различных стадиях переработки можно выделить следующие материальные объекты: исходные вещества или собственно сырье, промежуточные продукты (полупродукты), побочные продукты, конечный целевой (готовый) продукт и отходы. Это представлено на схеме:  ^ сырье, подвергшееся обработке на одной или нескольких стадиях производства, но не потребленное в качестве готового целевого продукта. Полупродукт, полученный на предыдущей стадии производства, может быть сырьем для последующей стадии, например:  .^ называется вещество, образующееся в процессе переработки сырья наряду с целевым продуктом, но не являющееся целью данного производства. Побочные продукты, образующиеся при добыче или обогащении сырья, называются попутными продуктами. ^ называются остатки сырья, материалов и полупродуктов, образующихся в производстве и полностью или частично утративших свои качества. Полупродукты, побочные продукты и отходы производства после предварительной обработки или без нее могут быть использованы в качестве сырья в других производствах. Например, при выплавке цветных металлов, образующийся как побочный продукт оксид серы (IV), является промежуточным продуктом в производстве серной кислоты. Серная кислота, будучи готовым продуктом сернокислотного производства, служит сырьем для производства минеральных удобрений (простого суперфосфата). Сырьем для химической промышленности служат продукты горно-рудной, нефтяной, газовой, коксохимической, лесной и целлюлозно-бумажной отраслей промышленности, черной и цветной металлургии. Все химическое сырье подразделяется на группы по происхождению, химическому составу, запасам и агрегатному состоянию. Классификация химического сырья представлена на рис. 9.1.  Рисунок 9.1 – Классификация химического сырья Химическое сырье принято также делить на:
и на
К веществам, используемым в качестве химического сырья, предъявляется ряд общих требований. Сырье для химического производства должно обеспечивать:
9.2 Ресурсы и рациональное использование сырья В себестоимости продукции химической промышленности доля сырья достигает 70%. Поэтому проблема ресурсов и рационального использования сырья при его переработке и добыче весьма актуальна. В химической промышленности в качестве сырья используются соединения более 80 элементов. Эти элементы, входящие в состав земной коры, которая является основным источником химического сырья, распределены в ней неравномерно по природе, концентрации и географическому размещению. Количественной характеристикой распространенности элементов в природе служит кларк, величина, выражающая в массовых или атомных процентах, или в граммах на тонну содержание данного элемента в земной коре. В табл. 9.1 приведены кларки наиболее распространенных элементов. Таблица 9.1 – Кларки некоторых элементов
Из табл. 9.1 следует, что всего 9 элементов составляют более 98% массы земной коры; на все остальные элементы приходится всего 1,87%. Содержание углерода, представляющего основу жизни и составляющего основную часть горючих ископаемых, составляет только 0,35% массы земной коры. Все ресурсы химического сырья подразделяются на запасы, то есть выявленные и изученные ресурсы и на потенциальные ресурсы. В свою очередь по степени изученности и пригодности к эксплуатации запасы сырья делятся на три категории. К категории ^ относятся запасы, детально разведанные и подготовленные к разработке. К категории В относятся запасы, установленные в результате геолого-разведочных работ. В категорию С включены запасы, определенные по результатам геофизической разведки и изучения по естественным обнаружениям. Естественно, что количество сырья в разведанных месторождениях, то есть запасы его на несколько порядков меньше, чем количество сырья, содержащегося в земной коре (см. табл. 9.2). Таблица 9.2 – Содержание некоторых элементов в земной коре и металлических рудах
Возможность использования сырья для промышленного производства определяется его ценностью, доступностью и концентрацией полезного компонента. Ценность сырья зависит от уровня развития технологии и задач, стоящих перед производством и существенно меняется со временем. Так, например, уран, являвшийся ранее отходом при получении радия, стал во второй половине XX столетия ценнейшим стратегическим сырьем. Доступность сырья для добычи определяется географическим расположением запасов, глубиной залегания, разработанностью промышленных методов извлечения. Так, спецификой природных условий затруднена добыча ископаемого топлива в районах Крайнего Севера. Отсутствие эффективных методов (цианидного, ртутного) не позволяло в прошлом успешно извлекать золото из рассеянных месторождений. Существенное влияние на возможность использования запасов сырья оказывает концентрация полезного элемента. Многие элементы при относительно высоком содержании в земной коре рассеяны, что затрудняет использование их соединений в качестве химического сырья. Тем не менее для промышленности в целом и химической – в частности, характерна историческая тенденция использовать все более распространенное сырье, выраженная в правиле Вернадского, согласно которому «кларки промышленности стремятся к кларкам планеты». Высокая доля сырья в себестоимости химической продукции, быстрое истощение запасов сырья (мировая добыча минерального сырья за первую половину XX века выросла в 3,4 раза), удорожание процессов добычи его (за последние годы себестоимость добычи нефти выросла в 2 раза, угля в 1,5 раза, природного газа в 2,5 раза) выдвинули две задачи:
1. Количественной характеристикой скорости исчерпания запасов сырья предложено считать «индекс использования резервов» (ИИР), который представляет процент расходования данного вида сырья в год. Чем выше ИИР, тем, очевидно, больше скорость расходования сырья, то есть  , (9.1)где  – время исчерпания запасов сырья в годах.ИИР зависит от численности населения и возрастает с его увеличением. В табл. 9.3 приведены значения ИИР и соответствующее им время исчерпания ресурсов основных видов химического сырья, рассчитанные для численности населения 3,56109 человек (графа I) и 10109 человек (графа II). Таблица 9.3 – Индекс использования резервов и время исчерпания ресурсов
Из данных таблицы следует, что разведанные запасы многих видов химического сырья могут быть исчерпаны уже при жизни ближайших поколений. 2. Основными направлениями рационального использования химического сырья являются:
 Рисунок 9.2 – Схема переработки апатитовой руды Комплексное использование сырья позволяет приблизиться к решению важнейшей задачи современной химической технологии – свести к минимуму технологические потери сырья и полностью использовать отходы производства. Это позволяет расширить сырьевую базу, увеличить объем производимой продукции, снизить затраты сырья и энергии, а также в значительной степени уменьшить загрязнение окружающей среды промышленными выбросами. Комплексное использование сырья приводит к сокращению капитальных вложений в производство, снижению себестоимости продукции и улучшению всех технико-экономических показателей производства. Поэтому экономическая эффективность комплексного использования сырья может быть рассчитана, например, по формуле:  , (9.1а)где  - показатель эффективности комплексного производства, %;  и  - удельные капитальные затраты при использовании сырья для индивидуального производства продукции и при его комплексном использовании, соответственно, рублей.
Выгодность применения альтернативных материалов определяется условием:  , (9.2)где  и  - индексы исчерпания ресурсов первичного и вторичного (альтернативного) материала соответственно. Так, например, замена меди (ИИР=1,9) алюминием (ИИР=0,9) целесообразна, так как в этом случае ИИР=1,9-0,9=1%>0. Наоборот, замена меди титаном (ИИР=0,5) нецелесообразна, так как здесь ИИР=0,5-0,9=-0,4<0.
Значительно труднее поддаются рециркуляции полимерные материалы, в том числе каучуки и пластмассы. Как правило, они перерабатываются в изделия вторичного назначения.
Для большинства металлов степень рециркуляции колеблется от 5-10% (вольфрам, алюминий) до 30-45% (медь, железо, свинец, серебро) и зависит от эффективности используемой технологии регенерации. На рис. 9.3 представлена зависимость времени истощения запасов железа от степени рециркуляции. 9.3 Подготовка химического сырья к переработке Сырье, предназначенное для переработки в готовую продукцию, должно удовлетворять определенным требованиям. Это достигается комплексом операций, составляющих процесс подготовки сырья к переработке. Целью подготовки сырья является придание ему состава и свойств, обеспечивающих оптимальное протекание химико-технологического процесса его переработки. В процессе подготовки сырье приобретает заданную концентрацию полезного компонента, влажность, определяемое условиями переработки содержание примесей, нужную дисперсность. Операции подготовки сырья многообразны и зависят от его агрегатного состояния. В комплекс операций по подготовке наиболее распространенного в химической промышленности твёрдого сырья входят: классификация, измельчение (или в определенных случаях укрупнение), обезвоживание и обогащение. Классификацией называется процесс разделения однородных сыпучих материалов на фракции (классы) по размерам составляющих их частиц. Классификация осуществляется рассевом материалов на ситах (грохочение), разделением смеси частиц по скорости их осаждения в жидкой фазе (гидравлическая классификация), разделением смеси частиц по скорости их осаждения в воздухе с помощью сепараторов (воздушная классификация). Измельчением называется механический процесс деления твердого тела на части за счет приложения внешних сил. Измельчение может производиться методами удара (I), раздавливания (II) и истирания (III), как показано на рис. 9.4.
 , (9.3)где  и  - средний размер частиц (эквивалентный диаметр) до и после измельчения соответственно. В отдельных случаях процесс подготовки включает операцию укрупнения порошкообразного материала методами брикетирования или агломерации.Обезвоживание материала достигается методами стекания, отстаивания (в случае жидких систем) и сушки. Сушкой называют процесс удаления влаги или другой жидкости из твердых материалов путем ее испарения и отвода образующегося пара. Условием сушки является обеспечение неравенства Рм>Рс, где Рм - давление пара во влажном высушиваемом материале; а Рс - парциальное давление пара в окружающей среде. Процесс сушки осуществляют в сушилках различной конструкции, при атмосферном давлении или в вакууме. Обогащением называется процесс отделения полезной части сырья (полезного компонента) от пустой породы (балласта) с целью повышения концентрации полезного компонента. В результате обогащения сырье разделяется на концентрат полезного компонента и хвосты с преобладанием в них пустой породы. Если обозначить полезный компонент А, пустую породу В, а массовые доли их до обогащения и после, соответственно  ,  ,  ,  , то процесс обогащения может быть представлен схемой: Очевидно, что и .Количественными показателями процесса обогащения являются: 1. Выход концентрата представляет собой отношение массы полученного концентрата mк к массе обогащаемого сырья mс:  . (9.4)2. Степень извлечения полезного компонента, представляющая отношение массы полезного компонента в концентрате mкк к его массе в обогащаемом сырье mкс:  . (9.5)3. Степень обогащения сырья представляет собой отношение массовой доли полезного компонента в концентрате кк к массовой доле его в обогащаемом сырье кс:  . (9.6)Выбор метода обогащения зависит от агрегатного состояния и различия свойств компонентов сырья. При обогащении твердого сырья используются механические, химические и физико-химические методы. К механическим методам обогащения относятся:
К химическим методам обогащения относится растворение при извлечении золота ртутным или цианидным методами, например:  ,где П – пустая порода, и обжиг, например, при получении железа из железного колчедана:  К физико-химическим методам обогащения относится наиболее распространенный метод флотации. Флотацией (от floatation - всплывание) называется метод обогащения твердого сырья, основанный на различии в смачиваемости его компонентов. Смачиваемость частиц вещества характеризуется работой адгезии на границе раздела фаз системы «твердое тело - жидкость»  : , (9.7)где  ,  ,  - удельная свободная поверхностная энергия на границе раздела соответствующих фаз.Удельная поверхностная энергия пропорциональна поверхности раздела фаз, то есть  , поэтому, чем мельче частицы флотируемого материала, тем больше отношение их поверхности к объему  или массе  и тем сильнее проявляется явление смачиваемости. Поэтому флотируемое сырье измельчают до размеров 0,05-0,3 мм.
Вследствие того, что силы поверхностного натяжения стремятся выровнять уровень жидкости, частицы несмачиваемых или гидрофобных материалов (>90°) выталкиваются из жидкости (всплывают), а частицы смачиваемых или гидрофильных материалов (<90°) погружаются в жидкость. Для ускорения процесса флотации систему вспенивают путем интенсивного перемешивания (механические флотационные машины) или барботажа воздуха через систему (пневматические флотационные машины). В процессе флотации гидрофобный компонент образует с пузырьками воздуха минерализованную пену, отделяемую от жидкой фазы, в которой остаются гидрофильные компоненты. Результат флотации зависит от различия в гидрофобности (гидрофильности) компонентов обогащаемого сырья. Поэтому в том случае, если полезный компонент и пустая порода близки по смачиваемости, в систему вводят специальные реагенты, относящиеся к группе поверхностно-активных веществ, которые увеличивают гидрофобность полезного компонента (коллекторы или собиратели). Их природа зависит от состава конкретного флотируемого сырья. Для создания устойчивой пены и улучшения разделения компонентов флотируемого сырья в систему помимо коллекторов вводят другие флотореагенты: активаторы, подавители, пенообразователи и регуляторы рН среды. ГЛАВА Х ^ 10.1 Человеческое общество и проблема энергии Одним из условий существования человеческого общества является непрерывный обмен энергией с окружающей средой. Поэтому энерговооруженность общества составляет условие прогресса человечества, а дальнейшее развитие материальной культуры непосредственно связано с решением энергетической проблемы. Уровень материального благосостояния современного общества определяется количеством энергии, вырабатываемой на душу населения. Потребление энергии на планете непрерывно возрастает. Если в 1975 году оно составляло 0,25Q, то прогноз на 2000 год дает 0,8Q, а на 2100 год астрономическую цифру 7,3Q, где Q=2,31014 кВтч. Производство энергии в РФ в 1992 году было эквивалентно 1,6 т условного топлива на человека.
Из него следует, что «порог» энергопотребления, при котором достигается устойчивая средняя продолжительность жизни порядка 80 лет, равен 7103 кВтч на человека в год. Этот порог достигли, или приблизились к нему такие страны как Швеция, ФРГ, США, Япония. 10.2 Использование энергии в химической промышленности Химическое производство принадлежит к числу наиболее энергоемких. Так, если в продукции всей промышленности доля затрат на энергию составляет 2,5%, то в продукции нефтехимической и химической отраслей она достигает 8,9%. Химическая отрасль промышленности, производя около 6% промышленной продукции, потребляет до 12% всей вырабатываемой электроэнергии. Эта высокая энергоемкость обусловлена значительным потреблением энергии такими химическими производствами, как производство аммиака, фосфора, карбида кальция, карбоната натрия, химических волокон и пластмасс, которое составляет более 60% электрической и 50% тепловой энергии всей отрасли. Потребление энергии химическим производством оценивается его энергоемкостью. Энергоемкостью производства называется количество энергии, затрачиваемое на получение единицы продукции. Она выражается в кВт-ч (кДж) или в тоннах условного топлива (УТ) на тонну продукции. По энергоемкости химические производства делятся на три класса. І-ый класс. Производства с расходом УТ более 2 тонн (58103 кДж) на тонну продукции. К ним относятся производства химических волокон, ацетилена, капролактама, полиэтилена, акрилонитрила и др. ІІ-ой класс. Производства с расходом УТ от 1 до 2 тонн (29103 - 58103 кДж) на тонну продукции. К ним относятся производства карбоната натрия, аммиака, карбида кальция, метанола и др. ^ -ий класс. Производства с расходом УТ менее 1 тонны (29103 кДж) на тонну продукции. К ним относятся производства разбавленной азотной кислоты, этиленгликоля, уксусной кислоты, анилина, полистирола, двойного суперфосфата и др. Энергоемкость отдельных производств колеблется в очень широких пределах: от 20103 кВтч для алюминия до 60-100 кВтч для серной кислоты на тонну продукции. В химическом производстве энергия используется для проведения химических реакций, сжатия газов и жидкостей, нагрева материалов, осуществления тепловых процессов (ректификация, испарение и др.), проведения механических и гидродинамических процессов (измельчение, фильтрование и др.), транспортировки материалов. Для этих целей используется электрическая, тепловая, топливная, механическая, световая, ядерная и химическая энергия. Электрическая энергия применяется для проведения электрохимических, электротермических, электромагнитных и электростатических процессов, а также для перемещения материалов и приведения в действие различных механизмов и машин. Тепловая энергия используется для различных целей. Энергия высокого потенциала (более 623°К) применяется для высокотемпературной обработки сырья (обжиг и др.) и интенсификации химических реакций. Ее получают за счет сжигания различных видов топлива непосредственно в технологических устройствах. Тепловая энергия среднего (373-623°К) и низкого (323-423°К) потенциала используется в производственных процессах, связанных с изменением физических свойств материалов (нагрев, плавление, дистилляция, выпаривание), для нагрева компонентов при химических процессах, а также для проведения некоторых химических процессов. Передача тепла осуществляется за счет контакта нагреваемой системы через стенку аппарата с теплоносителем, обладающим высоким теплосодержанием или при непосредственном контакте с нагреваемым материалом. Теплоносителем называется вещество или система веществ, используемое в качестве среды для нагревания. В качестве теплоносителей для средне- и низкотемпературных процессов в химической промышленности применяются горячий воздух, горячая вода, насыщенный и перегретый водяной пар, топочные газы, высококипящие органические соединения, твердые зернистые материалы (обычно зерна катализатора). Топливная энергия при сжигании топлива используется для производства тепла и электроэнергии в ТЭЦ и печах особого назначения и составляет в общем балансе энергии, используемой в химической промышленности, около 50%. Механическая энергия используется для выполнения таких физических операций как измельчение, центрифугирование, перемещение материалов, смешение в работу различных машин, компрессоров, насосов и вентиляторов и др. Световая энергия применяется в виде облучения для проведения фотохимических процессов синтеза, например, в производстве хлороводорода, галогеналканов и др. Химическая энергия реализуется в работе химических источников тока различного устройства и назначения. Ядерная энергия используется для проведения радиационно-химических процессов (например, в процессах полимеризации), производства энергии в АЭС, для анализа, контроля и регулирования процессов производства. Из всей потребляемой химической промышленностью энергии 40% составляет электрическая, 50% - тепловая (в виде теплоносителей - пара и воды) и 10% топливная энергия. 10.3. Источники энергии Основными источниками энергии, потребляемой промышленностью, являются горючие ископаемые и продукты их переработки, энергия воды, биомасса и ядерное топливо. В значительно меньшей степени используются энергия ветра, солнца, приливов, геотермальная энергия. Мировые запасы основных видов топлива оцениваются в 1,281013 тонн УТ, в том числе, ископаемые угли 1,121013 тонн, нефть 7,41011 тонн и природный газ 6,31011 тонн УТ. Выработка энергии на планете в настоящее время составляет 2,931014 кВтч или 3,35107 МВтгод. Все энергетические ресурсы подразделяются на первичные и вторичные, возобновляемые и невозобновляемые, топливные и нетопливные (рис. 10.2). Эксплуатация невозобновляемых энергоресурсов приводит и их исчерпанию и уменьшению энергетического потенциала планеты, а с другой стороны повышению температуры среды обитания. Поэтому они называются также «добавляющими» тепло источниками энергии. Эксплуатация возобновляемых энергоресурсов сохраняет энергетический потенциал планеты и не изменяет температуру среды обитания. Поэтому они называются «недобавляющими» тепло источниками энергии.  Рисунок 10.2 – Классификация энергетических ресурсов К топливным энергетическим ресурсам относятся уголь, нефть, природный газ, сланцы, битуминозные пески, торф, биомасса. К нетопливным - гидроэнергия, энергия ветра, лучистая энергия Солнца, глубинная теплота Земли и др. ^ (ВЭР) называется энергетический потенциал конечных, побочных и промежуточных продуктов и отходов химического производства, используемый для энергоснабжения агрегатов и установок. К ВЭР относятся тепловые эффекты экзотермических реакций, теплосодержание отходящих продуктов процесса, а также потенциальная энергия сжатых газов и жидкостей. Наибольшими ВЭР (главным образом в форме тепла) располагают предприятия химической, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, металлургии, промышленности строительных материалов, газовой промышленности, тяжелого машиностроения и некоторых других отраслей народного хозяйства. Важнейшим источником энергии является химическое топливо (ископаемые угли, торф, нефтепродукты, природные и технические газы), составляющие в балансе энергоресурсов химической промышленности до 70%. Структура потребления химического топлива такова: газ 19,4%, твердое топливо 30,9%, нефтепродукты 47,2%. Энергетическая ценность химического топлива характеризуется:
 , (10.1)
Второе место по масштабам энергетического вклада занимают гидроэнергия (ГЭС) и ядерная энергия (АЭС). Доля энергии, вырабатываемой ГЭС составляет около 12%. Дальнейшее развитие гидроэнергетики связано с экологическими проблемами, к числу которых относится сокращение площади плодородных земель и изменение климата при строительстве равнинных ГЭС. АЭС представляют наиболее перспективный источник энергии как электрической, так и тепловой. Истощение энергоресурсов привело к необходимости изыскания новых видов и источников энергии. К ним относятся водород, а также возобновляемые источники энергии в виде гидроэнергии, энергии ветра и приливов, геотермальной энергии. Использование водорода в качестве источника энергии определяется следующими его преимуществами как топлива:
Производство водорода в промышленных масштабах с достаточной степенью экономичности может быть осуществлено электролизом воды, пиролизом воды в плазмотроне, обработкой биомассы водяным паром, фоторазложением воды в присутствии ферментов, проведением термохимических и термоэлектрохимических циклов разложения воды. Термохимические циклы представляют собой чередование экзо- и эндотермических процессов и протекают при относительно низких температурах (схема «теплового насоса»):  , .Комбинированные термоэлектрохимические циклы осуществляются с использованием на одной из стадий энергии АЭС: , ,где М - реагент с большим, чем у водорода сродством к кислороду, что обеспечивает термодинамическую возможность процесса при относительно низкой температуре; МО - оксид, легко диссоциирующий при нагревании. Использование других альтернативных источников энергии ограничивается проблемой «концентрации энергии» (H.H. Семенов). Так, например, все энергетические потребности человечества может удовлетворить всего 0,5% солнечной энергии, падающей на землю. Однако для ее поглощения и утилизации необходимы гелиоустановки общей площадью 130000 км2. В связи с этим возникает задача изыскания более технологичных концентрированных видов энергии. Она может быть решена переходом от традиционной схемы выработки электрической энергии через механическую  к схеме непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую  .Для этой цели используются:
В обоих случаях КПД этого процесса существенно превышает КПД традиционных процессов. 10.4 Рациональное использование энергии в химической промышленности Высокая доля энергии в себестоимости химической продукции обусловила необходимость ее рационального и экономичного использования в производстве. Критерием экономичности использования энергии всех видов является коэффициент использования энергии, равный отношению количества энергии, теоретически необходимой на производство единицы продукции (WT), к количеству энергии, практически затраченной на это (Жп):  . (10.2)Для высокотемпературных эндотермических процессов коэффициент использования тепловой энергии не превышает 0,7, то есть до 30% энергии уходит с продуктами реакции в виде тепловых потерь. Рациональное использование энергии в химическом производстве означает применение методов, повышающих коэффициент использования энергии. Эти методы могут быть сведены к двум группам: разработке энергосберегающих технологий и улучшению использования энергии в производственных процессах. К первой группе методов относятся:
Ко второй группе энергосберегающих методов относятся:
ВЭР подразделяются на горючие (топливные), представляющие химическую энергию отходов технологических процессов переработки топлива и горючих газов металлургии; тепловые ВЭР, представляющие физическую теплоту отходящих газов и жидкостей технологических агрегатов и отходов основного производства, и ВЭР избыточного давления, представляющие потенциальную энергию газов и жидкостей, выходящих из технологических агрегатов, работающих под избыточным давлением. В зависимости от вида и параметров состояния ВЭР различают четыре направления их использования в производстве:
Ниже представлены схемы топливного (рис. 10.3), теплового (рис. 10.4, 10.5, 10.6) и силового (рис. 10.7) направлений использования ВЭР.  Рисунок 10.3 – Использование горючих ВЭР в качестве топлива в схеме с газовой турбиной: 1 - топочная камера; 2 - газовая турбина; 3 - воздушный компрессор; 4 - парогенератор  Рисунок 10.4 – Использование тепловых ВЭР в схеме с теплообменником: 1 – реактор; 2 – теплообменник  Рисунок 10.5 – Использование тепловых ВЭР в схеме с регенераторами: 1 – регенераторы, работающие на разогрев камеры; 2 – регенератор, работающий на подогрев газа  Рисунок 10.6 – Использование тепловых ВЭР для выработки пара в котле-утилизаторе: 1 - котел-утилизатор; 2 - подача воды; 3 - выход пара; 4 - вход нагретого газа; 5 - выход охладившего газа  Рисунок 10.7 – Использование части энергии сжатых систем для выработки электроэнергии в схеме «мотор-насос-турбина»: 1 – реактор; 2 – жидкостная турбина; 3 – мотор; 4 – насос; 5 – ось 10.5 Новые виды энергии в химической промышленности Развитие химической промышленности сопровождается не только количественным ростом энергопотребления, но и качественным изменением его. Это выражается во все более интенсивном внедрении в химическое производство таких новых видов энергии и воздействия на систему как плазмохимическое, ультразвуковое, фото- и радиационное воздействие, действие низковольтного электрического разряда и лазерного излучения. Эти экстремальные воздействия способствуют активации молекул реакционной системы, возникновению в ней возбужденных частиц и инициированию химического, в том числе, с высокой селективностью, процесса. Эта область явлений составляет новую отрасль химии – химию высоких энергий (ХВЭ), изучающую состав, свойства и химические превращения в системах, содержащих возбуждающие частицы. Среди подобных процессов особо перспективными и универсальными являются плазмохимические процессы, то есть химические превращения, протекающие в плазме. Плазмой называется частично или полностью ионизированный газ, в котором содержатся молекулы, атомы, ионы и электроны:  ,  .Различают низкотемпературную плазму с температурой 103-104°К и высокотемпературную с температурой 106-108°К. В химической технологии для получения различных продуктов применяется низкотемпературная плазма, промышленные методы получения которой разработаны. Высокотемпературная плазма используется в установках типа ТОКАМАГ. В настоящее время исследованы более 70 технологических плазменных процессов, часть которых внедрена в промышленность. К ним относятся:
который вводится образовавшаяся плазма и поступают реагенты, закалочного устройства, обеспечивающего быстрое охлаждение (закалку) реакционной смеси и узла улавливания продуктов реакции. Для плазмохимических реакторов характерно крайне малое время реакции, составляющее от 10-2 до 10-5 секунды. Это определяет весьма малые размеры реактора. Плазмохимические процессы легко управляются, оптимизируются и поддаются моделированию. Затраты энергии на их проведение не превышают затрат энергии на традиционные процессы. Характерным примером плазмохимического процесса является производство ацетилена пиролизом метана. Для реакции 2СН4=С2Н2+3Н2+Н, где Н=376кДж, константа скорости равна  .Весьма высокая энергия активации требует высоких температур процесса. Термодинамически реакция становится возможной при температуре выше 1500°К, при которой энергия Гиббса приобретает отрицательное значение:  .В плазмохимическом процессе получения ацетилена по этой схеме в качестве плазмы используется аргон или водород, а закалка продуктов реакции осуществляется впрыскиванием воды. Степень конверсии метана достигает 0,7, а плазменный реактор диаметром 0,15 м, высотой 0,65 м и объемом 0,05 м3 имеет производительность 25000 т ацетилена в год. По энергоемкости плазмохимический метод (14,0 кВтч/кг) сопоставим с карбидным методом (15,5 кВтч/кг), но уступает методам электрокрекинга и термоокислительного пиролиза.
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
,
хорошо
1отлично
7 