Новые виды энергии в химической технологии

Лекция

Источники энергии. Классификация источников энергии

Основными источниками энергии для промышленности служат горючие ископаемые и продукты их переработки, энергия воды, пара, биомасса и ядерное топливо. Незначительная доля приходится на энергию ветра, солнца, приливов и геотермальную энергию.

Объем энергии, вырабатываемой в настоящее время на планете, составляет примерно 3×10¹⁴ кВт×ч в год.

Все энергетические ресурсы подразделяются на первичные и вторичные, возобновляемые и невозобновляемые, топливные и не топливные.

Невозобновляемые энергетические ресурсы связаны с горючими ископаемыми. Среди них каменный уголь, нефть, природный газ, торф, горючие сланцы, битуминозные пески. Остальные виды энергии являются возобновляемыми. К ним относятся энергия солнца, ветра, приливов, био- и геотермальная энергии. Все перечисленные виды энергетических ресурсов являются первичными.

Вторичными энергоресурсами называют энергетический потенциал конечных, побочных и промежуточных продуктов и отходов химического производства, используемых для энергоснабжения установок, машин и механизмов. К ним относят теплоту экзотермических реакций, энтальпию отходящих продуктов процесса, а также потенциальную энергию сжатых газов и жидкостей. Предприятия нефтеперерабатывающей, нефтехимической, газовой и химической промышленности, а также металлургии располагают наибольшими ресурсами вторичной энергии, главным образом, в виде тепловой. Схематично классификация источников энергии приведена на рисунке 2.5.

Рис. 2.5. Классификация энергетических ресурсов

Рациональное использование энергии

Большая доля энергетических затрат в химической продукции требует рационального и экономичного подхода к использованию энергии. Критерием экономичности при этом является коэффициент использования энергии равный отношению количества энергии, теоретически необходимой для производства единицы продукции, к фактически затраченной энергии.

В случае высокотемпературных эндотермических процессов этот коэффициент не превышает 0,7, то есть свыше 30 % энергии теряется с продуктами реакции или путем теплопередачи через стенку в окружающую среду.

Существует ряд методов снижения тепловых потерь, которые сводятся к двум типам: разработке энергосберегающих технологий и экономичному использованию энергии при существующей технологии.

К первому типу относятся следующие мероприятия:

– разработка новых энергоэкономных технологий;

– замена применяемых методов разделения менее энергоёмкими, например, ректификацию на экстракцию;

– создание комбинированных энерготехнологических схем, объединяющих технологические операции, протекающие с поглощением и выделением энергии.

Ко второму типу энергосберегающих мероприятий относится:

– снижение тепловых потерь за счет эффективной теплоизоляции и уменьшения излучающей поверхности аппаратуры;

– снижение потерь на электросопротивление в электрохимических процессах.

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 том числе 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 том числе:

– 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: 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.

Плазмохимические процессы отличаются очень малым временем контакта 10^-2 – 10^-5с. 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 химических реакциях (2.4, 2.5):

СН₄ + Н₂О ↔ СО + 3Н₂, (2.4)

СН₄ + ½О₂ ↔ СО + 2Н₂. (2.5)

Энергия – это способность тела или системы тел совершать работу. Энергию разделяют на первичную (солнечная энергия, ветровые потоки, движение воды, энергия топлива, внутренняя теплота Земли, радиоактивное излучение и т. д.) и вторичную, которая вырабатывается за счет первичной, например на тепловых электростанциях [7].

Под энергией понимают различные формы движения материи. В зависимости от этого энергию принято разделять на механическую, тепловую, внутреннюю, электрическую, химическую, ядерную и др.

Тепловая энергия, или теплота тела, – это энергия беспорядочного движения микрочастиц. Чем выше интенсивность движения этих частиц, тем большей тепловой энергией, или теплотой, располагает тело. Можно сказать, чем выше температура данного тела, тем большей тепловой энергией оно располагает.

В системе СИ за единицу измерения энергии, в том числе и тепловой, принят джоуль (Дж).

Для измерения тепловых величин применяют внесистемные единицы, за основу которых взята калория (кал) или килокалория (ккал). Килокалория равна количеству тепла, которое необходимо передать 1 кг воды при атмосферном давлении для повышения его температуры на 1 °С. 1 ккал = 4,18·10³ Дж.

Все виды энергии, одни – в большей, а другие – в меньшей мере, обладают способностью переходить (превращаться) в другие, причем при переходе одного вида энергии в другой ее суммарное количество остается неизменным.

Это свойство энергии формулируется как основной закон природы – закон сохранения и превращения энергии, открытый В. М. Ломоносовым: движение материи (энергия) не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а превращается из одной формы в другие в строго определенных количествах.

Разновидностью закона сохранения энергии является первый закон термодинамики: теплота и работа при определенных условиях могут преобразовываться друг в друга в эквивалентных количествах. Или: энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одного вида в другой в ходе различных физических и химических процессов.

Другими словами, за счет некоторого количества тепла можно совершить эквивалентную работу, т. е.

Q = AL, (1)

где Q – количество теплоты, ккал; А – совершаемая работа, кгс/м; L – тепловой эквивалент работы, полученный опытным путем, L = 0,002342 .

То есть тепло, подведенное к телу, может не полностью затрачиваться на совершение работы, а частично расходоваться на изменение внутренней энергии тела. В этом случае газ изменит свою внутреннюю энергию (нагреется), расширяясь, совершит работу и переместит поршень.

Внутренняя энергия тела складывается из энергии поступательного и вращательного движения молекул, составляющих его, энергии внутримолекулярных колебаний, потенциальной энергии сил сцепления между молекулами, внутримолекулярной, внутриатомной (энергии электронных оболочек атомов) и внутриядерной энергии.

Если первый закон термодинамики характеризует процессы превращения энергии с количественной стороны (то есть устанавливает количественное соотношение между теплом и работой при их взаимном превращении), то второй законтермодинамики характеризует качественную сторону этих процессов (то есть определяет условия, при которых происходят эти превращения).

Согласно ему невозможно превратить в работу все тепло, подведенное к рабочему телу. Часть тепла необходимо отдать другому телу с более низкой температурой, так называемому холодному источнику (конденсатору турбины, окружающей среде, в которую выбрасываются выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания или уходящие газы с котлов).

С точки зрения преобразования тепловой энергии в механическую эта часть тепла оказывается потерянной. Таким образом, для периодически действующей машины – двигателя – необходимо иметь два источника тепла: горячий, получаемый, например, за счет сгорания топлива, и холодный, например, конденсатор турбины.

Закону сохранения энергии подчинены все энергетические изменения (как в естественном виде в природе, так и в технике). Исследовать действие закона превращения энергии в технике можно на примере получения электричества.

На тепловой электрической станции при сгорании его в топках котлов топлива первичная внутренняя энергия превращается в тепло продуктов сгорания. Оно нагревает воду и превращает ее в пар, который подается на турбину.

В турбине тепловая энергия пара переходит в кинетическую энергию движущейся струи. Пар, проходя с большой скоростью между лопатками турбины, заставляет ротор турбины вращаться.

Механическая энергия вала турбины передается электрогенератору, в котором она превращается в электрическую. Однако в процессе перехода энергии из одного вида в другую часть ее не удается полезно использовать. Это объясняется потерями энергии в результате неполного сгорания топлива, с уходящими газами из котлов, а также затратами на преодоление сил трения, в конденсаторе турбины, рассеиванием тепла в окружающей среде и т. д.

Степень полезного использования энергии при ее превращениях в устройствах и механизмах определяет коэффициент полезного действия (КПД) машины или установки. Таким образом, КПД () характеризует степень совершенства паросиловой установки, ее механизмов и устройств.