Энергетика в химической промышленности

В химической промышленности применяются разнообразные виды энергии: элек­трическая, тепловая, ядерная, химическая, энергия плазмы и света.

Электрическая энергия широко применяется для различных физических операций (дроб­ление, смешение, перекачивание), а также для проведения электрохимических (ЭХ) и электромагнитных (ЭМ) процессов.

Так, например, на производство различных видов продуктов тратится:

Al – 18000 кВт•ч•Т^-1

P – 13000 кВт•ч•Т^-1

NH₃ – 3000 кВт•ч•Т^-1

H₂SO₄ – 100 кВт•ч•Т^-1

NH₄NO₃ – 10 кВт•ч•Т^-1

Электроэнергия вырабатывается на ГЭС, ТЭС, АЭС и МГД-генераторах.

Тепловая энергия применяется для разнообразных фазовых процессов (выпаривание, плавление, сушка и т.д.) и для нагрева реагентов. Тепло вырабатывается при сжигании то­плива при проведении экзотермических реакций или регенерируется.

Атомная (ядерная) энергия применяется для производства электроэнергии, а также раз­личных изотопов, для радиационно-химических процессов.

Химическая энергия применяется в гальванических элементах, превращаясь в электро­энергию и ТЭ.

Энергия плазмы и света используется для проведения химических реакций. Солнце еже­секундно выделяется 2,86•10³³ кВт, на Землю попадает примерно 10²⁶ кДж.

В настоящее время самой дешёвой является гидроэлектроэнергия (срок работы 100–150 лет), но будущее принадлежит ядерной и термоядерной энергии или солнечной энергии.

Остановимся несколько подробно на ядерной энергетике, плазме, топливных эле­ментах и МГД-генераторах.

Ядерную энергию получают в атомных генераторах – устройствах, в которых поддержи­вается управляемая ценная реакция деления.

В соответствии с типом реакции различают реакторы на медленных (<1 эВ), промежуточ­ных (1–1000 эВ) и быстрых нейтронах (>10 кэВ).

Составными частями любого реактора являются:

a) Активная зона, окруженная отражателем.

b) Теплоноситель.

c) Система регулирования.

d) Радиационная биологическая защита.

e) Пульт управления.

При работе реактора происходят следующие процессы:

1) Выделение тепла за счёт реакции деления

2) Выгорание и воспроизводство горючего

3) Отравление активной зоны и защита продуктами деления.

Основная характеристика реактора – мощность.

1МВт соответствует 3•10¹⁶ актов деления в секунду.

Типичная схема реактора следующая:

1. активная зона (заштрихованная область)
2. отражатель с ядерным горючим
3. замедлитель
4. теплоноситель
5. стержень регулирования и запрета

В активной зоне расположены ядерное горючее (U²³⁸ с 3% U²³⁵) и замедлитель – графит. Отражатель – тоже графит, он должен замедлять нейтроны и устойчив к нагреву и γ-излу­чению. Теплоноситель должен обладать большой теплоёмкостью, слабо поглощать ней­троны, слабую химическую активность. Обычно используют воду, а также газы (N₂, CO₂) и жидкие металлы (Na,K) на быстрых нейтронах. Управление протеканием ядерной реак­ции происходит при помощи управляющих стержней, которые изготавливают из Cd или В₄С. Защиту реактора делают из свинца и бетона.

Реактор будет устойчиво работать, если коэффициент разложения нейтронов будет со­ставлять точно 1,0000. Тогда количество энергии, выделяемое в единицу времени, будет неизменным.

При запуске реактора К_эф>1 (~1,007, ρ = ) и реакция быстро развивается. По достиже­нии требуемой мощности вводят управляющие стержни, чтобы К_эф=1,0000. По прошест­вии определённого времени (от трёх месяцев и больше) реактор останавливают и меняют горючее. Для отвода тепла от реактора и превращения его в электрическую энергию при­меняется система двух контуров.

В I контуре циркулирует вода под давлением 100 атм. при 280°С. Эта вода отдаёт тепло II контуру (она является радиоактивной).

Во II контуре циркулирует вода, проходя через парогенератор она превращается в пар с характеристиками р=12,5 атм. и t=255-260°С который и вырабатывает электроэнергию:

²³⁵U + n → ⁹¹Kr + ¹⁴²Ba + 3n

1 кг ²³⁵U эквивалентен 2•10⁶ кг угля. Основным ядерном топливом в реакторах служит ²³⁵U в виде UO₂ либо фторидов. Он получается путём обогащения природного ²³⁸U. При содержании 0,7% ²³⁵U содержание повышается до 3%. Ядерным топливом могут служить ²³⁹Pu и ²³³U.

Атомная энергетика снижает загрязнение окружающей среды, вызываемое сжига­нием угля, однако в процессе их работы накапливается большое количество радиоактив­ных отходов. Поэтому, наряду с защитой реакторов, имеет значение и утилизация отхо­дов.