С выработкой электроэнергии в генераторе

Г – генератор; ГТ – газовая турбина;

ХТП – химико-технологический процесс

Альтернативные источники энергии. Традиционные источники энергии (пар, горячие теплоносители, электроэнергия) вырабатываются из топливных ресурсов. Перспективными являются легко возобновляемые и более дешевые источники, такие, например, как атомные станции, солнечная энергия, энергия ветра, приливов и др. Однако, их применение специфично, но в ряде случаев может реально привести к уменьшению расхода в производстве более дефицитных топливных ресурсов.

З амена химической схемы получения продукта – переход к процессу с меньшим числом стадий. Это как правило, сокращает число нагревов и охлаждений потоков, затраты на преодоление гидравлического сопротивления. Это видно на примере производства бутадиена-1,3 (дивинила СН₂=СН-СН=СН₂). В сложившейся технологии получения этого мономера превалирует способ двухстадийного дегидрирования бутана:

Реакции дегидрирования на обеих стадиях процесса (получение н-бутена и бутилена) – эндотермические, каталитические – протекают с увеличением объема, при повышенных температурах (550-600ºС) и давлении, близком к атмосферному, или в вакууме. Схема двухстадийного получения бутадиена-1,3 приведена на рисунке 4.9 (а). Этот метод отличается сравнительно высоким выходом целевого мономера (65%), но имеет ряд недостатков: необходимость разделения газовых смесей после каждой ступени, повышенные капитальные вложения и энергетические затраты.

В промышленности реализована альтернативная схема синтеза бутадиена-1,3 одностадийным дегидрированием н-бутана. При одностадийном процессе указанные реакции протекают одновременно на катализаторе, который довольно быстро дезактивируется вследствие покрытия его углекислыми отложениями. Возможна активация (регенерация) катализатора путем выжига отложений. Дегидрирование осуществляют под вакуумом (0,05-0,06 МПа) при температуре 580-600ºС в адиабатических реакторах регенеративного типа, в которых циклы дегидрирования и регенерации катализатора чередуются. Соответственно, дегидрирование проходит последовательно в разных реакторах. Схема процесса показана на рисунке 4.9 (б). Рабочий цикл катализатора – короткий (несколько минут). Теплота, выделяемая при регенерации катализатора, аккумулируется им и используется в цикле дегидрирования. Это экономит тепло, затрачиваемое на выход на рабочий цикл и его поддержание. Условием эффективной работы реакторов подобного типа является сбалансированность теплот реакции и регенерации. В зависимости от мощности производства число циклически работающих реакторов в установке составляет 5–8 аппаратов. Все переключения потоков производятся автоматически, благодаря чему создается непрерывный поток исходных веществ и конечных продуктов. Более короткая технологическая схема и сбалансированность теплот отдельных стадий процесса значительно сокращают затраты тепла и энергии.

Примером создания энергоэкономичных схем может служить новая технология преобразования энергии химического взаимодействия в электрическую энергию в так называемых топливных элементах.

Рисунок 4.9 Поточная схема получения бутадиена – 1,3:

а) двухстадийным дегидрированием н-бутана;

б) одностадийным дегидрированием н-бутана

В топливных элементах осуществляется как бы беспламенное горение особого рода, с пространственным разделением топлива и окислителя и с превращением выделяемой энергии непосредственно в электрический ток. Любая окислительно-восстановительная химическая реакция сопровождается переносом электронов от восстановителя (топлива) к окислителю. В топливном элементе окислитель и топливо (в простейшем случае это газообразные кислород и водород) присоединяют и отдают электроны на поверхности катода и анода. Образующиеся ионы переходят в электролит, разделяющий электроды, и реагируют с образованием воды. На каждый киловатт-час полученной при сжигании кислорода и водорода энергии при 100 %-м КПД выделяется 421 г воды.

КПД такого превращения должен быть гораздо выше, чем при ступенчатом переходе одного вида энергии в другой: тепла сгорания – в механическую энергию пара, а последней – в электрическую. Кроме того, в топливных элементах, как и в других электрохимических ячейках, не действуют ограничения, накладываемые термодинамикой на тепловые машины.

К настоящему времени уже накоплен достаточно большой опыт реализации идеи топливных батарей. В частности, топливные элементы успешно использовались в космической программе «Аполлон» (США) для питания космических аппаратов. Имеется опыт применения топливных элементов на подводных лодках. Создан и прошел опытные испытания автомобиль, работающий на водородвоздушных топливных элементах мощностью 6 кВт параллельно со свинцовыми аккумуляторами.

Многочисленные исследования посвящены использованию углеводородного топлива в топливных элементах, в частности, природного газа. Однако, углеводороды, во-первых, значительно менее активны, чем водород, гидразин или спирты, а во-вторых, электроды покрываются продуктами частичного окисления углеводородов, что мешает их нормальной работе.

Сфера применения топливных элементов может быть расширена и на химическую технологию. Сегодня большой набор многотоннажных продуктов получают при помощи окислительно-восстановительных реакций, сопровождающихся выделением тепла. Примером таких веществ является хлороводород НСl, пентаоксид фосфора P₂O₅, азотная кислота НNO₃. Образующаяся при их получении энергия пропадает. Для топливных элементов эти реагенты были бы бесплатными источниками энергии.

Революционные преобразования в энергетике ожидаются в ближайшие годы за счет реализации концепции так называемой водородной энергетики [26].

Энергетику необходимо перестроить, и для этого нужно выбрать универсальный энергоноситель, в который стало бы выгодно превращать всю или большую часть энергии из других источников – традиционных и альтернативных, возобновляемых и не возобновляемых, крупных и мелких. Этот энергоноситель должен легко и эффективно отдавать свою энергию при получении электричества. Носитель должен быть энергоемким, дешевым и технологичным, удобным в обращении.

Среди претендентов на почетную и ответственную роль такого энергоносителя рассматривались многие химические системы, способные обратимо менять состав, выделяя и поглощая при этом энергию.

Для хранения энергии можно использовать реакцию превращения смеси метана и паров воды в оксид углерода и водород. Эта реакция протекает с поглощением энергии, а смесь газов можно легко передавать по трубам или закачивать в емкости или подземные резервуары для хранения. Обратная реакция протекает на катализаторе и сопровождается выделением тепла, смесь вновь возвращается к исходному состоянию.

Существует множество других систем с обратимыми химическими реакциями, однако лидером среди перспективных энергоносителей по многим показателям оказался водород.

Водород вызвал к себе столь большой интерес специалистов самых различных отраслей знаний, что возникло новое очень широкое направление науки и техники - водородная энергетика. Более того, широкое использование водорода могло бы привести к столь глубокой перестройке, усовершенствованиям в энергетике, на транспорте, в химической и металлургической промышленности, и эти изменения могли бы, как ожидают, затронуть жизнь и быт многих жителей планеты так сильно, что уже появилось понятие «водородная цивилизация».

Следует повторить, что водород – не заменитель первичных источников энергии, а лишь средство, дополняющее их, вторичный источник, энергоноситель.

Развитие концепции водородной энергетики заставило иными глазами взглянуть на существующие и разрабатываемые способы производства энергии. Большие задачи появились у атомной энергетики, особенно у высокотемпературных ядерных реакторов нового поколения. Совершенно по-иному стала выглядеть роль мощных топливных элементов в большой энергетике, поскольку сегодня в них уже достигнуты довольно высокие значения КПД преобразования энергии водорода в электричество. Альтернативные источники энергии, с помощью которых можно получать водород, приобрели дополнительные шансы на ускоренное развитие. По-другому стали оцениваться перспективы химических, металлургических и нефтехимических производств, потребляющих большие количества водорода. На транспорте использованию водорода как топлива стало уделяться значительно больше внимания.

Таким образом, энергетику, в т.ч. в химической промышленности, нужно построить так, чтобы в основе лежал универсальный энергоноситель, в который бы стало выгодно превращать всю или большую часть энергии из других источников – традиционных и альтернативных, возобновляемых или невозобновляемых, крупных и мелких. Этот энергоноситель должен легко и эффективно отдавать свою энергию. Носитель должен быть энергоемким, дешевым и технологичным.