Как конспект лекций «Общая химическая технология» Протокол №7 от 21. 04. 2010 г. Сумы Издательство Сумгу 2010 icon

Как конспект лекций «Общая химическая технология» Протокол №7 от 21. 04. 2010 г. Сумы Издательство Сумгу 2010



Смотрите также:
Конспект лекций сумы Издательство Сумгу 2010...
Конспект лекций по курсу “ Общая химическая технология” для студентов специальности 090200 всех...
Конспект лекций для студентов специальности 090804 "Физическая и биомедицинская электроника"...
Конспект лекций для студентов заочного факультета всех специальностей Все цитаты...
Конспект лекций 2010 г. Батычко В. Т. Уголовное право. Общая часть. Конспект лекций. 2010 г...
Конспект лекций по курсу «Технология минеральных удобрений (Сода)» Направление 240100...
Конспект лекций 2010 г. Батычко Вл. Т. Муниципальное право. Конспект лекций. 2010 г...
Конспект лекций по курсу “Источники энергии” для студентов специальности 000008 “Энергетический...
Рабочая программа по дисциплине опд-ф07 «Общая химическая технология» для специальности 280200...
Курс лекций 2-е изд., перераб и доп. Издательство фгоу впо «вгавт», Нижний Новгород, 2010...
Конспект лекций 2010 г. Батычко В. Т. Уголовное право. Особенная часть. Конспект лекций. 2008 г...
Методические указания для доаудиторной подготовки к практическим занятиям по эпидемиологии...



страницы:   1   2   3
скачать
Министерство образования и науки Украины

Сумский государственный университет


Общая химическая технология


для студентов специальности 7.(8.) 090220

всех форм обучения

Часть 6




Утверждено

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

^ ХИМИЧЕСКОЕ СЫРЬЕ


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:




^ Полупродуктом называется 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:


.


^ Побочным продуктом 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.

^ Отходами производства 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:

    • первичное (извлекаемое из природных источников) и

    • вторичное (промежуточные и побочные продукты промышленного производства и потребления, отходы)

и на

    • природное и

    • искусственное (полученное в результате промышленной обработки природного сырья).

К веществам, используемым в качестве химического сырья, предъявляется ряд общих требований. Сырье для химического производства должно обеспечивать:

    • малостадийность производственного процесса;

    • агрегатное состояние системы, требующее минимальных затрат энергии для создания оптимальных условий протекания процесса;

    • минимальное рассеяние подводимой энергии;

    • минимальные потери энергии с продуктами;

    • возможно более низкие параметры процесса (температура, давление) и расход энергии на изменение агрегатного состояния реагентов и осуществление химико-технологического процесса;

    • максимальное содержание целевого продукта в реакционной смеси.


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

Кларки

Элемент

O2

Si

Al

Fe

Ca

Na

Mg

K

H2

% масс.

49,13

26,0

7,45

4,20

3,25

2,40

2,35

2,35

1,00

г/т 10-3

473

291

81

46,5

33

25,3

17

25

1,3


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 ^ А 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

Элемент

Масса элемента, т

Отношение m1/m2

в земной коре, m1

в рудах, m2

Железо

Алюминий

Медь

Свинец

8,81015

1,51016

1,81013

3,01012

1,01011

5,0108

1,8108

5,1107

8,8104

3,0107

1,0105

1,6106


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:

  • разработку объективной оценки скорости исчерпания запасов химического сырья;

  • рациональное использование химического сырья.

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 3,56109 человек (графа I) и 10109 человек (графа II).


Таблица 9.3 – Индекс использования резервов и время исчерпания ресурсов

Вид ресурса

ИИР

Время, год

І

ІІ

І

ІІ

Уголь

0,05

0,10

2000

1000

Нефть

3,10

18,90

32

5,3

Фосфаты

0,06

0,30

1650

333

Железо

0,40

1,20

250

83

Алюминий

0,90

2,50

111

40

Уран

2,30

5,80

43,5

17,3


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:

  • применение более дешевого сырья (местного, с минимальными затратами на добычу);

  • использование вторичных материальных ресурсов (отходов производства и потребления, побочных продуктов других производств);

  • использование менее концентрированного сырья (бедных руд);

  • комплексная переработка сырья, то есть метод, при котором в максимальной степени извлекаются и используются все ценные компоненты, содержащиеся в сырье. Примером комплексной переработки является переработка апатитовой руды (рис. 9.2).





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.

  • замена пищевого сырья на непищевое;

  • применение альтернативных материалов, изготавливаемых из сырья с более низким ИИР.

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.

  • рециркуляция сырья, то есть вторичная переработка выработавших срок эксплуатации, вышедших из строя и морально устаревших изделий. Наиболее успешно рециркуляция осуществляется для металлов в виде переплавки скрапа, электрохимического извлечения ценных металлов из лома электронной аппаратуры и др.

Значительно труднее поддаются рециркуляции полимерные материалы, в том числе каучуки и пластмассы. Как правило, они перерабатываются в изделия вторичного назначения.



Рециркуляция сырья позволяет значительно сни-зить скорость исчерпания природных ресурсов при том же значении ИИР. Так, например, если время исчер-пания запасов железа без рециркуляции составляет 250 лет, то при степени рециркуляции 50% оно возрастает до 580 лет, а при степени рециркуляции 80% уже до 1330 лет.



Рисунок 9.3 – Влияние степени рециркуляции на скорость истощения запасов железа

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.




Измельчение до частиц размером до 10-3 м называется дроблением и осуществляется в дробилках, до частиц размером от 10-3 до 10-6 м - размолом и осуществляется в мельницах. Мерой измельчения является степень измельчения, определяемая как:

Рисунок 9.4 – Схемы приложения сил при измельчении твердого вещества


, (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 Рмс, 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:

  • гравитационный, основанный на разной скорости оседания частиц различной плотности и размеров в потоке газа или жидкости, или в поде центробежной силы;

  • электромагнитный, основанный на различной магнитной проницаемости компонентов сырья;

  • электростатический, основанный на различной электрической проводимости компонентов сырья.

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.

Показателем смачиваемости материала служит «краевой угол смачивания» на границе раздела фаз «твердое тело – жидкость – воздух» между перпендикуляром к поверхности жидкости и касательной к мениску ее у частицы (рис.9.5).



Рисунок 9.5 – Поведение частицы в воде:

А – не смачивается,

Б - смачивается

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

^ ЭНЕРГИЯ В ХИМИЧЕСКОМ ПРОИЗВОДСТВЕ


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=2,31014 кВтч. Производство энергии в РФ в 1992 году было эквивалентно 1,6 т условного топлива на человека.

Предполагается, что в 2100 году оно достигнет 1,8-2,0 т УТ. Структура потребления энергии в современном обществе свиде-тельствует, что наиболее энерговооруженной отраслью народного хозяйства является промышленное производство, а наименее – сельское хозяйство.

Существует определенная связь между потреблением энер-гии обществом и средней продол-жительностью человеческой жиз-ни, как это видно из рис. 10.1.



Рисунок 10.1 – Зависимость продолжительности челове-ческой жизни от величины энергопотребления

Из него следует, что «порог» энергопотребления, при котором достигается устойчивая средняя продолжительность жизни порядка 80 лет, равен 7103 кВтч 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 (5810кДж) 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 (29103 - 58103 кДж) на тонну продукции. К ним относятся производства карбоната натрия, аммиака, карбида кальция, метанола и др.

^ III-ий класс. Производства с расходом УТ менее 1 тонны (29103 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 20103 кВтч для алюминия до 60-100 кВтч 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 1,281013 тонн УТ, в том числе, ископаемые угли 1,121013 тонн, нефть 7,41011 тонн и природный газ 6,31011 тонн УТ.

Выработка энергии на планете в настоящее время составляет 2,931014 кВтч или 3,35107 МВтгод.

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.

^ Вторичными энергоресурсами (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:

  • калорийным эквивалентом , представляющим отношение низшей теплоты сгорания данного топлива к теплоте сгорания УТ, принимаемой за 29260 кДж:


, (10.1)


  • количеством энергии в кВтч, получаемой при полном сгорании 1 кг или 1 нм3 топлива. Эта величина составляет: для каменного угля 8,0, природного газа 10,6, кокса 7,2, мазута 15,4, обратного коксового газа 4,8. Для сравнения та же величина для обогащенного урана равна 22,5106.

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:

  • распространением водорода (в литосфере 17 атомов на 100 атомов) и практически неисчерпаемыми запасами воды как источника водорода;

  • высоким энергосодержанием, превышающим в 3,5 раза энергосодержание нефти;

  • простотой и дешевизной транспортировки (передача водорода дешевле передачи электроэнергии);

  • экологической чистотой продуктов сгорания.

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:

  • магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы), в которых кинетическая энергия низкотемпературной плазмы за счет торможения в магнитном поле переходит в электрическую энергию постоянного тока;

  • топливные элементы (электрохимические генераторы), в которых осуществляется непосредственное превращение энергии горения реакционноспособных топлив (водород, спирты, альдегиды и другие активные восстановители) в электрическую энергию.

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:

  • разработка новых энергоэкономных технологических схем;

  • повышение активности катализаторов;

  • замена существующих методов разделения продуктов производства на менее энергоемкие (например, ректификации на экстракцию и т. п.);

  • создание комбинированных энерготехнологических схем, объединяющих технологические операции, протекающие с выделением и поглощением энергии (теплоты). Подобное сочетание в одном производстве энергетики и технологии позволяет значительно полнее использовать энергию химических процессов, другие энергоресурсы и повысить производительность энерготехнологических агрегатов.

Ко второй группе энергосберегающих методов относятся:

  • уменьшение тепловых потерь за счет эффективной теплоизоляции и уменьшения излучающей поверхности аппаратуры;

  • снижение потерь на сопротивление в электрохимических производствах;

  • использование вторичных энергетических ресурсов (ВЭР).

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:

  • топливное направление в виде непосредственного использования горючих компонентов ВЭР в качестве топлива;

  • тепловое направление в виде использования тепловых ВЭР;

  • силовое направление в виде использования ВЭР для выработки механической или электрической энергии;

  • комбинированное направление.

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 10.4Использование тепловых ВЭР

в схеме с теплообменником:

1 – реактор; 2 – теплообменник




Рисунок 10.5Использование тепловых ВЭР в схеме с регенераторами:

1 – регенераторы, работающие на разогрев камеры;

2 – регенератор, работающий на подогрев газа





Рисунок 10.6Использование 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:

  • синтез эндотермических тугоплавких соединений (карбиды урана и тантала, нитриды титана, алюминия, вольфрама);

  • восстановление металлов из их оксидов и солей (железо, алюминий, вольфрам, никель, тантал);

  • окисление различных веществ (азот, хлороводород, оксид углерода, метан);

  • пиролиз природного газа, нефтепродуктов;

  • одностадийный синтез соединений из простых веществ (аммиак, цианистый водород, гидразин, фторуглеводороды);

  • синтез соединений, образующихся только в условиях плазмохимического воздействия (озон, дифторид криптона, оксид серы (II), оксид кремния (I)).

В промышленных масштабах плазмохимические процессы применяются для производства ацетилена и водорода из природного газа, ацетилена, этилена и водорода из нефтепродуктов, синтез-газа в производстве винилхлорида, дву-окиси титана и др. Для проведения плазмохимических процессов используются плазменные реакторы различной конструкции.

На рис. 10.8. представлен реактор прямоточного типа, состоящий из четырех основных узлов: плазмотрона, где под воздействием электрической дуги или токов высокой частоты образуется плазма; реактора, в





Рисунок 10.8 - Плазменный реактор:

1 - плазмотрон;

2 - реактор;

3 - закалочное устройство;

4 - узел улавливания

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 2СН42Н2+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 кВтч/кг) сопоставим с карбидным методом (15,5 кВтч/кг), но уступает методам электрокрекинга и термоокислительного пиролиза.





Скачать 0,68 Mb.
оставить комментарий
страница1/3
Дата29.09.2011
Размер0,68 Mb.
ТипКонспект, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы:   1   2   3
хорошо
  1
отлично
  7
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Документы

наверх