Химические процессы и энергетика

Развитие экономики, благосостояние народа непосредственно зависят от количества производимой и потребляемой энергии. Еще в недавнем прошлом во многих странах основным источником энергии был уголь, однако с течением времени добыча нефти возрастала, и к середине XX в. потребление нефти и угля сравнялось. Трехкратное увеличение населения в XX в. сопровождалось приблизительно десятикратным увеличением потребления всех видов энергии.

Значительная доля энергии, производимой во всем мире, является продуктом химического процесса – сжигания нефти, природного газа и угля. В превращении световой и тепловой энергии в электрическую химические процессы также неизбежны. Химические технологии лежат в основе создания высококачественных теплоносителей и термостойких материалов для современных энергетических установок. Все это означает, что прогресс в энергетике зависит от усилий не только энергетиков, но и химиков.

К одной из первых энергетических установок относится паровая машина, созданная английским изобретателем Джеймсом Уаттом (1736–1819 гг.). Тепловая энергия в ней превращалась в механическую работу. С паровой машиной долгое время конкурировало водяное колесо. Позднее, к середине IX в., были изобретены гальванические элементы – первый источник электрического тока. В поисках более эффективных источников тока для телеграфной связи немецкий электротехник Вернер Сименс (1816–1892 гг.) в 1866 г. изобрел динамо-машину – первый генератор тока, с которого и началась новая эпоха исследований электромагнитных явлений и многочисленных применений электрического тока. Электроэнергия в те времена производилась в небольших количествах и была слишком дорогой. Для сравнения можно отметить, что алюминий и магний, полученные электрохимическим путем в середине прошлого века, стоили дороже золота и платины. С модернизацией генератора электрического тока стала вырабатываться более дешевая энергия, что послужило мощным импульсом для развития химической промышленности.

При превращении электрической энергии в тепловую была достигнута температура примерно до 3500°С, что не удавалось сделать ранее никакими другими способами. Это позволило реализовать методы восстановления металлов и получить таким образом многие из них в чистом виде, а также синтезировать не существующие в природных условиях соединения металлов с углеродом – карбиды. Применение электроэнергии на химических заводах позволило в крупных промышленных масштабах осуществлять электрохимическое разложение вещества. Так постепенно открывались новые пути развития разных отраслей химической промышленности, производящей многообразные синтетические неорганические вещества. В настоящее время химическая промышленность – одна из самых энергоемких отраслей индустрии.

Например, для производства 1 т карбида кальция или хлора требуется не менее 3,5 тыс кВт электроэнергии. Расход электроэнергии на производство алюминия и магния составляет 14–18 кВт на 1 т. В общих затратах на производство многих видов промышленной продукции на долю электроэнергии приходится 18–25%. Для карбида кальция затраты на энергию составляют почти половину его себестоимости, для поливинилхлорида и полиэтилена 35–50%, для ацетальдегида – даже 45–70%.
С каждой тонной азотного удобрения в землю «закапываются» почти 14000 кВт энергии.

Быстрое развитие химической промышленности и материального производства в целом требует не только роста выработки электроэнергии, но все более рационального ее использования.

https://studopedia.ru/2_30144_himicheskie-protsessi-i-energetika.html

Природные энергоресурсы

Основную массу природных энергоресурсов, интенсивно потребляемых для производства тепла и электроэнергии, составляют горючие источники: нефть, уголь, природный газ, горючие сланцы, смоляные пески, торф и биомасса. При их химическом превращении – сгорании – выделяется тепловая энергия, которая используется непосредственно для обогревания, например жилых домов и служебных помещений, и производства электроэнергии.

Нефть.

В последние десятилетия потребление нефти в мире постоянно увеличивалось. Потребность в нефтепродуктах продолжает возрастать. За период с 1968 по 1978 гг. нефти было добыто столько же, сколько за предшествующие 110 лет. Значительная ее доля расходуется на производство топлива для различных энергоустановок, в том числе и для транспорта. Превращение исходного природного продукта – сырой нефти – включает ее добычу, переработку и сжигание. В процессе добычи сырая нефть извлекается из разведанного месторождения.

Добыча нефти осуществляется в три этапа. На первом этапе извлекается 10–30% нефти при естественном давлении из природного резервуара, заполненного сложными образованиями из пористых пород. На втором этапе добычи при накачке воды, газа или пара нефть выталкивается на поверхность, что позволяет получить до 35% разведанных запасов. Извлечение остальной части сырой нефти на третьем этапе требует новых технологических приемов. Наиболее перспективные из них связаны с применением поверхностно-активных веществ и полимерных растворителей для извлечения нефтяных фракций из водной среды. Например, а третьем этапе добычи можно извлечь более 50 млрд т нефти, содержащейся в разведанных месторождениях только одной страны – США.

Добытая сырая нефть чаще всего представляет собой маслянистую жидкость, состоящую преимущественно из сложной смеси углеводородов-алканов с линейной структурой и, в основном, с одинарными связями. Кроме алканов нефть содержит разветвленные и циклические углеводороды, а также соединения с одной двойной связью, т.е. алкены, и соединения с бензольными кольцами, относящиеся к ароматическому ряду. Сырая нефть включает компоненты, молекулярная масса которых находится в пределах от значений для природных газов: 14 (метан СН4), 30 (этан С2Н6), 44 (пропан С3H8) и58 (бутан С4Н10) – до значения для парафинового воска С30Н62, равного 422. Процесс переработки нефти начинается с перегонки, при которой различные компоненты нефти разделяются в соответствии с их температурой кипения. Вначале извлекаются наиболее летучие углеводороды, один из них октан С8Н18. По октановому эквиваленту оценивается качество моторного топлива. В процессе переработки удаляются неорганические примеси, включая серу, и в результате каталитического крекинга производится расщепление больших молекул и образуется соединение с более низкой температурой кипения. Для перестройки молекул и формирования их структур с оптимальными характеристиками, в том числе и для повышения октанового числа топлива, применяется каталитический реформинг. Каталитический процесс, таким образом, играет существенную роль при переработке нефти.

Лучшие катализаторы для переработки нефти – дорогостоящие и малораспространенные металлы: платина, палладий, родий и иридий. Например, с помощью катализатора – платины – алканы, приводящие к несинхронному воспламенению топлива в цилиндрах двигателя и вызывающие детонацию, превращаются в углеводороды с лучшими горючими характеристиками и с большим октановым числом. При наличии платинового катализатора и водорода низкооктановый алкан с неразветвленной цепью преобразуется в соединение бензола или циклического алкана с более высоким октановым числом.

Относительно недавно освоены новые каталитические процессы для переработки нефти, которые основаны на применении цеолитовых молекулярных сит (алюмосиликатов), платино-рениевого/платино-иридиевого и платина/палладий/родиевого катализаторов. В настоящее время возрастает, и особенно в будущем будет возрастать, в переработке доля добываемой нефти низкого качества, т.е. нефти с относительно большой концентрацией серы, с более высокомолекулярными компонентами и с различного рода примесями, например, ванадия, никеля и других элементов, затрудняющих процесс катализа. В этой связи технологический цикл переработки нефти необходимо постоянно совершенствовать, чтобы производить высокооктановое топливо, продукты сгорания которого не загрязняли бы окружающую среду. В последние десятилетия при детальном исследовании процесса горения топлива были выявлены азотнокислые и серосодержащие продукты сгорания, приводящие к кислотным осадкам, а также хлоросодержащие и другие соединения, загрязняющие атмосферу. Как выяснилось, горение – сложный химический процесс, зависящий от многих факторов. Повышение эффективности горения – один из лучших способов сбережения природных энергоресурсов и сохранения окружающей среды.

Уголь.Мировые запасы доступного для разработки угля в 20–
40 раз превосходят нефтяные ресурсы. Например, в США угля в 50–100 раз больше, чем нефти. Уголь – наиболее распространенное в природе минеральное топливо, роль которого в ближайшие десятилетия будет расти по мере истощения нефтяных и газовых месторождений. В данной связи будет расти и практическая значимость фундаментальных и прикладных исследований, направленных на разработку эффективных и экологически чистых способов превращения весьма ценного угольного сырья. Экономическая широкомасшабная переработка угля в эффективное топливо позволила бы сохранить для получения из нее многих ценнейших соединений, необходимых химической промышленности. Нефть как источник многих химических продуктов слишком дорога, и использовать ее в качестве топлива нерационально. С развитием химической технологии уголь станет одним из важнейших источников сырьевых продуктов, в том числе и тех, которые уже в настоящее время получают из нефти.

Уголь – твердое горючее, полезное ископаемое растительного происхождения содержит, кроме углерода и водорода, серу и азот, а также некоторое количество минералов и влаги. Соотношение водород : углерод в угле примерно равно 1, что вдвое меньше, чем в бензине, поэтому как топливо менее эффективен. При химическом превращении угля вначале удаляются из него сера и азот, затем отделяются неорганические примеси и, наконец уголь превращается в синтез-газ, представляющий собой смесь моноксида углерода и водорода.

Применение синтез-газа весьма перспективно, но его производство пока экономически невыгодно. Переработка угля может достигать крупных масштабов. Например, во время Второй мировой войны в Германии, лишенной доступа к источникам нефти, в результате переработки угля было получено 585 т углеводородного топлива. Синтез-газ превращался в моторное топливо с помощью кобальтового катализатора.

Биомасса.Биомасса один из потенциальных источников энергии. Из нее в результате жизнедеятельности анаэробных бактерий, называемой анаэробным дыханием, ежегодно в атмосферу выделяется 500–800 млн т метана, что эквивалентно 0,6–1,0 млн т высококачественной нефти. Однако практическое применение анаэробных процессов для производства метана как источника и энергии из биомассы, включающей различные растительные отходы (древесные отходы, побочные сельскохозяйственные продукты, пищевые отходы и т.п.), сдерживается относительно небольшой их скоростью и высокой чувствительностью к кислотности среды. Применение биомассы как источника углеводородного топлива или химического сырья особенно важно, если учесть, что в составе атмосферы наблюдается повышение концентрации углекислого газа, приводящего к парниковому эффекту. Сжигание биомассы не приводит к нарушению баланса углекислого газа в атмосфере: весь углерод биомассы, превращающийся при ее сгорании в углекислый газ, извлекается из воздуха в процессе роста биомассы. Увеличение содержания углекислого газа в атмосфере за последние десятилетия обусловливается сжиганием чрезвычайно большого количества минерального топлива. Возможно, в скором будущем в результате специальных операций генной инженерии удастся выращивать растения, пополняющие продовольственные ресурсы и биомассу. Такие растения будут интенсивно расти при повышенном потреблении углекислого газа из атмосферы, что, естественно, будет удерживать увеличение углекислого газа в атмосфере.

Лесные массивы.Лесные массивы – не только источник громадных природных энергоресурсов, но и один из основных поставщиков кислорода, необходимого для обеспечения жизнедеятельности множества живых организмов. Лесная древесина – превосходный строительный материал и органическое сырье для производства многих ценных продуктов. Однако, к сожалению, лесные массивы часто истребляются пожарами и беспощадно вырубаются. Например, в Бразилии ежегодно вырубается около 15 тыс км2 тропического леса. Во многих странах древесина – один из основных источников тепловой энергии.

Россия – единственная в мире лесопромышленная страна, где занятые под леса площади не уменьшаются, а растут. Причина в том, что за последние годы вырубка леса сократилась у нас почти в пять раз: отдавать древесину даром мы больше не хотим, а покупать ее по мировым ценам прежние потребители не хотят. Речь идет о санкционированной вырубке леса. Несанкционированная вырубка леса особенно в последнее десятилетие из-за экономического кризиса в России существенно возросла. Россия теперь не отгружает бесплатно крепежный лес шахтам Донбасса, шпалы железным дорогам Средней Азии и ценные породы дерева мебельным фабрикам Польши и Венгрии. И если такая тенденция сохранится, то площадь российских лесов, составляющая пока чуть больше 1/5 лесного покрытия планеты, может вырасти к 2010 г. на 1/3. Вполне возможно, что со временем это принесет России колоссальные доходы.

Леса сегодня, как это не удивительно, в огромных количествах переводятся на дрова, причем даже в наиболее цивилизованных странах. Это происходит и в относительно холодной Финляндии, лидирующей в использовании древесины на топливо, и в теплой Франции, где сжигается почти четверть заготовляемой в стране древесины (французы очень любят сидеть у камина!). Но особенно много древесины идет на дрова в бедных странах Азии и Африки, где в сельских районах нередко нет ни газа, ни электричества и дерево – единственный источник тепла для отопления жилища и приготовления пищи. В Бангладеш, например, на топливо используется почти вся добываемая древесина, в результате в ближайшем будущем этой стране грозит настоящая экологическая и энергетическая катастрофа. Весьма тяжелая ситуация складывается и в Индии, где на дрова переводят более 90% добываемой древесины. Ведь там дрова идут не только на приготовление пищи и на отопление, но и на огромные древесные костры (к тому же, как правило, из ценных пород дерева), в которых по традиции кремируют умерших.

В России, несмотря на суровый климат и отнюдь не повсеместный комфорт, на дрова переводится не более 21% всей древесины, поскольку цены на нее растут, особенно на лесоматериалы, и еще больше – на те породы дерева, которые идут на производство мебели.

Однако главная и постоянно увеличивающаяся ценность лесов – это их способность поглощать углекислоту и выделять кислород. Промышленные выбросы углекислоты от заводов, электростанций и автомобилей уже давно не компенсируются фотосинтезом растительности. Накапливаясь в атмосфере, вредные газы не только становятся причинами кислотных осадков и ускоренной коррозии металлов, но и способны вызвать на нашей планете глобальное изменение климата. Грозящее ей потепление чревато заметным поднятием уже в следующем столетии уровня Мирового океана, а следовательно, затоплением миллионов квадратных километров земли и многих десятков городов.

Избежать этой опасности можно разными способами, к примеру, оснащать производства системами, поглощающими углекислоту и вредные газы. Это, однако, очень дорого, тогда как леса очищают воздух бесплатно. Пока бесплатно.

Подсчитано, что один га леса поглощает такое количество вредных газов, на техническую очистку от которого надо затратить около 3 тыс долл. В ООН уже выдвигалась идея о необходимости введения налога на углекислоту с тем, чтобы тратить эти средства на сохранение лесов. Вместе с тем большинство стран предпочло использовать очистительные способности чужих лесов задаром.

Представляет практический интерес весьма оригинальный способ получения электроэнергии при сжигании древесины специально выращенной ивы. В штате Нью-Йорк (США) организована экспериментальная ферма, на которой выращивают гибридную иву, специально выведенную для того, чтобы служить топливом для электростанций. «Энергетическая» ива не похожа ни на одну из естественных разновидностей. Это плотный куст с гибкими ветками, длина которых за год увеличивается почти на три с половиной метра. Хотя кусты рассаживают с промежутками в полтора метра, пройти в лес невозможно, настолько плотно переплетаются их ветви. Большая скорость роста – основная особенность гибрида. За год такой лес произведет в 5–10 раз больше древесины, чем любой природный лес. Собирать урожай прутьев можно каждые три года на протяжении 20 лет. Для сжигания ветки рубят на куски длиной пять сантиметров. Хотя такое топливо обходится не дешевле угля (с учетом того, что на ТЭЦ приходится заменять угольные топки новыми, специально сконструированными), зато газ от ивовых дров гораздо менее токсичен. Он содержит намного меньше оксидов серы и азота. В Западной Европе такие леса уже занимают около 20 тыс га. В США 80 млн га брошенной фермерами земли, на которой возможно развернуть энергетическое лесоводство.

https://studopedia.ru/2_30145_prirodnie-energoresursi.html