Обеспечение химических производств сырьем, энергией и конструкционными материалами

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ СЫРЬЕМ, ЭНЕРГИЕЙ И КОНСТРУКЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

 

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

 

Санкт-Петербург

 

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

создано на основе курса лекций

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, читаемого студентам химического факультета СПбГУ

на дневном (специалисты и бакалавры) и вечернем отделениях

 

Рекомендовано Ученым советом химического факультета

 

СОДЕРЖАНИЕ.

Введение……………………………………………………………………..

 

Глава 1. СЫРЬЕ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

1.1. Характеристика и запасы сырья

1.2. Воздух и вода как сырье химической промышленности

1.3. Вторичные материальные ресурсы……………………..

1.4. Важнейшие тенденции в развитии сырьевой проблемы

1.4.1. Изыскание и применение более дешевых видов сырья

1.4.2. Применение концентрированного сырья

1.4.3. Комплексное использование сырья

1.4.4. Замена пищевого сырья непищевым и растительного –

минеральным

Глава 2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ

ПРОИЗВОДСТВ

2.1. Источники энергии………………………………………….

2.2. Виды энергии, применяемые в химической

промышленности………………………………………………

2.3. Основные принципы энергосберегающей политики………….

2.4. Получение искусственного жидкого топлива

Глава 3. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

3.1. Виды конструкционных материалов………………………….

3.1.1.Стали………………………………………………..

3.1.2.Чугуны………………………………………………..

3.1.3.Цветные металлы и их сплавы…………………………

3.1.4. Неметаллические конструкционные материалы…….

3.2. Коррозия металлов и сплавов.

3.2.1. Виды коррозии…………………………………………..

3.2.2. Способы борьбы с коррозией…………………………….

3.3. Влияние материала на конструкцию аппарата и способ его

изготовления.

3.3.1. Конструкционные особенности аппаратов из

высоколегированных сталей………………………

3.3.2. Конструктивные особенности эмалированных

аппаратов………………………………………………

3.3.3. Конструктивные особенности аппаратов из цветных

металлов........................................................................

3.3.4. Конструктивные особенности аппаратов из

пластмасс………………………………………………

 

ЛИТЕРАТУРА…………………………………………………………………

ВВЕДЕНИЕ

 

Технология - это научное описание методов и средств производства в какой-то отрасли промышленности. Современная химическая технология, используя достижения естественных и технических наук, изучает и разрабатывает совокупность физических и химических процессов, машин и аппаратов, оптимальные пути осуществления этих процессов и управления ими при промышленном производстве различных веществ, продуктов, материалов, изделий. Это значит, что развитие химической технологии как науки неотделимо от ее практических приложений.

Химическая промышленность перерабатывает огромные массы сырья, расходует большие количества воды, топлива и энергии. Материальной основой всех химико-технологических процессов являются машины и аппараты. Эффективное и грамотное использование сырья, энергии, аппаратуры и материалов в технологических процессах – одна из важнейших проблем химической технологии.

Глава 1

СЫРЬЕ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

 

Сырье – один из основных элементов химического производства. Сырье в значительной степени определяет экономичность этого производства. Во многих химических производствах расходные коэффициенты сырья достигают 3–4 т на 1 т продукта, а в некоторых случаях превосходят 5–6 т, поэтому себестоимость химической продукции в значительной степени определяется качеством сырья, способами и стоимостью его получения и подготовки, расходами на перевозку. В химической промышленности затраты на сырье в себестоимости продукции составляют 60-70%, в нефтехимической промышленности – более 70%.

Таблица 1. Затраты сырья на производство 1 т продукта

 

Продукт	Затраты сырья (в тоннах)
Al
Pb
Cu
Sn
ПВХ
ПЭ

 

В производстве химических продуктов различают исходные вещества (сырье), промежуточные продукты (полупродукты) и готовые продукты. Сырье – то, что дает природа. Сырье, подвергнутое некоторой промышленной обработке – полупродукт (или полуфабрикат). Полупродукты химической переработки исходного сырья, в свою очередь, служат сырьем для получения других веществ.

Сырье полуфабрикат 1 полуфабрикат 2 готовый

Продукт

Древесина ® целлюлоза ® нитроцеллюлоза ® целлулоид

Нефть ® бутан(С₄Н₁₀) ® бутен(С₄Н₈) ® дивинил(С₄Н₆) ® каучук СКД

Уголь ® бензол ® нитробензол ® анилин ® красители

 

В практике, однако, полупродукт может быть готовым продуктом для предприятия, изготовляющего его, и сырьем для предприятия, потребляющего этот полупродукт. Так, например, серная кислота, полученная на заводах цветной металлургии, является готовой продукцией для этих заводов и сырьем для получения минеральных удобрений, в частности фосфорных.

 

Характеристика и запасы сырья

 

Виды сырья весьма разнообразны, их можно разделить на разные группы (классифицировать сырье можно по разным признакам):

I. По запасам: 1) невозобновляемое (руды, нефть, уголь) и

2) возобновляемое (вода, воздух, растительное, животное).

По агрегатному состоянию: 1) газообразное (природный газ, воздух), 2) жидкое (нефть, вода), 3) твердое (уголь, древесина, руды, минералы).

III. По происхождению: 1) минеральное (полезные ископаемые, добываемые из земных недр; оно может быть рудное, нерудное и горючее), 2) растительное и животное (оно может быть пищевое и техническое), 3) вода и воздух – пока еще это самое доступное и дешевое сырье.

По химическому составу 1) неорганическое (руды, минералы) и 2) органическое (нефть, уголь, природный газ).

Химическая промышленность использует в качестве сырья продукты горнорудной, нефтяной, газовой, лесной и целлюлозно-бумажной промышленности, черной и цветной металлургии. Так, черная металлургия поставляет ароматические углеводороды, нафталин, антрацен, фенолы, крезолы, тиоцианат натрия, диоксид серы. Особенно большие количества диоксида серы выделяют из отходящих газов цветной металлургии, образующихся в процессе обжига медных, цинковых, свинцовых руд и концентратов. Использование отходящих газов имеет большое практическое значение, так как позволяет, например, на каждую тонну меди получить свыше 10 т серной кислоты без специальных затрат на обжиг серосодержащего сырья.

Химическая промышленность потребляет также некоторое количество сельскохозяйственного сырья, однако объем его потребления постоянно снижается.

Первичное сырьё, применяемое в химических производствах, может быть подразделено на промышленное, сельскохозяйственное и природное (табл. 2).

Таблица 2. Классификация сырья химической отрасли

 

 

Находящиеся в недрах земли нефть или уголь являются природными ресурсами, а нефть или уголь, добытые из недр, становятся исходным сырьём для получения химических продуктов.

Развитие сырьевой базы химической промышленности происходит в направлении более полного, по возможности комплексного использования сырья, вовлечения в переработку сырья с низким процентным содержанием основного вещества, утилизации отходов внутри самой химической промышленности и других отраслей, а также вовлечения в химическую переработку все большей массы разнообразного природного сырья, каким являются нефть, газы, уголь, сланцы, древеснорастительное сырье, а также сырьевые ресурсы Мирового океана. В перспективе переход химической промышленности на угольную базу вместо использования природного углеводородного сырья позволит более чем в 10 раз расширить ее сырьевую и энергетическую базы.

Варьирование сырьевых ресурсов позволяет выбирать надежную сырьевую базу для развития химической промышленности в зависимости от наличия месторождений полезных ископаемых и технико-экономических показателей их использования.

 

Глава 2.

ПРОИЗВОДСТВ

 

Энергия – это тоже важнейший элемент химического производства. Так как все ХТП протекают с изменением энергии, то обязательно должно быть предусмотрено либо использование выделяющейся энергии (повышается экономичность процесса), либо ее подвод. Кроме того, значительная доля энергии затрачивается на проведение различных вспомогательных операций: транспортировка, дробление и проч.

Наша страна располагает большими энергетическими ресурсами, которые позволяли полностью удовлетворить потребности в них любых отраслей народного хозяйства (в том числе и химической промышленности). В Российской Федерации имеются огромные ресурсы ископаемого топлива, в особенности бурых и каменных углей. Однако только около 10 % природных топливных ресурсов приходится на Европейскую часть России, хотя сосредоточено здесь около 75 % потребителей электроэнергии, поэтому необходимо транспортировать и электроэнергию и топливо из восточных районов.

Последние 30-40 лет в мире и энергетика и технология ориентировались почти исключительно на нефть и природный газ, добыча которых велась темпами, не соответствующими их запасам. В 70-х годах ХХ столетия в мире появились первые признаки энергетического кризиса, что выразилось в резком повышении цен на нефть и природный газ. Поэтому появилась срочная необходимость изыскания и освоения источников энергии, способных заменить нефть и газ.

В середине ХХ века (в 1960 г.) в мировом топливно-энергетическом балансе составляла: нефть - 29,8 %, природный газ - 13,9 %, уголь — 45,5 %, дрова и суррогаты топлива - 10,8 %. К 1970 г. доля нефти возросла до 40,0 %, природного газа до 19,7 %, а к 1980 г. доля нефти составила - 46,2 %, газа - 18,8 %, угля – 28,4 %. В технически развитых странах доля нефти и газа в топливно-энергетическом балансе и того выше. Так, например, в США нефть давала 48,8 % энергии, а уголь – 18,5 %. В 2000 г. в мировом топливно-энергетическом балансе составляла: нефть – 39 %, газ – 25 %, уголь – 27 %, энергия атомных станций – 7 %, гидроэнергия – 3 %.

 

Рис.1. Годовой мировой расход

энергии (относительные величины):

1 – нефть, 2 –уголь,

3 – природный газ,

4 – гидроэлектростанции,

5 – атомная энергия.

 

Таблица 4. Мировое потребление энергии с 1860 по 2000 г

Энергоресурсы, Млрд. МВт^.Ч
Уголь	1,14	6,25	15,30	17,80	18,20	19-22	28-37
Нефть	Мало	0,25	3,66	20,80	24,00	28-37	49-61
Природный газ	-	0,08	0,98	4,65	11,80	20-25	32-49
Гидроэнергия Рек	Мало	0,08	0,58	2,45	3,66	4,9	6-8,2
Ядерная Энергия	-	-	-	-	0,33	5-6	41-53
Прочие	3,42	4,10	5,72	5,72	5,30	4,90	3,25
Всего	4,56	10,76	26,24	41,42	63,29	89-98	163-204
На одного человека, МВт^.Ч	3,82	6,25	12,05	13,85	17,40	19-21	27-31

 

Сейчас в структуре потребления первичных энергоносителей происходят изменения, направленные на сокращение доли нефти. Особенно это заметно в энергетике Европы: по прогнозам доля нефти с 42 % в 2000 г. упадет к 2010-2015 году до 30-35 %, а доля газа за этот период возрастет.

Можно обратиться к истории и посмотреть, как расходовались имеющиеся мировые запасы энергии. Ответ дает таблица 4.

Таблица позволяет сделать интересные выводы. За ХХ столетие общее потребление энергии человечеством возросло в 16-20 раз, однако расход ее на одного человека увеличился только в 4-5 раз вследствие быстрого роста населения Земли и чрезвычайно неравномерного промышленного развития стран. Потребление природного газа возросло в 400-600 раз, нефти – в 200-250, гидроэнергии – 75-100, а угля всего в 5-6 раз. Потребление же ядерной энергии только за 30 лет должно было увеличиться в 120-150 раз.

 

Источники энергии

 

Основной источник энергии – топливо (точнее, органическое топливо). Основная энергетическая характеристика топлива – его теплота сгорания (т.е. количество теплоты, которое получается при сжигании единицы массы или объема топлива). Самое хорошее топливо – нефть. Уровень мировой добычи нефти на 1980 г. (включая газовый конденсат) составил 3 061 755 тыс. тонн, в разных странах было добыто: 1 – СССР – 603207,

2 – Саудовская Аравия – 496360, 3 – США – 482205, 4 – Нигерия – 267798, 5 – Ирак – 132620. (Это довольно старые данные. Сейчас многое изменилось в мире – значительно больше добывал нефти Ирак (до войны) и значительно меньше – США).

 

Таблица 5. Теплота сгорания топлива

Топливо	Теплота сгорания, Кдж/кг
Дрова
Торф
Бурый уголь
Каменный уголь
Природный газ
Нефть

 

Химическая промышленность является одной из самых энергоемких отраслей индустрии. Для снабжения химической промышленности энергией могут быть использованы различные энергетические установки. Источниками энергии могут быть:

1. Тепловые двигатели (паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания) – они дают механическую энергию.

2. Тепловые электростанции – основное количество электроэнергии в нашей стране (более 70 %) производится тепловыми электростанциями; доля газа в топливном балансе ТЭС составляет свыше 60 % и имеет устойчивую тенденцию к росту. Однако, например, в Северо-Западном регионе России по структуре производства энергии на ТЭС газ занимает сегодня уже 82 %, мазут – 14,7 %, уголь – 2,9 %, торф – 0,1 %. ТЭС дают также тепловую энергию в виде пара и горячей воды.

3. Гидроэлектростанции – дают электроэнергию. К 1982 г. мощность гидроэлектростанций в СССР составила 54 млн кВт (при общей мощности электростанций в 277 млн кВт). В 2000 г. мощность гидроэлектростанций России составляла 44 млн кВт.

/Российская энергетика в настоящее время – это приблизительно 600 тепловых, 160 гидравлических и 19 атомных электростанций общей мощностью более 210 млн кВт/.

4. Возобновляемые источники энергии. В перспективе большое значение будут приобретать такие источники энергии, как солнечная, энергия ветра, приливов и отливов, тепла земных недр.

Солнечная энергия. Среди всех видов возобновляемых источников энергии потенциал солнечной энергии наиболее крупный. Тепловой поток солнечного излучения, достигающий поверхности Земли, огромен (1,5^.10²⁴ Дж в год) и более чем в 5000 раз превышает суммарное потребление всех видов топливно-энергетических ресурсов в мире. Но главная трудность в освоении солнечной энергии – низкая плотность теплового потока, которая на границе с атмосферой Земли составляет 1360 вт/м². Там, где много солнечных дней, уже широко используют солнечную энергию в хозяйстве (например, для опреснения соленой воды, для отопления и охлаждения зданий и др.). Например, во Франции (в Пиренеях) построена солнечная электростанция мощностью 2,5 мегаватт. Станция состоит из башни высотой 100 метров, вокруг которой размещены 200 зеркал, фокусирующих солнечные лучи на вершину башни. Там они нагревают до 450⁰С жидкий теплоноситель. Получаемый пар используется для вращения турбогенератора.

Энергия ветра. В настоящее время десятки тысяч ветряных электростанций успешно работают во многих странах мира. Например, считалось, что к началу 80-х годов в ФРГ с помощью ветроэнергетики можно было бы удовлетворить до 65 % потребностей в электроэнергии.

Энергия Мирового океана. Запасы энергии в Мировом океане колоссальны! Так, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными на 20⁰ имеет величину порядка 10²⁶Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 10¹⁸Дж. Однако пока еще люди умеют утилизировать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то лишь ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергия до сих пор еще казалась малоперспективной.

Энергия приливов и отливов. Наиболее очевидным способом использования океанской энергии представляется постройка приливных электростанций (ПЭС). С 1967 г. в устье реки Ранс на северо-западе Атлантического побережья Франции на приливах высотой до 13 м работает ПЭС мощностью 240 тыс. кВт. (что составляет годовую выработку электроэнергии около 5^. 10⁸ кВт ^. ч.). В 1968 около Мурманска была испытана первая советская ПЭС – особенно удобны эти станции для районов Крайнего Севера.

Преобразование энергии волн. Волновая мощность Мирового океана оценивается в 2,7 млрд кВт, что составляет около 30 % потребляемой в мире энергии. Есть различные проекты, есть опытные образцы (США, Канада, Япония).

Энергия океанских течений. Гольфстрим – река в океане. В основном есть только проекты и опыты.

Термальная энергия океана – использование разницы температур. Много различных проектов. В газетах сообщалось, что первая в Индии океаническая термальная электроустановка мощностью в 1000 кВт будет построена близ атолла Каваратти. Она будет работать за счет постоянной разницы (примерно 20⁰) температуры поверхностных и глубинных слоев воды.

Неожиданной возможностью океанской энергетики оказалось выращивание с плотов в океане быстрорастущих гигантских водорослей, легко перерабатываемых в метан для энергетической замены природного газа.

Тепло земных недр. Согласно оценкам, прогнозные запасы термальных вод в нашей стране составляют 20-22 млн кубометров в сутки с температурой от 50 до 250⁰С. Если эксплуатировать месторождения с поддержанием пластового давления (путем обратной закачки отработанной воды), то они могут обеспечить годовую экономию 140-150 миллионов тут [1 тут (тонна условного топлива) – 29400 кДж/кг.] Термальные воды есть в России (Камчатка, Сахалин, Северный Кавказ), в Исландии и некоторых др. странах.

К возобновляемым источникам энергии относится и растительное сырье, оно может быть использовано для получения водорода, газообразных, жидких, твердых углеводородов и химического сырья. Это связано с тем, что ежегодный прирост твердой биомассы лесов мира составляет около 50 млрд. т, а продукция всего годового фотосинтеза достигает 57^,10¹⁵ г углерода в год, что в несколько раз превышает потребление энергии человечеством. Прирост промышленной древесины составляет 3,5-4 млрд. т в год, а добывается в мире лишь 1,1-1,3 млрд. т в год. Из всего лесного массива используется только около 7,5 % древесины, 37 % не находит применения и биологически разрушается. По-видимому, при разработке соответствующей технологии сбора и переработки от 0,1 до 0,5 части этой ежегодно возобновляемой массы в перспективе может быть использовано для получения энергии в виде газообразного, жидкого и твердого топлива.

4. Атомные электростанции. Наиболее реальная альтернатива нефти и газу – это широкое использование атомной энергии для производства электроэнергии, теплофикации и технологических целей. Потенциал атомной энергии на Земле практически неисчерпаем. По зарубежным оценкам, запасы урана превышают объем всех геологических запасов «обычного» ископаемого топлива в 320 раз. По другим данным, запасов расщепляющегося топлива в земной коре достаточно для удовлетворения потребностей человечества на современном уровне потребления на протяжении нескольких миллиардов лет. Поэтому считается, что в ХХI веке АЭС станут одним из основных источников электроэнергии.

По отчетам Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) к 2000 г. мощность АЭС достигает примерно 700 тысяч мегаватт. Энергетических реакторов было: в 1982 г. – 293, в 1986 г. – 350, к началу 90-х годов в мире работало более 400 энергетических реакторов, сейчас – более 430. В электроэнергетике (т.е. в выработке электроэнергии) ряда стран АЭС играют ведущую роль. Так, в Болгарии на их долю приходится 30 % всей производимой электроэнергии, в Швейцарии – 39 %, в Бельгии и во Франции – свыше 70 %. В США 20 % электроэнергии вырабатывают АЭС.

Для выработки 1 миллиона киловатт-часов на Нововоронежской АЭС расходуется около 150 г урана. Это эквивалентно 360 тут. Годичное потребление ядерного горючего на такой станции составляет всего несколько десятков тонн. Для сравнения приведем энергетическую ценность некоторых источников энергии (в кВт ^. ч ^. кг^-1):

Торф 4,0

Каменный уголь 8,0

Природный газ 10,6

Уран 22,5 ^. 10⁶

Кстати говоря, если атомная энергетика в энергетическом балансе нашего государства сейчас составляет всего лишь 16 %, то ее доля в Северо-Западном регионе – 45 % (здесь расположены две станции: Ленинградская и Кольская).

По мнению одного из бывших Генеральных директоров МАГАТЭ атомная энергетика имеет определенные преимущества перед другими источниками энергии (их пять).

Первое преимущество – это дешевизна. Во многих странах электроэнергия, производимая на АЭС, значительно дешевле, чем на соответствующих станциях, работающих на нефти, газе, а в некоторых странах даже и на угле.

Второе преимущество – это независимость снабжения энергией потребителей внутри страны. Во многих странах, например в Японии или в Швеции, использование ядерной энергии для производства электроэнергии позволяет накапливать, экономить природные энергоисточники на много лет вперед. Тем самым обеспечивается независимость страны в снабжении электроэнергией внутренних потребителей от возможных потрясений на мировых рынках.

Третье преимущество – это вопрос рационального использования ресурсов. В настоящее время самым целесообразным способом производства электроэнергии, несомненно, является ядерная энергетика. Ведь уголь, газ и нефть можно эффективно использовать и на другие цели.

Четвертое преимущество – экологическое, потому что отрицательное воздействие ядерных источников энергии на окружающую среду гораздо меньше, чем других источников. Конечно, существует сложная проблема захоронения радиоактивных отходов, но сейчас по объему и количеству отходов, образующихся в результате работы АЭС, их значительно меньше, чем на станциях, работающих на органическом топливе.

Пятое преимущество – это безопасность работы. Если удастся обеспечить эксплуатацию атомных электростанций без серьезных аварий, то их безопасность для окружающего населения гораздо выше, чем других альтернативных источников энергии.

 

Но, конечно, с атомной энергетикой не так все просто, очень много еще скептических мнений, например таких:

"Атомная энергия, которую всего лишь несколько лет назад рекламировали как основной заменитель нефти, в настоящее время оценивается более скептически. Причина этого не только в растущей волне протеста среди населения районов, где планируется сооружение АЭС, но и в стремительном увеличении стоимости строительных работ, участившихся авариях при эксплуатации станций, ужесточившихся требований к технике безопасности и в до сих пор не установленной величине затрат на захоронение радиоактивных отходов. Все это вместе взятое делает сомнительной конкурентоспособность атомной энергии с новыми источниками энергии в обозримом будущем".

Но, несмотря на это, считается, что в ХХI веке АЭС станут одним из основных источников электроэнергии. Главный «атомщик» СССР академик А.П.Александров говорил: «Отказ человечества от развития атомной энергетики был бы для него губителен. Такое решение не менее невежественно и не менее чудовищно, чем тот эксперимент на Чернобыльской АЭС, который непосредственно привел к аварии».

 

Говоря об источниках энергии, еще можно остановиться на общих энергетических ресурсах нашей Планеты (Табл.6).

Таблица 6. Ресурсы энергии на Земле

 

Наименование ресурсов

Количество энергии, МВт^. Ч

Невозобновляющиеся (общие запасы): термоядерная энергия - ядерная энергия деления - химическая энергия ископаемых органических горючих - внутреннее тепло Земли (геотермальная энергия) - Возобновляющиеся в течение года: энергия солнечных лучей, достигающих земной поверхности - энергия солнечных лучей, аккумулирующаяся в верхних слоях атмосферы (150 – 200 км) в виде атомарного кислорода - энергия морских приливов и отливов - энергия ветра - энергия рек -

100000 ^. 10^12 547 ^. 10^12 55 ^. 10^12   0,134 ^. 10^12     580 ^. 10^12   0,000012 ^.10^12 70 ^. 10^12 1,7 ^. 10^12 0, 018 ^. 10^12

 

Таблица 7. Глобальный рынок катализаторов (в млрд дол. США)

Сектор	1995 г.	2001 г.
Нефтепереработка	1,9	2,4
Химическая промышленность	2,2	2,5
Полимеризация	1,4	1,8
Экологический катализ	3,1	4,0
Всего	8,6	10, 7

 

Как известно, каталитические реакции подчиняются общим законам химической кинетики и термодинамики, но применение катализаторов облегчает практическое осуществление многих химических реакций. В присутствии катализаторов эти реакции ускоряются в тысячи и миллионы раз, протекают при более низких температурах – экономически это выгодно. Очень многие промышленные процессы и удалось осуществить только благодаря применению катализаторов. Важнейшие крупнотоннажные производства – получение аммиака, серной и азотной кислот и многие другие – каталитические процессы. Промышленность полимеров – исключительно на катализаторах.

 

3) Можно экономить энергию на стадии выделения готового продукта, потому что в большинстве ХТП на эту стадию приходится 30-50 % энергозатрат. Особенно энергоемким является широко распространенный процесс ректификации. КПД ректификации очень низок, особенно при разделении высококипящих и термически нестабильных продуктов. И здесь одним из важнейших направлений снижения энергозатрат является оптимизация ректификации, исходя из критерия – минимум энергоресурсов при заданной глубине отбора.

Другим направлением экономии энергоресурсов в процессах разделения может быть замена ректификации на экстракцию или сорбцию, которые характеризуются гораздо меньшими потерями энергии. А еще лучше мембранное разделение (особенно эффективен этот метод при разделении газов).

 

4) Можно экономить энергию путем комбинирования химических процессов, установок и производств. Под комбинированием процессов понимается совмещение в одном реакционном объеме ряда последовательно или параллельно осуществляемых химических реакций или физико-химических процессов. В этом случае экономия энергии достигается за счет сокращения затрат на промежуточное разделение продуктов реакции, за счет улучшения условий управления процессом и за счет увеличения концентрации производства. Так, например, в области производства ароматических углеводородов разрабатываются процессы, где в одном реакционном аппарате совмещаются дегидрирование, изомеризация, циклизация и деалкилирование.

 

Рис.3. Схема сопряжения дегидриро-

Тализатор.

 

 

Совмещение процессов приводит к снижению удельного расхода энергоресурсов примерно в 2 раза. Особенно большой эффект достигается при использовании специально приготовленных катализаторов, в том числе с зернами определенной геометрической формы, которые одновременно выполняют функцию насадки.

Такое сопряжение реакций можно осуществить с использованием мембранного катализатора, через который происходит перенос только водо­рода. Схему можно показать так (рис.3).

Комбинирование крупных химических производств в составе комбинатов или объединений также позволяет лучше использовать энергоресурсы и сочетать энергопотребляющие производства с энерговыделяющими.

 

5) Можно совершенствовать технологию за счет применения более совершенных видов оборудования. Теплообмен, нагрев, охлаждение, транспортировка реагирующих потоков и полученных продуктов реакции – все это производится в определенных типах оборудования. От особенностях этого оборудования во многом зависит уровень энергозатрат. Часто еще это оборудование несовершенно, что вызывает прямой перерасход энергии. Таким образом, совершенствование методик расчета химической аппаратуры, снижение необоснованных запасов мощности и размеров, уменьшение веса и габаритов аппаратуры является дополнительным резервом экономии энергии.

Необходимо также совершенствовать условия эксплуатации оборудования. По различным причинам (недостаток сырья, затруднения с отгрузкой продукции и т.п.) оборудование часто не работает на максимальной загрузке, тогда как расход энергоресурсов далеко не всегда снижается синхронно со снижением загрузки оборудования.

 

Мы рассмотрели все аспекты создания энергосберегающих процессов, зависящих от совершенства технологии.

 

II. Вторая группа основных принципов энергосберегающей политики состоит в том, что нужно беречь энергию за счет улучшения использования энергоресурсов. Эта задача должна решаться по двум направлениям:

1) совершенствование систем использования первичных энергетических ресурсов и 2) максимальная утилизация вторичных энергоресурсов.

Первое направление (т.е. совершенствование систем использования первичных энергоресурсов) решается в условиях химических производств повышением КПД преобразующих устройств (технологических печей, парогенераторов и т.п.). Оно может быть достигнуто за счет совершенствования конструкций агрегатов, за счет подбора благоприятного технологического режима, за счет снижения безвозвратных потерь топлива и т.д. Сегодняшний уровень развития науки и техники позволяет поднять КПД энергопреобразующих устройств в химических производствах почти до 90 %.

Второе направление – максимальная утилизация побочных или вторичных энергоресурсов. Это очень важная задача, так как в эти ресурсы переходит большая часть применяемой в химическом производстве энергии. О масштабах вторичных энергоресурсов в химических производствах можно судить, например, по тому, что только в азотной промышленности они превышают 15 млн тут/год.

Одно из наиболее действенных средств повышения эффективности потребления топлива – это переход к комплексным энерго-технологическим методам использования топлива. Этот метод позволяет извлекать все ценные составляющие топлива при обязательном комбинировании энергетического процесса сжигания части топлива. Часть топлива сжигается, дает энергоноситель, который ведет технологический процесс.

Простейшую схему (энерготехнологическую) использования топлива (природного газа) можно показать так:

 

Высокоскоро-стной пиролиз

Сжигание в топке котла

теплота

 

электроэнергия

 

ацетилен этилен

 

Сочетание энергетики и технологии позволяет значительно полнее использовать энергию химических реакций и энергоресурсы, позволяет улучшить качество продукта, позволяет повысить производительность энерготехнологических агрегатов.

В современной химической технологии большое значение имеет создание энерготехнологических процессов и схем, в которых использовалась бы энергия, получаемая за счет теплоты химической реакции. И одной из наиболее эффективных энерготехнологических схем в химической промышленности является схема крупнотоннажного производства аммиака. Для синтеза аммиака водород получают конверсией природного газа (метана): СН₄ + Н₂О Н₂ + СО, реакция проходит при высоких температурах, порядка 800-1000⁰С. Это тепло не теряется, а используется в этом же процессе (оно нагревает воду для получения водяного пара, этот пар затем подается в паровую турбину, установленную на одном валу с турбокомпрессором, который сжимает азотоводородную смесь).

Есть еще и третья группа принципов энергосбережения – лучшая организация эксплуатации энергохозяйства промышленных предприятий. Но об этом говорить мы не будем (это и так ясно без комментариев).

Таблица 8. Мировые ресурсы ископаемого топлива

Топливо	Ресурсы, млрд. тут
Пригодные к эксплуатации	по прогнозам
Природный газ	72,1 (6,75 %)	360,0 (4,9 %)
Газоконденсат	72,1 (6,75 %)	36,9 (0,5 %)
Нефть	122,0 (11,4 %)	565,0 (7,7 %)
Битуминозные сланцы	54,0 (5,05 %)	500,0 (6,7 %)
Уголь	813,0 (77,1 %)	5900,0 (80,2 %)
В С Е Г О	1068,2	7364,6

 

Но прежде чем перейти к проблеме искусственного жидкого топлива, получаемого из угля, немного поговорить о жидком топливе, и в связи с этим, о переработке нефти.

Нефть и продукты ее переработки широко используются в народном хозяйстве, нефть - важнейшее жидкое топливо. Процессы переработки нефти известны давно. Еще в середине XIX века получали из нефти керосин (для освещения), а остальное сжигали как топливо. Развитие автомобильного, а затем и авиационного транспорта способствовало увеличению спроса на бензин, что привело к разработке новых методов переработки нефти.

Нефть в основном (90-98 %) состоит из углерода и водорода, немного в ней кислорода (0,1-1,0 %), немного серы (до 3 %), немного азота (до 0,4 %). Теплотворная способность нефти около 44000 кДж/кг, температура кипения обычно ниже 100⁰С, а температура застывания колеблется от –20 до +20⁰С. Нефть – сложная смесь углеводородов. Кроме углеводородной в нефти имеется небольшая неуглеводородная часть и минеральные примеси. Углеводородная часть нефти состоит из парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов, причем по молекулярной массе эти углеводороды обладают очень широким спектром: от газообразных парафинов типа СН₄ до твердых высокомолекулярных растворенных в нефти полициклических полиметиленовых углеводородов.