Новые виды энергии в химической технологии

В последние десятилетия в химическую технологию все более интенсивно внедряются новые виды энергии, полученные с применением плазмохимических процессов, ультразвука, фото- и радиационного воздействия, низковольтного электрического разряда, лазерного излучения. Эти экстремальные воздействия способствуют активации молекул реакционной системы, возникновению в ней возбужденных частиц и инициированию химического, в т. ч. с высокой селективностью, процесса. Эта область составляет новый раздел химии – химию высоких энергий(ХВЭ),изучающую состав, свойства и химические превращения в системах, содержащих возбужденные частицы.

Из перечисленных процессов наиболее перспективными и универсальными являются плазмохимические процессы. Они отличаются протеканием химических процессов в плазменном состоянии.

Различают низкотемпературную (10³–10⁴ К) и высокотемпературную (10⁶–10⁸ К) плазму. В химической технологии применяют низкотемпературную плазму. Исследования по применению плазмы в химической промышленности проводились более чем в 70 технологических процессах, некоторые из которых внедрены в производство, в т. ч.:

– синтез тугоплавких соединений, таких как карбиды урана и тантала, нитриды титана, алюминия, вольфрама;

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

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

– пиролиз углеводородного сырья;

– одностадийный синтез из элементов (аммиака, цианистого водорода, гидразина, фторуглеводородов);

– синтез соединений, образующихся только в условиях плазмы, например, озона, дифторида криптона, оксида серы (II), оксида кремния (II).

В промышленных масштабах плазмохимические процессы применяют для производства ацетилена и водорода из природного газа, ацетилена, этилена и водорода из нефтепродуктов, диоксида титана и т.д.

Плазмохимические процессы отличаются очень малым временем контакта 10^–2–10^–5с. При этом под временем контакта понимают истинное время реакции в секундах, рассчитываемое по формуле:

, (2)

где V – реакционный объем, м³

W_o – объем исходной смеси сырья, подаваемый в реактор в единицу времени, м³/с.

Небольшое время контакта определяет незначительные размеры реактора. Плазмохимические процессы легко управляемы, оптимизируются и моделируются, и затраты энергии на их проведение не выше, чем в традиционных процессах.

Особое место в ряду перспективных источников энергии занимает водород. Его применение имеет ряд преимуществ:

– широкое распространение в земной коре (горючие ископаемые) и в виде практически неисчерпаемых водных ресурсов;

– высокое энергосодержание (в 3,5 раза выше, чем энергосодержание нефти);

– экологическая чистота продуктов сгорания (вода).

В России наиболее экономичный источник водорода – природный газ, из которого водород получают путем парокислородной или паровоздушной конверсии, базирующейся на следующих химических реакциях:

СН₄ + Н₂О СО + 3Н₂ – 206 кДж/моль;