• 2.1 Человеческое общество и проблема энергии
• 2.2 Использование энергии в химической промышленности
• 2.3 Источники энергии
• 2.4 Рациональное использование энергии в химической промышленности
• 2.5 Новые виды энергии в химической промышленности

2.1      Человеческое общество и проблема энергии

Одним из условий существования человеческого общества является непрерывный обмен энергией с окружающей средой. Поэтому энерговооруженность общества составляет условие прогресса человечества, а дальнейшее развитие материальной культуры непосредственно связано с решением энергетической проблемы. Уровень материального благосостояния современного общества определяется количеством энергии, вырабатываемой на душу населения.

Потребление энергии на планете непрерывно возрастает. Если в 1975 году оно составляло 0,25Q, то прогноз на 2000 год дает 0,8Q, а на 2100 год астрономическую цифру 7,3Q, где Q=2,3×10¹⁴ кВт×ч. Производство энергии в РФ в 1992 году было эквивалентно 1,6 т условного топлива на человека.

          Предполагается, что в 2100 году оно достигнет 1,8-2,0 т УТ. Структура потребления энергии в современном обществе свидетельствует, что наиболее энерговооруженной отраслью народного хозяйства является промышленное производство, а наименее – сельское хозяйство.

         Существует определенная связь между потреблением энергии обществом и средней продолжительностью человеческой жизни, как это видно из рис. 2.1.

Рисунок 2.1 – Зависимость продолжительности челове-ческой жизни от величины энергопотребления

Из него следует, что «порог» энергопотребления, при котором достигается устойчивая средняя продолжительность жизни порядка 80 лет, равен 7×10³ кВт×ч на человека в год. Этот порог достигли, или приблизились к нему такие страны как Швеция, ФРГ, США, Япония.

2.2      Использование энергии в химической промышленности

Химическое производство принадлежит к числу наиболее энергоемких. Так, если в продукции всей промышленности доля затрат на энергию составляет 2,5%, то в продукции нефтехимической и химической отраслей она достигает 8,9%. Химическая отрасль промышленности, производя около 6% промышленной продукции, потребляет до 12% всей вырабатываемой электроэнергии. Эта высокая энергоемкость обусловлена значительным потреблением энергии такими химическими производствами, как производство аммиака, фосфора, карбида кальция, карбоната натрия, химических волокон и пластмасс, которое составляет более 60% электрической и 50% тепловой энергии всей отрасли.

Потребление энергии химическим производством оценивается его энергоемкостью. Энергоемкость производства - количество энергии, затрачиваемое на получение единицы продукции. Она выражается в кВт-ч (кДж) или в тоннах условного топлива (УТ) на тонну продукции. По энергоемкости химические производства делятся на три класса.

            І-ый класс. Производства с расходом УТ более 2 тонн (58×10³кДж) на тонну продукции. К ним относятся производства химических волокон, ацетилена, капролактама, полиэтилена, акрилонитрила и др.

            ІІ-ой класс. Производства с расходом УТ от 1 до 2тонн (29×10³ - 58×10³ кДж) на тонну продукции. К ним относятся производства карбоната натрия, аммиака, карбида кальция, метанола и др.

III-ий класс. Производства с расходом УТ менее 1тонны (29×10³ кДж) на тонну продукции. К ним относятся производства разбавленной азотной кислоты, этиленгликоля, уксусной кислоты, анилина, полистирола, двойного суперфосфата и др.

Энергоемкость отдельных производств колеблется в очень широких пределах: от 20×10³ кВт×ч для алюминия до 60-100 кВт×ч для серной кислоты на тонну продукции.

В химическом производстве энергия используется для проведения химических реакций, сжатия газов и жидкостей, нагрева материалов, осуществления тепловых процессов (ректификация, испарение и др.), проведения механических и гидродинамических процессов (измельчение, фильтрование идр.), транспортировки материалов. Для этих целей используется электрическая, тепловая, топливная, механическая, световая, ядерная и химическая энергия.

Электрическая энергия применяется для проведения электрохимических, электротермических, электромагнитных и электростатических процессов, а также для перемещения материалов и приведения в действие различных механизмов и машин.

Тепловая энергия используется для различных целей. Энергия высокого потенциала (более 623°К) применяется для высокотемпературной обработки сырья (обжиг и др.) и интенсификации химических реакций. Ее получают за счет сжигания различных видов топлива непосредственно в технологических устройствах. Тепловая энергия среднего (373-623°К) и низкого (323-423°К) потенциала используется в производственных процессах, связанных с изменением физических свойств материалов (нагрев, плавление, дистилляция, выпаривание), для нагрева компонентов при химических процессах, а также для проведения некоторых химических процессов.

Передача тепла осуществляется за счет контакта нагреваемой системы через стенку аппарата с теплоносителем, обладающим высоким теплосодержанием или при непосредственном контакте с нагреваемым материалом. Теплоноситель - вещество или система веществ, используемое в качестве среды для нагревания. В качестве теплоносителей для средне- и низкотемпературных процессов в химической промышленности применяются горячий воздух, горячая вода, насыщенный и перегретый водяной пар, топочные газы, высококипящие органические соединения, твердые зернистые материалы (обычно зерна катализатора).

Топливная энергия при сжигании топлива используется для производства тепла и электроэнергии в ТЭЦ и печах особого назначения и составляет в общем балансе энергии, используемой в химической промышленности, около 50%.

Механическая энергия используется для выполнения таких физических операций как измельчение, центрифугирование, перемещение материалов, смешение в работу различных машин, компрессоров, насосов и вентиляторов и др.

Световая энергия применяется в виде облучения для проведения фотохимических процессов синтеза, например, в производстве хлороводорода, галогеналканов и др.

Химическая энергия реализуется в работе химических источников тока различного устройства и назначения.

Ядерная энергия используется для проведения радиационно-химических процессов (например, в процессах полимеризации), производства энергии в АЭС, для анализа, контроля и регулирования процессов производства.

Из всей потребляемой химической промышленностью энергии 40% составляет электрическая, 50% - тепловая (в виде теплоносителей - пара и воды) и 10% топливная энергия.

2.3      Источники энергии

Основными источниками энергии, потребляемой промышленностью, являются горючие ископаемые и продукты их переработки, энергия воды, биомасса и ядерное топливо. В значительно меньшей степени используются энергия ветра, солнца, приливов, геотермальная энергия. Мировые запасы основных видов топлива оцениваются в 1,28×10¹³ тонн УТ, в том числе, ископаемые угли 1,12×10¹³тонн, нефть 7,4×10¹¹ тонн и природный газ 6,3×10¹¹тонн УТ.

Выработка энергии на планете в настоящее время составляет 2,93×10¹⁴ кВт×ч или 3,35×10⁷ МВт×год.

Все энергетические ресурсы подразделяются на первичные и вторичные, возобновляемые и невозобновляемые, топливные и нетопливные (рис. 2.2).

Эксплуатация невозобновляемых энергоресурсов приводит и их исчерпанию и уменьшению энергетического потенциала планеты, а с другой стороны повышению температуры среды обитания. Поэтому они называются также «добавляющими» тепло источниками энергии. Эксплуатация возобновляемых энергоресурсов сохраняет энергетический потенциал планеты и не изменяет температуру среды обитания. Поэтому они называются «недобавляющими» тепло источниками энергии.

Рисунок 2.2 – Классификация энергетических ресурсов

К топливным энергетическим ресурсам относятся уголь, нефть, природный газ, сланцы, битуминозные пески, торф, биомасса. К нетопливным - гидроэнергия, энергия ветра, лучистая энергия Солнца, глубинная теплота Земли и др.

Вторичные энергоресурсы  (ВЭР) - энергетический потенциал конечных, побочных и промежуточных продуктов и отходов химического производства, используемый для энергоснабжения агрегатов и установок. К ВЭР относятся тепловые эффекты экзотермических реакций, теплосодержание отходящих продуктов процесса, а также потенциальная энергия сжатых газов и жидкостей. Наибольшими ВЭР (главным образом в форме тепла) располагают предприятия химической, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, металлургии, промышленности строительных материалов, газовой промышленности, тяжелого машиностроения и некоторых других отраслей народного хозяйства.

Важнейшим источником энергии является химическое топливо (ископаемые угли, торф, нефтепродукты, природные и технические газы), составляющие в балансе энергоресурсов химической промышленности до 70%. Структура потребления химического топлива такова: газ 19,4%, твердое топливо 30,9%, нефтепродукты 47,2%.

Энергетическая ценность химического топлива характеризуется калорийным эквивалентом и количеством энергии:

• калорийный эквивалент η_к- отношение низшей теплоты сгорания данного топлива к теплоте сгорания УТ, принимаемой за 29260 кДж:

  • [TEX]\eta к=\frac{Qк}{29260} [/TEX],               (2.1)
• количество энергии в кВт•ч – энергия, получаемая при полном сгорании 1 кг или 1 нм³ топлива. Эта величина составляет: для каменного угля 8,0, природного газа 10,6, кокса 7,2, мазута 15,4, обратного коксового газа 4,8. Для сравнения та же величина для обогащенного урана равна 22,5×10⁶.

Второе место по масштабам энергетического вклада занимают гидроэнергия (ГЭС) и ядерная энергия (АЭС). Доля энергии, вырабатываемой ГЭС составляет около 12%. Дальнейшее развитие гидроэнергетики связано с экологическими проблемами, к числу которых относится сокращение площади плодородных земель и изменение климата при строительстве равнинных ГЭС.

АЭС представляют наиболее перспективный источник энергии как электрической, так и тепловой.

Истощение энергоресурсов привело к необходимости изыскания новых видов и источников энергии. К ним относятся водород, а также возобновляемые источники энергии в виде гидроэнергии, энергии ветра и приливов, геотермальной энергии.

Использование водорода в качестве источника энергии определяется следующими его преимуществами как топлива:

• распространением водорода (в литосфере 17 атомов на 100 атомов) и практически неисчерпаемыми запасами воды как источника водорода;
• высоким энергосодержанием, превышающим в 3,5 раза энергосодержание нефти;
• простотой и дешевизной транспортировки (передача водорода дешевле передачи электроэнергии);
• экологической чистотой продуктов сгорания.

Производство водорода в промышленных масштабах с достаточной степенью экономичности может быть осуществлено электролизом воды, пиролизом воды в плазмотроне, обработкой биомассы водяным паром, фоторазложением воды в присутствии ферментов, проведением термохимических и термоэлектрохимических циклов разложения воды.

Термохимические циклы представляют собой чередование экзо- и эндотермических процессов и протекают при относительно низких температурах (схема «теплового насоса»):

• M +H₂O = H₂ + MO - ΔH,
• MO + M = 0.5O₂  + 2M +ΔH.

Комбинированные термоэлектрохимические циклы осуществляются с использованием на одной из стадий энергии АЭС:

• M +H₂O = H₂ + MO - ΔH,
• 2MO → 2M 2M + O₂ + ΔH ,
• где М - реагент с большим, чем у водорода сродством к кислороду, что обеспечивает термодинамическую возможность процесса при относительно низкой температуре;
• МО- оксид, легко диссоциирующий при нагревании.

Использование других альтернативных источников энергии ограничивается проблемой «концентрации энергии» (H.H. Семенов). Так, например, все энергетические потребности человечества может удовлетворить всего 0,5% солнечной энергии, падающей на землю. Однако для ее поглощения и утилизации необходимы гелиоустановки общей площадью 130000 км². В связи с этим возникает задача изыскания более технологичных концентрированных видов энергии. Она может быть решена переходом от традиционной схемы выработки электрической энергии через механическую

к схеме непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую

.

Для этой цели используются:

• магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы), в которых кинетическая энергия низкотемпературной плазмы за счет торможения в магнитном поле переходит в электрическую энергию постоянного тока;
• топливные элементы (электрохимические генераторы), в которых осуществляется непосредственное превращение энергии горения реакционноспособных топлив (водород, спирты, альдегиды и другие активные восстановители) в электрическую энергию.

В обоих случаях КПД этого процесса существенно превышает КПД традиционных процессов.

2.4      Рациональное использование энергии в химической промышленности

Высокая доля энергии в себестоимости химической продукции обусловила необходимость ее рационального и экономичного использования в производстве. Критерием экономичности использования энергии всех видов является коэффициент использования энергии, равный отношению количества энергии, теоретически необходимой на производство единицы продукции (W_T), к количеству энергии, практически затраченной на это (W_п):

[TEX]\eta  = \frac{Wт}{Wп} [/TEX].      (2.2)

Для высокотемпературных эндотермических процессов коэффициент использования тепловой энергии не превышает 0,7, то есть до 30% энергии уходит с продуктами реакции в виде тепловых потерь.

Рациональное использование энергии в химическом производстве означает применение методов, повышающих коэффициент использования энергии. Эти методы могут быть сведены к двум группам: разработке энергосберегающих технологий и улучшению использования энергии в производственных процессах. К первой группе методов относятся:

• разработка новых энергоэкономных технологических схем;
• повышение активности катализаторов;
• замена существующих методов разделения продуктов производства на менее энергоемкие (например, ректификации на экстракцию и т. п.);
• создание комбинированных энерготехнологических схем, объединяющих технологические операции, протекающие с выделением и поглощением энергии (теплоты). Подобное сочетание в одном производстве энергетики и технологии позволяет значительно полнее использовать энергию химических процессов, другие энергоресурсы и повысить производительность энерготехнологических агрегатов.

Ко второй группе энергосберегающих методов относятся:

• уменьшение тепловых потерь за счет эффективной теплоизоляции и уменьшения излучающей поверхности аппаратуры;
• снижение потерь на сопротивление в электрохимических производствах;
• использование вторичных энергетических ресурсов (ВЭР).

ВЭР подразделяются на горючие (топливные), представляющие химическую энергию отходов технологических процессов переработки топлива и горючих газов металлургии; тепловые ВЭР, представляющие физическую теплоту отходящих газов и жидкостей технологических агрегатов и отходов основного производства, и ВЭР избыточного давления, представляющие потенциальную энергию газов и жидкостей, выходящих из технологических агрегатов, работающих под избыточным давлением.

В зависимости от вида и параметров состояния ВЭР различают четыре направления их использования в производстве:

• топливное направление в виде непосредственного использования горючих компонентов ВЭР в качестве топлива;
• тепловое направление в виде использования тепловых ВЭР;
• силовое направление в виде использования ВЭР для выработки механической или электрической энергии;
• комбинированное направление.

Ниже представлены схемы топливного (рис. 2.3), теплового (рис. 2.4, 2.5, 2.6) и силового (рис. 2.7) направлений использования ВЭР.

Рисунок 2.3 – Использование горючих ВЭР в качестве топлива в схеме с газовой турбиной:

• 1- топочная камера;
• 2- газовая турбина;
• 3- воздушный компрессор;
• 4- парогенератор

Рисунок 2.4 – Использование тепловых ВЭР

• схеме с теплообменником:
• 1– реактор;
• 2– теплообменник

Рисунок 2.5 – Использование тепловых ВЭР в схеме с регенераторами:

• 1– регенераторы, работающие на разогрев камеры;
• 2– регенератор, работающий на подогрев газа

Рисунок 2.6 – Использование тепловых ВЭР для выработки пара в котле-утилизаторе:

• 1- котел-утилизатор;
• 2- подача воды;
• 3- выход пара;
• 4- вход нагретого газа;
• 5- выход охладившего газа

Рисунок 2.7 – Использование части энергии сжатых систем для выработки электроэнергии в схеме «мотор-насос-турбина»:

• 1– реактор;
• 2– жидкостная турбина;
• 3 – мотор;
• 4– насос;
• 5– ось

2.5      Новые виды энергии в химической промышленности

Развитие химической промышленности сопровождается не только количественным ростом энергопотребления, но и качественным изменением его. Это выражается во все более интенсивном внедрении в химическое производство таких новых видов энергии и воздействия на систему как плазмохимическое, ультразвуковое, фото- и радиационное воздействие, действие низковольтного электрического разряда и 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 явлений составляет новую отрасль химии – химию высоких энергий (ХВЭ), изучающую состав, свойства и химические превращения в системах, содержащих возбуждающие частицы.

Среди подобных процессов особо перспективными и универсальными являются плазмохимические процессы, то есть химические превращения, протекающие в плазме. Плазмой называется частично или полностью ионизированный газ, в котором содержатся молекулы, атомы, ионы и электроны:

• A₂ ⇔ 2A,
• A → A⁺ + e.

Различают низкотемпературную плазму с температурой 10³-10⁴°К и высокотемпературную с температурой 10⁶-10⁸°К. В химической технологии для получения различных продуктов применяется низкотемпературная плазма, промышленные методы получения которой разработаны. Высокотемпературная плазма используется в установках типа ТОКАМАГ.

В настоящее время исследованы более 70 технологических плазменных процессов, часть которых внедрена в промышленность. К ним относятся:

• синтез эндотермических тугоплавких соединений (карбиды урана и тантала, нитриды титана, алюминия, вольфрама);
• восстановление металлов из их оксидов и солей (железо, алюминий, вольфрам, никель, тантал);
• окисление различных веществ (азот, хлороводород, оксид углерода, метан);
• пиролиз природного газа, нефтепродуктов;
• одностадийный синтез соединений из простых веществ (аммиак, цианистый водород, гидразин, фторуглеводороды);
• синтез соединений, образующихся только в условиях плазмохимического воздействия (озон, дифторид криптона, оксид серы (II), оксид кремния (I)).

          В промышленных масштабах плазмохимические процессы применяются для производства ацетилена и водорода из природного газа, ацетилена, этилена и водорода из нефтепродуктов, синтез-газа в производстве винилхлорида, дву-окиси титана и др. Для проведения плазмохимических процессов используются плазменные реакторы различной конструкции.

          На рис. 2.8. представлен реактор прямоточного типа, состоящий из четырех основных узлов: плазмотрона, где под воздействием электрической дуги или токов высокой частоты образуется плазма; реактора, в который вводится образовавшаяся плазма и поступают реагенты, закалочного устройства, обеспечивающего быстрое охлаждение (закалку) реакционной смеси и узла улавливания продуктов реакции.

Рисунок 2.8 - Плазменный реактор:

• 1- плазмотрон;
• 2- реактор;
• 3- закалочное устройство;
• 4- узел улавливания

Для плазмохимических реакторов характерно крайне малое время реакции, составляющее от 10^-2 до 10^-5 секунды. Это определяет весьма малые размеры реактора. Плазмохимические процессы легко управляются, оптимизируются и поддаются моделированию. Затраты энергии на их проведение не превышают затрат энергии на традиционные процессы.

Характерным примером плазмохимического процесса является производство ацетилена пиролизом метана.

• Для реакции 2СН₄=С₂Н₂+3Н₂+DН,
• где ΔН=376кДж, константа скорости равна
• K_c= 10¹²  • [TEX]e^{-79000/RT} [/TEX].

Весьма высокая энергия активации требует высоких температур процесса. Термодинамически реакция становится возможной при температуре выше 1500°К, при которой энергия Гиббса приобретает отрицательное значение:

ΔG = [TEX]96.8-0.064\cdot T[/TEX].

В плазмохимическом процессе получения ацетилена по этой схеме в качестве плазмы используется аргон или водород, а закалка продуктов реакции осуществляется впрыскиванием воды. Степень конверсии метана достигает 0,7, а плазменный реактор диаметром 0,15 м, высотой 0,65 м и объемом 0,05 м³имеет производительность 25000 т ацетилена в год. По энергоемкости плазмохимический метод (14,0 кВт×ч/кг) сопоставим с карбидным методом (15,5кВт×ч/кг), но уступает методам электрокрекинга и термоокислительного пиролиза.