Энергия в химической технологии

 

Человеческое общество и проблема энергии. Энерговооруженность общества является условием прогресса человечества и уровень его материального благосостояния определяется количеством энергии, вырабатываемой на душу населения. Потребление энергии на Земле непрерывно возрастает. В 1975 оно составило 0,25Q, в 2000 г. - 0,8Q, а прогноз на 2100 г. составляет колоссальную цифру - 7,3Q, где Q = 2,3 х 10¹⁴ кВт _* ч.

Выявлена определенная зависимость между потреблением обществом энергии на душу населения и средней продолжительностью жизни. Для достижения устойчивой средней продолжительности жизни, равной 80 лет, потребление энергии на душу населения составляет
7х10³ кВт _* ч. Этот порог достигли или близки к нему такие страны, как Швеция, Япония, Израиль, ФРГ, США. В России же потребление энергии составляет 4х10³ кВт_*ч, что соответствует продолжительности жизни менее 70 лет.

Использование энергии в химической технологи и. Химичесое производство – одно из самых энергоемких. Доля энергетических затрат в ней составляет 9 %, в то время как в среднем по промышленности она равна 2,5 %. При доле химической отрасли 6 % во всей промышленности она потребляет до 12 % всей вырабатываемой энергии.

В химической технологии энергия служит для проведения следующих операций:

- химических реакций;

- компрессии газов и жидкостей;

- нагрева материалов;

- проведения тепловых процессов, не связанных с химическими реакциями, (ректификация, испарение и др.);

- проведения механических и гидродинамических процессов (фильтрование, измельчение, сушка и т.д.).

Используемая энергия может быть:

- электрической;

- тепловой;

- механической;

- световой;

- ядерной;

- топливной;

- химической.

Электроэнергия необходима для электрохимических, электротермических, электромагнитных и электростатических процессов, а также для переноса различных материалов и приведение в действие машин и механизмов.

Тепловая энергия применяется для высокотемпературной переработки сырья (обжиг, нагрев аппаратуры, реагентов и т. д.). Передача тепла ведут за счет контакта нагреваемой системы с теплоносителем, в качестве которого используют горячий воздух, топочные газы, горячую воду и водяной пар, высококипящие органические соединения и минеральные соли, твердые зернистые материалы, чаще всего зерна катализатора.

Топливная энергия, полученная при сжигании топлива, применяется для производства тепла и электроэнергии на ТЭЦ и печах специального назначения.

Механическая энергия используется для проведения таких физических процессов, как измельчение, центрифугирование, перемещение материалов и механизмов, смешивание и др.

Световую энергию применяют для проведения процессов фотосинтеза, например, при производстве хлористого водорода и галогенопроизводных.

Химическая энергия находит применение в работе химических источников тока.

Ядерная энергия применяется для проведения радиационно-химических процессов (например, в некоторых полимеризационных процессах), производстве энергии на АЭС, а также для анализа, контроля и регулирования технологических процессов.

В химической промышленности на долю электрической энергии приходится примерно 40 %, тепловой – 50 %, топливной – 10 %. Доля остальных видов энергии составляет менее 1 %.

Источники 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
2,93х 10¹⁴ кВт_* ч в год.

Все энергетические ресурсы делятся на первичные и вторичные, возобновляемые и невозбновляемые, топливные и нетопливные. Невозобновляемые энергетические ресурсы связаны с горючими ископаемыми. Среди них каменный уголь, нефть, природный газ, торф, горючие сланцы, битуминозные пески. Остальные виды энергии – это возобновляемые. К ним относятся энергия солнца, ветра, приливов, био- и геотермальная энергии. Все вышеперечисленные виды энергетических ресурсов являются первичными.

Вторичными энергоресурсами называют энергетический потенциал конечных, побочных и промежуточных продуктов и отходов химического производства, используемые 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.

Рациональное использование энергии в химической промышленности. Большая доля энергии в себестоимости в химическом производстве требует рационального и экономичного подхода к ее использованию. Критерием экономичности ее использования является коэффициент использования энергии, равный отношению количества энергии, теоретически необходимой для производства единицы продукции к фактически затраченной энергии:

 

= W_Т/W_П. (2.1)

 

В случае высокотемпературных эндотермических процессов этот коэффициент не превышает 0,7, т.е. 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: разработка энергосберегающих технологий и экономичное использование энергии при существующей технологии.

К первому типу относятся следующие мероприятия:

- разработка новых энергоэкономных технологий;

- повышение активности катализаторов;

- замена применяемых методов разделения на менее энергоемкие, например, ректификацию на экстракцию и т.д.;

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

Ко второму типу энергосберегающих мероприятий относятся:

- уменьшение 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, такие как плазмохимия, ультразвук, фото- и радиационное воздействия, низковольтный электрический разряд, лазерное излучение. 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.

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

Различают низкотемпературную (10³-10^{4 о} К) и высокотемпературную (10⁶-10^{8 о} 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 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, двуокиси титана и т.д.

Плазмохимические процессы отличает очень малое время контакта (10^-2–10^-5 с). Это определяет небольшие размеры реактора. Плазмохимические процессы легко управляемы, оптимизируются и моделируются и затраты энергии на них не выше, чем в традиционных процессах.