Замена пищевого сырья непищевым и растительного – минеральным

Наверное, эта тенденция сейчас уже не столь актуальна, но, тем не менее, ее тоже следует рассмотреть, хотя бы с исторической точки зрения. Такая замена увеличивает пищевые ресурсы потребления, сохраняет лесные богатства и снижает себестоимость продуктов. Наглядным примером может служить изменения в видах сырья в производстве этилового спирта. Этанол используется в огромных количествах в производстве синтетического каучука, искусственных волокон, пластических масс, взрывчатых веществ, различных эфиров и т.п. Вначале его получали осахариванием крахмальных пищевых продуктов (зерна, картофеля) с последующим сбраживанием в спирт. Для производства 1 т спирта брожения необходимо около 10 т картофеля или 4 т зерна. Затем в качестве сырья стали применять древесину (процесс гидролиза) – 1 т древесины заменила 1,6 т картофеля или 0,6 т зерна. В настоящее время пищевое и растительное сырье в производстве спирта вытесняется минеральным сырьем – этанол получают гидратацией этилена, при этом себестоимость спирта, полученного из газов нефтепереработки, в 3 ниже, чем из пищевого сырья (1 т этилена
экономит 4 т зерна). Этанол уже почти не применяется для получения дивинила (бутадиена-1,3)

 

в настоящее время его получают дегидрированием бутана:

Из продуктов переработки нефти и природного газа (т.е. из минерального сырья) получают СМС, заменяющие мыла, на производство которых расходовались пищевые жиры; синтетические смолы заменили жиры в производстве безмасляных эмульсионных красок; из синтетических смол изготавливают также заменители казеиновых клеев, получаемых переработкой молока.

Растительное и животное сырье уже в основном вытеснено минеральным или синтетическим в производстве красителей, лаков, лекарственных препаратов, душистых веществ, пластических масс и ряда других материалов.

Эффективное использование сырья является важнейшей проблемой химической промышленности. С точки зрения использования сырья, характерными особенностями химического производства являются:

Многовариантность сырьевой базы, включающей сырьевые ресурсы, добываемые из недр (нефть, уголь, природный газ, соли, руды и т.п.), продукцию сельского хозяйства, воздух, воду, продукты переработки природного сырья в химической и смежных отраслях промышленности.

Многообразие методов химической переработки сырья, позволяющих получать из одного и того же сырья широкую гамму химических продуктов. Например, из бензола могут быть получены каучук, полистирол, капролактам, ядохимикаты и другие продукты. В тоже время многообразие методов позволяет получить один и тот же продукт из различного сырья. Так, для производства ацетилена могут быть использованы природный газ, газы нефтепереработки, попутные газы нефтедобычи, карбид кальция; для производства капролактама – бензол, фенол, анилин или толуол.

Большинство химических продуктов может быть получено несколькими путями. Известны, например, контактный и башенный способы производства серной кислоты; этиловый спирт можно получить методами парофазной и сернокислотной гидратации и т.п.

Используемое в ХТП сырье должно обеспечивать:

- минимальное число стадий переработки в конечный продукт;

- минимальные энергетические и материальные затраты на подготовку сырья и на осуществление процесса;

- минимальное рассеяние исходной энергии (или максимум эксергии);

- возможно более низкий уровень температуры, давления, расхода энергии на изменение агрегатного состояния реагирующих веществ;

- максимальную концентрацию целевого продукта в реакционной смеси.

 

Глава 2.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ

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