Энергетические ресурсы

Вторичные ресурсы

Невозобновляемые ресурсы

Рис. 2.1. Классификация энергетических ресурсов

2.2.4. Рациональное использование энергии в химической промы-шленности. Большая доля энергии в себестоимости в химическом производ­стве требует рационального и экономичного подхода к ее использованию. Критерием экономичности при этом 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 коэф-фициент 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;

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

- создание комбинированных энерготехнологических схем, объединя-ющих 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.

2.2.5. 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 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 (10³–10⁴ К) и высокотемпературную (10⁶–10⁸ К) плазму. В химической технологии применяют низкотемператур­ную плазму. Исследования по применению плазмы в химической промы-шлен­ности 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, напри­мер, 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 и т.д.

Плазмохимические процессы отличаются очень малым временем контакта 10^–2–10^–5 с. При этом под временем контакта понимают истинное время реакции, рассчитываемое по формуле:

с, (2.2)

где V – реакционный объем, м³

W_o – объем исходной смеси сырья, подаваемый в реактор в единицу времени, м³/с.

Небольшое время контакта определяет незначительные размеры реак­то­ра. Плазмохимические процессы легко управляемы, оптимизируются и мо­делируются и затраты энергии на них не выше, чем в традиционных про­цессах.

Особое место в ряду перспективных источников энергии занимает водород. Его применение как источника энергии имеет ряд преимуществ:

- широкое распространение в земной коре (горючие ископаемые) и 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 следующих химических реакциях:

СН₄ + Н₂О СО + 3Н₂ – 206 кДж/моль (2.3)

СН₄ + 0,5О₂ СО + 2Н₂ + 35 кДж/моль (2.4)

2.3. Вода в химической промышленности

Вода – наиболее распространенное вещество на Земле. При этом основная масса воды сосредоточена в мировом океане, и это соленая вода, которая для промышленности практически непригодна без опреснения. Общая масса пресной воды на Земле составляет чуть больше 2,5 % масс. от мировых запасов (35 млн. км³). При этом почти 99 % пресной воды – это подземные воды и ледники вместе со снежным покровом.

Химическое производство – одно из крупнейших потребителей воды. Этот факт объясняется рядом достоинств воды, из которых можно выделить следующие:

- наличие комплекса ценных физических свойств (высокая теплоем­кость, малая вязкость, низкая температура кипения и др.);

- доступность и дешевизна;

- нетоксичность;

- удобство транспортировки и использования в производстве.

В химической промышленности вода используется в следующих на­прав­лениях:

1. Для технологических целей в качестве:

- растворителя, среды для проведения некоторых физических и меха-ни­ческих процессов;

- промывной жидкости для газов;

- экстрагента и абсорбента;

- для перекристаллизации;

- для флотации;

- в качестве катализатора или инициатора каталитического процесса (взаимодействие щелочных металлов и водорода с хлором, алкилирование на катализаторе Фриделя – Крафтса проводят в присутствии следов воды).

2. В качестве теплоносителя в виде горячей воды и перегретого водя­ного пара и хладоагента.

3. В качестве сырья или реагента для производства разнообразной хи­ми­ческой продукции. Примеры синтеза водорода, ацетилена, минеральных кислот, спиртов приведены ниже.

СН₄ + Н₂О СО + 3Н₂ (2.5)

СаС₂ + 2Н₂О = С₂Н₂ + Са(ОН)₂ (2.6)

Р₂О₅ + 3Н₂О = 2Н₃РО₄ (2.7)

СН₂ = СН_{2 газ} + Н₂О_газ С₂Н₅ОН_газ , (2.8)

Объемы потребления воды химическим производством зависят от типа производимой продукции и колеблются в широких пределах. Так для произ­водства азотной кислоты требуется 200 т воды/т продукции, вискозного волокна – 1200 т/т, аммиака – 1500 т/т, капронового волокна – 2500 т/ т.

Колоссальный расход технологической воды с учетом большого объе­ма загрязненных сточных вод требует рационального подхода к ее использо­ванию в химической промышленности. Эти задачи решают следую­щими спо­собами:

- разработкой научно обоснованных норм расхода на технологические нужды;

- максимально полного использования отходов;

- заменой, где возможно, водяного охлаждения на воздушное;

- организацией замкнутых бессточных производств и водооборотных циклов.

Критерием эффективности водооборотного цикла является коэффици­ент использования воды:

К_в= . (2.9)

где: V_а и V_сб – объемы забираемой из источника свежей воды и сбрасываемой в водоем сточной воды соответственно. В химической промышленности этот коэффициент составляет 0,8–0,9.

2.3.1. Основные показатели качества воды для химической техно­ло­гии. Вода, используемая в химической промышленности, должна удо­влетворять по качеству определенным требованиям. Оно опре­де­ляется со-вокупностью физических и химических характеристик, среди кото­рых сле­дует отметить следующие: жесткость, окисляемость, рН, доля примесей.

Жесткость – это свойство воды, связанное с присутствием в ней раст­воренных солей кальция и магния. Жесткость (Ж_о) характеризуют концентра­цией ионов Са²⁺ и Mg²⁺ и измеряют в миллимолях на литр воды. По значению Ж_о вода бывает мягкой (Ж_о< 2), средней жесткости (Ж_о = 2–10) и жесткой (Ж_о >10).

Окисляемостью называют свойство воды, связанное с присутствием в воде неорганических веществ, легкоокисляющихся соединений железа и се­ро­водорода, способных окисляться различными окислителями и измеряется количеством КМпО₄ или эквивалентным количеством кислорода, затрачен­ным на окисление 1 л воды, т.е. мг/л.

Активная реакция воды характеризует ее кислотность или щелочность (рН). Она определяется присутствием в воде некоторых газов, таких как хлор, оксид углерода (II), гидрокарбонатов, силикатов, реже карбонатов и др., а также растворимых гуминовых кислот и веществ, вносимых в водоем промышленными стоками. Большинство природных вод имеют рН = 6,5–8.

Примеси в природных и сточных водах присутствую во взвешенном, коллоидном или растворенном состоянии. Примеси во взвешенном состоя­нии – это эмульсии или суспензии. Они кинетически неустойчивы. Примеси в коллоидном состоянии – это гидрофильные и гидрофобные минеральные и органические коллоидные частицы.

2.3.2. Промышленная водоподготовка. Водоподготовкой называют комплекс мероприятий по улучшению качества воды для технологических це­лей. В нее включают операции по удалению механических примесей, умяг­чению, осветлению, дегазации.

Осветление – это отстаивание воды с последующей фильтрацией через зернистый материал. Для коагуляции коллоидных примесей и абсорбции окрашенных частиц к ней добавляют электролиты – сульфаты Al или Fe.

Обеззараживание воды проводят хлором или озоном.

Дегазацию (удаление из воды растворенных газов) ведут химическим способом, при котором газы поглощаются химическими реагентами, напри­мер, в случае диоксида углерода или сероводорода воду обрабатывают моно­эта­ноламином или раствором гашеной извести. Применяют также физичес­кие методы, например, термическую деаэрацию на воздухе либо в вакууме.

Обессоливание применяют в тех производствах, где предъявляются по­вы­­шенные требования к товарным продуктам на содержание различных ме­тал­лов, имеющихся в воде. В качестве примера можно назвать производства химически чистых реактивов, полупроводниковых материалов, лекарств и т.д. Обессоливание ведут ионным обменом, дистилляцией, электродиализом. Наглядное представление о методах водоподготовки дает рис. 2.2.

ОЧИСТКА ВОДЫ

Обессоливание

Рис. 2.2. Методы очистки воды