Энергетические ресурсы химического производства

ВОДА В ХИМИЧЕСКОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Водные ресурсы земли включают мировой океан, атмосфер­ную влагу, реки, озера, полярные льды и ледники, грунтовые воды, объем которых составляет 1389 млн. км³.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятиям: сырье, полупродукт, побочный про­
дукт. Приведите примеры из известных производств.

2. Почему рациональное использование сырья имеет особое значение
для химической промышленности? Подтвердите это примерами.

3. Приведите классификацию ресурсов химического сырья.

4. Чем измеряется скорость исчерпания запасов сырья?

5. Перечислите основные направления рационального использова­
ния сырья.

6. Что такое рециркуляция сырья и как она влияет на время исчер­
пания его ресурсов?

7. Из каких основных операций состоит подготовка химического
сырья к переработке?

8. Что является целью обогащения сырья и от чего зависит выбор
метода обогащения?

9. Перечислите количественные показатели процесса обогащения
и дайте им определение.

Глава VI

ДР.

III класс. Производства с расходом УТ менее 1 тонны (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 и др.), 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. Теплоносителем называ­ется 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 работе 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 радиацион-но-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.

6.3. 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* ДО¹³ тонн, нефть 7,4-Ю¹¹ тонн и природ­ный газ 6,3-Ю¹¹ тонн 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. 6.2).

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. Они называются, поэтому, «недобавляющими» тепло источниками энергии.

Рис.6.2. 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.

Различные экономические районы РФ обеспечены топливно-энергетическими ресурсами неравномерно. В табл .6.2 представ­лено производство их в районах страны по данным 1992 года.

Таблица 6.2.Производство топливно-энергетических ресурсов (в % от общего) в РФ

Экономический район РФ	Вид ресурса
Эл. энергия	Газ	Уголь	Нефть
Северный	4,6	0,9	7,4	2,9
Северо-Западный	4,6	-	-	-
Центральный	19,5	-	2,7	-
Волго-Вятский	2,5	-	-	-
Центрально-Черноземный	3,9	-	-	-
Поволжье	11,9	0,9	-	12,4
Северо-Кавказский	5,5	0,8	6,9	1,9
Уральский	16,5	6,1	6,5	12,8
Западно-Сибирский	11,6	90,8	35,8	69,6
Восточно-Сибирский	15,1	-	28,7	-
Дальневосточный	4,3	0,5	12,0	0,4
Российская Федерация

Вторичными энергоресурсами (ВЭР) называется 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:

(6.1)

Л =

— калорийным эквивалентом^, представляющим отноше­ние низшей теплоты сгорания данного топлива к теплоте сгора­ния УТ, принимаемой за 29260 кДж:

29260

— количеством энергии в кВт-ч, получаемой 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. В РФ в настоящее вре­мя действуют 28 энергоблоков на 9 АЭС.

Важнейшими электростанциями в РФ являются: Тепловыемощностью более 2-Ю⁶ кВт — Костромская, Конаковская, Ки-ришская, Березовская. Атомные— Смоленская, Тверская, Кур-

екая, Ново-Воронежская, Костромская, С.-Петербургская, Кольская, Дмитровоградская, Балаковская, Белоярская, Рос­товская, Билибинская. Гидростанции— Волжско-Камский гид­роузел мощностью 14-Ю⁶ кВт, Ангаро-Енисейский каскад со станциями мощностью более 6-10⁶ кВт.

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 во­
дорода дешевле передачи электроэнергии);

— экологической чистотой продуктов сгорания.

По этим причинам предполагается довести к 2000 году долю водорода в энергетическом балансе США до 10—12%, что пре­высит долю нефти и природного газа.

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»):

М + Н₂О = Н₂ + МО - ЛЯ, МО + М = 0,5О₂ + 2М + АН.

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

М + Н₂О = Н₂ + МО - АН,

2МО ^ 2М + О₂ + АЯ.

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.

Щ.

Использование других альтернативных источников энергии ограничивается проблемой «концентрации энергии? (Н.Н. 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

Q --------------- ► М ------------------- ► Е

Тепловая Механическая Электрическая

энергия энергия энергия

к схеме непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую

Q ► Е.

Тепловая энергия Электрическая энергия

Для этой цели используются:

— магнитогидродинамические генераторы (МГД-генерато-
ры), в которых кинетическая энергия низкотемпературной
плазмы за счет торможения в магнитном поле переходит в элек­
трическую энергию постоянного тока;

— топливные элементы (электрохимические генераторы), в
которых осуществляется непосредственное превращение энер­
гии горения реакционноспособных топлив (водород, спирты,
альдегиды и другие активные восстановители) в электрическую
энергию.

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

6.4, 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_n):

(6.2)

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 мероприятий относятся:

— разработка новых энергоэкономных технологических

схем;

— повышение активности катализаторов;

— замена существующих методов разделения продуктов про­
изводства 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 соче­
тание в одном производстве энергетики и технологии позволя­
ет значительно полнее использовать энергию химических про­
цессов, другие энергоресурсы и повысить производительность
энерготехнологических агрегатов.

Ко второй группе энергосберегающих мероприятий относят­ся:

— уменьшение тепловых потерь за счет эффективной теп­
лоизоляции и уменьшения излучающей поверхности аппара­
туры;

— 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 исполь­
зования горючих компонентов ВЭР в качестве топлива;

—тепловое направление в виде использования тепловых ВЭР;

—силовое направление в виде использования ВЭР для выра­
ботки механической или электрической энергии;

—комбинированное направление.

Ниже представлены схемы топливного (рис. 6.3), теплового (рис. 6.4, 6.5, 6.6) и силового (рис. 6.7) направлений использо­вания ВЭР.

РИС 6.5. Использование тепловых ВЭР в схеме с регенераторами

1 — регенераторы, работающие на разогрев камеры, 2 — регенератор, работающий на подогрев газа

Рис.6.6. 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

Рис.6.7. Использование части энергии сжатых систем для выработки электроэнергии в схеме «мотор-насос-турбина» Г _ реактор, 2 — жидкостная турбина, 3 — мотор, 4 — насос, 5 — ось

Рис.6.3. Использование горючих ВЭР в качестве топлива в схеме с газовой турбиной

1 — топочная камера, 2 — газовая турбина, 3 — воздушный компрессор, 4 — парогенератор

Рис.6.4. Использование тепловых ВЭР в схеме с теплообменником 1 — реактор, 2 — теплообменник

Глава 2 Основные понятия и законы энергосбережения

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

В химических производствах протекают разнообразные процессы, связанные с выделением энергии, с ее затратой, со взаим­ными превращениями и переходами энергии одного вида в другой. Энергия затрачивается на осуществление химических превращений, подготовку сырья, выделение продуктов, транспортировку материа­лов, сжатие газа и т.п.

В стоимостном выражении потребление энергии между процесса­ми химического производства распределяется следующим образом: в химических реакторах - 5-40%, в массообменных процессах -30-80%, в теплообменных процессах — 60-90%.

Более половины тепловой энергии на химических предприятиях расходуется на получение таких энергоемких продуктов, как химичес­ких волокон (10,5% от общего объема химической продукции), амми­ака (9,5%), полимеров (8,2%), соды каустической (4,7%), капролакта-ма (3,5%), карбамида (3,5%), метанола (2,5%).

Энергоемкость химического производства- расход энергии на единицу получаемой продукции — один из важнейших показателей эффективности производства. Энергию выражают в различных вели­чинах (кДж, кВт-ч и других), в том числе в условных единицах массы (1 кг твердого топлива или 1 м³ газообразного с теплотой сгорания 29,3 МДж). Энергоемкость некоторых производств, выпускающих различные продукты нефтехимической промышленности, выражен­ная в т условного топлива (т у.т.) на получение тонны продукта — [т у.т./т], приведена ниже:

Этилен и пропилен...................................................... 2,8—3,6

Стирол......................................................................... 6,8

Бутадиен...................................................................... 7,2

Полиэтилен и полипропилен...................................... 3,9

К основным видам энергии, применяемой в тех или иных химиче­ских производствах, относятся: тепловая, электрическая, механичес­кая, световая и энергия других излучений и атомных превращений. Выбор того или иного вида энергии зависит от характера технологиче­ского процесса.

Тепловая энергия применяется:

• для обеспечения теплового режима технологического процесса, на­
пример, для проведения эндотермических превращений;

• для осуществления самых разнообразных тепловых процессов (на­
грев, плавление, сушка, выпарка, дистилляция, тепловая десорбция);

• для получения в паровых и газовых турбинах механической энер­
гии.

В качестве теплоносителей применяют топочные газы, получаемые сжиганием твердого, жидкого или газообразного топлива, водяной пар, горячую воду и другие жидкости (масло, расплавы солей и прочие).

К тепловой энергии относится холод - энергия охлаждающих по­токов. Он вырабатывается при испарении жидкости (в холодильнике) или резком расширении газов (в детандере).

В химических предприятиях тепловую энергию получают непо­средственно в производстве или из посторонних источников.

Электрическая энергия применяется:

• для собственно осуществления химико-технологического процес­
са, например, электрохимического (электролиз растворов и рас­
плавов) или плазмохимического;

• для обеспечения проведения некоторых технологических процес-

3-4162

Глава 2. Химическое производство

2.6. Вода в химическом производстве

сов, например, электротермических (плавление, нагревание, син­тезы при высоких температурах);

• для процессов, связанных с использованием электрических полей
и электростатических явлений (осаждение пыли и туманов, элект­
рокрекинг углеводородов, электромагнитное обогащение руд);

• для получения в электроприводах различных машин и аппаратов
механической энергии.

Электрическая энергия обычно поступает из постороннего источ­ника и частично может вырабатываться в электрогенераторах, уста­новленных на производстве.

Механическая энергия, получаемая из электрической или тепло­вой путем преобразования, применяется в следующих механических устройствах: дробилках, смесителях, мешалках, центрифугах, венти­ляторах, насосах, транспортерах и др.

Световая энергия, преобразуемая в большинстве случаев из элек­трической, за последнее время приобретает все большее значение для реализации фотохимических реакций. Также она расходуется для авто­матического контроля и управления технологическими процессами, в которых происходят фотоэлектрические явления, протекающие с пре­вращением световой энергии в электрическую.

Энергию других видов излучений и атомных превращений ис­пользуют для проведения радиационно-химических превращений и ядерно-химических реакций.

К источникам получения энергии химическим производством отно­сятся:

• топливо, используемое для выработки тепловой энергии во внут­
ренних производственных установках, например топках, горелках,
пароперегревателях;

• теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и другие внешние теплоэнергетичес­
кие установки тепловой и электрической энергии;

• энергетические установки излучения.

Распределение топливно-энергетических ресурсов по источникам получения энергии на каждом химическом производстве индивиду­ально, например на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях на долю органического топлива (природный газ, мазут, горючие отходы) приходится 45%, тепловой энергии — 40% и электри­ческой энергии - 15%.

По исходным компонентам источники энергии делятся на первич­ные и вторичные.

Первичными источниками энергии называют вещества, энергетиче­ский потенциал которых является следствием природных процессов и

не зависит от деятельности человека. К ним относятся: ископаемые горючие и радиоактивные вещества, нагретые до высокой температу­ры термальные воды, солнце, ветер, энергия вод рек, морей, океанов, растительные продукты биологической деятельности (древесина и другие растительные продукты). В химической промышленности ис­пользуется в основном газообразное и жидкое топливо, а также тепло­та, получаемая от ТЭЦ и котельных установок самих предприятий.

По приведенной выше классификации первичные источники энергии можно подразделить на невозобновимые и возобновимые. К' первым относят ископаемые горючие вещества (уголь, нефть, природ­ный газ, сланцы). К остальным — все возможные источники энергии, являющиеся продуктами деятельности солнца и природных явлений и процессов на поверхности земли. В настоящее время в промышленно­сти используют главным образом невозобновимые источники энер­гии, преимущественно газообразное и жидкое топливо.

Вторичными источниками энергии называют несущие энергетичес­кий потенциал вещества, которые являются продуктом деятельности человека, например: отходящие горючие органические вещества, от­работанные горячие теплоносители промышленных производств (газ, вода, пар), нагретые вентиляционные выбросы, горячие и под давле­нием технологические потоки и другие.

Для определения энергетической ценности источники энергии их оценивают по количеству энергии (в киловатт-часах), получаемой при сжигании 1 кг или 1 м³ топлива. Энергетическая ценность некоторых видов топлива приведена ниже:

каменный уголь ................................... 8,0 кВтч/кг,

кокс ......................................................... 7,22 кВт-ч/кг,

торф........................................................... 4,0 кВтч/кг,

коксовый газ........................................... 4,8 кВтч/м³,

природный газ .................................... 10,8 кВт-ч/м³,

уран ........................................................... 22,5-10⁶ кВт-ч/кг.

Целесообразность применения источников энергии определяется не только их энергетической ценностью, но и запасами в природе, ге­ографическим положением, доступностью и некоторыми другими факторами.