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 универ­
сальными являются плазмохимические процессы, то есть хи­
мические превращения, протекающие в плазме. Плазмой на­
зывается частично или полностью ионизированный газ, в кото­
ром содержатся молекулы, атомы, ионы и электроны:
А₂ т± 2А, А *± А⁺ + ё.

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 (кар­
биды 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 плаз-
мохимического воздействия (озон, дифторид криптона, оксид
серы (II), оксид кремния (I)).

Рис. 6.8. Плазменный реактор / — плазмотрон, 2 — реак­тор, 3 — закалочное устройство, 4 — узел улавливания

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, двуокиси титана и др. Для проведения плаз-мохимических процессов использу­ются плазменные реакторы различ­ной конструкции. На рис. 6.8. 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.

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 + ЗН₂ + АН где: АН = 376 кДж, константа скорости равна:

-79000

RT

К_с=10¹²е

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

AG = 96,8 -0,0647 Г.

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 м³ имеет производительность 25000 т ацетилена в год. По энерго­емкости плазмохимический метод (14,0 кВт-ч/кг) сопоставим с карбидным методом (15,5 кВт-ч/кг), но уступает методам элек­трокрекинга и термоокислительного пиролиза.

Контрольные вопросы

1. Какие виды энергии и с какой целью используются в химической
промышленности?

2. Что такое энергоемкость химического производства и на какие
классы она делится? Приведите примеры.

3. Перечислите основные источники энергии и классифицируйте их.

4. Чем характеризуется энергетическая ценность химического топ­
лива?

5. На чем основано использование водорода в энергетике?

6. В чем особенности и преимущества использования новых видов
энергии в химическом производстве?

7. Перечислите основные пути рационального использования энер­
гии в химической промышленности.

8. Что такое вторичные энергетические ресурсы (ВЭР)? Приведите
пример.

9. Для каких целей используются в химической промышленности
плазмохимические процессы?

Часто для сравнения различных видов топлива пользуются такими понятиями как, условное топливо, нефтяной эквивалент и некоторые другие, которые позволяют сравнивать топлива, различающиеся по теплотворной способности. Условное топливо - это топливо с теплотворной способностью 7000 ккал/кг. Основная идея курса - рассмотреть ресурсосбережение углеводородного сырья через его энергосбережение.