Химическая промышленность характеризуется тесными связями со всеми отраслями народного хозяйства благодаря широкому ассортименту производимой ею продукции. Эта область производства отличается высокой материалоемкостью. Материальные и энергетические затраты в производстве продукции могут составлять от 2/3 до 4/5 себестоимости конечного продукта.
Развитие химической технологии идет по пути комплексного использования сырья и энергии, применения непрерывных и безотходных процессов с учетом экологической безопасности окружающей среды, применения высоких давлений и температур, достижений автоматизации и кибернетизации.
Особенно много энергии потребляет химическая промышленность. Энергия тратится на осуществление эндотермических процессов, на транспортировку материалов, крошение и измельчение твердых веществ, фильтрование, сжатие газов и т.п. Значительных затрат энергии нуждаются в производстве карбида кальция, фосфора, аммиака, полиэтилена, изопрена, стирола и т.п. Химические производства вместе с нефтехимическими являются энергоёмкими областями индустрии. Выпуская почти 7% промышленной продукции, они потребляют в пределах 13-20% энергии, которая используется всей промышленностью.
Источниками энергии чаще всего являются традиционные невосстановимые природные ресурсы - уголь, нефть, природный газ, торф, сланцы. В последнее время они очень быстро истощаются. Особенно ускоренными темпами уменьшаются запасы нефти и природного газа, а они ограничены и непоправимые. Неудивительно, что это порождает энергетическую проблему.
В течение 80 лет одни основные источники энергии сменялись другими: дерево заменили на уголь, уголь - на нефть, нефть - на газ, углеводородное топливо - на ядерное. К началу 80-х годов в мире около 70% потребности в энергии удволетворялось за счёт нефти и природного газа, 25% - каменного и бурого угля и лишь около 5% - других источников энергии.
В разных странах энергетическую проблему решают по-разному, тем не менее, всюду в её решение значительный вклад делает химия. Так, химики считают, что и в будущем (приблизительно еще лет 25-30) нефть сохранит свою позицию лидера. Но ее взнос в энергоресурсы заметно сократится и будет компенсироваться выросшим использованием угля, газа, водородной энергетики ядерного горючего, энергии Солнца, энергии земных глубин и других видов восстановительной энергии, включая биоэнергетику.
Уже сегодня химики беспокоятся о максимальном и комплексном энерготехнологическом использовании топливных ресурсов - уменьшением потерь теплоты в окружающую среду, вторичным использованием теплоты, максимальным применением местных топливных ресурсов и т.п.
Источники основной электрической энергии
Тепловые электростанции
Работают на органическом топливе – мазут, уголь, торф, газ, сланцы. Размещаются ТЭС, главным образом, в том регионе, где присутствуют природные ресурсы и вблизи крупных нефтеперерабатывающих предприятий.
Гидроэлектростанции
Возводятся в местах, где большие реки перекрываются плотиной, и благодаря энергии падающей воды вращаются турбины электрогенератора. Получение электроэнергии таким методом считается самым экологичным за счет того, что не происходит сжигание различных видов топлива, следовательно, отсутствуют вредные отходы.
Гидроэлектростанция
Атомные электростанции
Для нагрева воды требуется энергия тепла, которая выделяется в результате ядерной реакции. А в остальном она схожа с тепловой электростанцией.
Атомная электростанция
Нетрадиционные источники энергии
К ним относятся ветер, солнце, тепло земных турбин и океанические приливы. В последнее время их все чаще используют как нетрадиционные дополнительные источники энергии. Ученые утверждают, что к 2050 году нетрадиционные энергоисточники станут основными, а обычные потеряют свое значение.
Энергия солнца
Есть несколько способов ее применения. Во время физического метода получения энергии солнца применяются гальванические батареи, способные поглощать и преобразовывать солнечную энергию в электрическую или тепловую. Также используется система зеркал, отражающая солнечные лучи и направляющая их в трубы, заполненные маслом, где концентрируется солнечное тепло.
В некоторых регионах целесообразнее использовать солнечные коллекторы, с помощью которых есть возможность в частичном решении экологической проблемы и использования энергии для бытовых нужд.
Основные достоинства энергии солнца – общедоступность и неисчерпаемость источников, полная безопасность для окружающей среды, основные экологически чистые источники энергии.
Главный недостаток – потребность в больших площадях земли для строительства солнечной электростанции.
Солнечная электростанция
Энергия ветра
Ветряные электростанции способны производить электрическую энергию только в том случае, когда дует сильный ветер. «Основные современные источники энергии» ветра – ветряк, представляющий собой достаточно сложную конструкцию. В нем запрограммированы два режима работы – слабый и сильный ветер, а также есть остановка двигателя, если очень сильный ветер.
Основной недостаток ветряных электростанций (ВЭС) - шум, получаемый во время вращения лопастей пропеллеров. Самыми целесообразными являются небольшие ветряки, предназначенные для обеспечения экологически безопасной и недорогой электроэнергией дачных участок или отдельных ферм.
Ветряная электростанция
Приливные электростанции
Для производства электрической энергии используется энергия прилива. Для того, чтобы построить простейшую приливную электростанцию потребуется бассейн, перекрытое плотиной устье реки или залив. Плотина оснащена гидротурбинами и водопропускными отверстиями.
Вода во время прилива поступает в бассейн и когда происходит сравнение уровней воды в бассейне и в море, водопропускные отверстия закрываются. С приближением отлива водный уровень уменьшается, напор становится достаточной силы, турбины и электрогенераторы начинают свою работу, постепенно вода из бассейна уходит.
Новые источники энергии в виде приливных электростанций имеют некоторые минусы – нарушение нормального обмена пресной и соленой воды; влияние на климат, так в результате их работы меняется энергетический потенциал вод, скорость и площадь перемещения.
Плюсы – экологичность, невысокая себестоимость производимой энергии, сокращение уровня добычи, сжигания и транспортировки органического топлива.
Нетрадиционные геотермальные источники энергии
Для производства энергии используется тепло земных турбин (глубинные горячие источники). Данное тепло можно применять в любом регионе, но расходы смогут окупиться лишь там, где горячие воды максимально приближены к земной коре – местности активной деятельности гейзеров и вулканов.
Основные источники энергии представлены двумя типами – подземный бассейн естественного теплоносителя (гидротермальный, паротермальный или пароводяной источники) и тепло горных горячих пород.
Первый тип представляет собой готовые к применению подземные котлы, из которых пар или воду добывать можно обычными буровыми скважинами. Второй тип дает возможность получения пара или перегретой воды, которые в дальнейшем можно использовать в энергетических целях.
Основной недостаток обоих типов – слабая концентрация геотермических аномалий, когда горячие породы или источники подходят близко к поверхности. Также требуется обратная закачка в подземный горизонт отработанной воды, поскольку термальная вода имеет множество солей токсичных металлов и химических соединений, которые нельзя сбрасывать в поверхностные водные системы.
Достоинства – данные запасы неисчерпаемы. Геотермальная энергия пользуется большой популярностью благодаря активной деятельности вулканов и гейзеров, территория которых занимает 1/10 площади Земли.
Геотермальная электростанция
Новые перспективные источники энергии – биомасса
Биомасса бывает первичной и вторичной. Для получения энергии можно использовать высушенные водоросли, отходы сельского хозяйства, древесину и т. д. Биологический вариант использования энергии – получение из навоза биогаза в результате сбраживания без доступа воздуха.
На сегодняшний день в мире накопилось приличное количество мусора, ухудшающего окружающую среду, мусор оказывает губительное влияние на людей, животных и на все живое. Именно поэтому требуется развитие энергетики, где будет использоваться вторичная биомасса для предотвращения загрязнения окружающей среды.
Согласно подсчетам ученых, населенные пункты могут полностью обеспечивать себя электроэнергией только за счет своего мусора. Более того, отходы практически отсутствуют. Следовательно, будет решаться проблема уничтожения мусора одновременно с обеспечением населения электроэнергией при минимальных расходах.
Преимущества – не повышается концентрация углекислого газа, решается проблема использования мусора, следовательно, улучшается экология.
VI международный конкурс научно-образовательных проектов
«Энергия будущего»
Конкурсная работа
Роль химии в энергетике: подготовка химически обессоленной воды
методом ионного обмена для АЭС
МОУ гимназия №3 им.
, 10 «а» класс
Руководители:
Лаборант химцеха КАЭС
– учитель физики МОУ гимназии №3
Контактные телефоны:
Аннотация
Калининская АЭС является крупнейшим водопотребителем Удомельского района.
В данной работе представлена информация о требованиях, предъявляемых к качеству питьевой и контурной воды. Приведены сравнительные таблицы и гистограммы химических показателей питьевой, озерной и воды II контура. Дается краткое описание об итогах посещения водозаборной станции и химического цеха Калининской АЭС. Также дается краткое описание теории ионного обмена и описание принципиальных схем химводоочистки и блочнаой обессоливающей установки; также дается краткое теоретическое описание принципа очистки воды от радиоактивных загрязнений – спецводоочистки.
Данная работа помогает повысить мотивацию к изучению химии, физики, знакомит с химическими технологиями, применяемыми в энергетике на примере Калининской АЭС.
1.Введение 3
2.Обзор литературы по вопросам подготовки воды методом 4
ионного обмена
2.1.Принцип работы АЭС с реакторами типа ВВЭР-1000 4
2.2.Требования, предъявляемые к воде, используемой для
технологических нужд на АЭС 5
2.3.Химические показатели качества природных и контурных вод. 5
2.4.Теория ионного обмена 6
2.5.Рабочий цикл ионообменной смолы 9
2.6.Особенности применения ионообменных материалов 10
3.Практическое исследование 11
3.1.Посещение водозаборной станции 11
3.2.Посещение Калининской АЭС 13
3.3.Описание принципиальной схемы химводоочистки 15
3.4.Описание принципиальной схемы
блочной обессоленной установки 18
3.5.Теоретическое описание принципа работы
специальной водоочистки 20
4.Заключение 20
5.Список литературы 22
1. Введение
1.1. Цель работы:
ознакомление с технологией подготовки воды для АЭС методом ионного обмена и сравнение качества воды: для технологических нужд АЭС, питьевой и озерной.
1.2. Задачи работы:
1. изучить требования, предъявляемые к воде, используемой для технологических нужд на современной АЭС на примере Калининской АЭС.
2. ознакомиться с теорией метода ионного обмена,
3. посетить водозаборную станцию г. Удомля и ознакомиться с химическим составом питьевой воды и озерной воды.
4. сравнить показатели химического анализа питьевой воды и воды II контура АЭС.
5. посетить химический цех Калининской АЭС и ознакомиться:
¾ с процессом подготовки воды на химической водоочистке;
¾ с процессом очистки воды на блочной обессоливающей установке;
¾ посетить экспресс-лабораторию II контура;
¾ ознакомиться теоретически с работой специальной водоочистки.
6. сделать выводы о значении ионного обмена при подготовке воды.
1.3. Актуальность
Энергетическая стратегия России предусматривает почти удвоенное производство электроэнергии с 2000 до 2020 г. С преимущественным ростом атомной энергетики : относительная доля выработки электроэнергии на АЭС за этот период должна увеличится с 16% до 22 %.
К оборудованию АЭС как ни к какому другому, предъявляются требования безопасности , надежности и экономичности работы.
Одним из важнейших факторов, влияющих на надежную и безопасную работу АЭС, является соблюдение водно-химического режима и поддержание показателей качества воды на уровне установленных норм.
Водно-химический режим АЭС должен быть организован таким образом, чтобы обеспечивалась целостность барьеров (оболочек твэлов, границы контура теплоносителя, герметичных ограждений, локализующих систем безопасности) на пути возможного распространения радиоактивных веществ в окружающую среду. Коррозионное воздействие теплоносителя и других рабочих сред на оборудование и трубопроводы систем АЭС не должно приводить к нарушению пределов и условий её безопасной эксплуатации. Водно-химический режим должен обеспечивать минимальное количество отложений на теплопередающих поверхностях оборудования и трубопроводов, так как это приводит к ухудшению теплопередающих свойств оборудования и, как следствие, сокращению сроков эксплуатации оборудования.
2. Обзор литературы по вопросам подготовки воды методом ионного обмена
2.1. Принцип работы АЭС с реакторами типа ВВЭР-1000
Принцип работы большинства существующих АЭС основан на использовании тепла, выделяющегося при расщеплении ядра 235U под действием нейтронов. В активной зоне реактора под действием нейтронов ядро 235U расщепляется, выделяя энергию и нагревая теплоноситель – воду.
Ядерное топливо отдает тепловую энергию теплоносителю первого контура, которым является вода под высоким давлением (16 МПа), на выходе из реактора, температура воды 3200. Далее осуществляется передача тепловой энергии воде второго контура. Прямого контакта между теплоносителем и водой второго контура нет. Теплоноситель циркулирует по замкнутому контуру: реактор – парогенератор – главный циркуляционный насос – реактор. Таких контуров четыре. В парогенераторе теплоноситель первого контура нагревает воду второго контура до парообразования. Пар поступает на турбину, которая вращается за счет этого пара. Такой пар называется рабочим телом. Турбина непосредственно связана с электрическим генератором, который вырабатывает электрическую энергию. Дальше отработанный пар с низким давлением поступает в конденсатор, где происходит его конденсация, за счет охлаждения озерной водой. Потом дополнительная очистка и возвращение в парогенератор. И так цикл повторяется: испарение, конденсация, испарение.
https://pandia.ru/text/77/500/images/image002_125.gif" width="408" height="336">
рис. 1. Технологическая схема двухконтурной АЭС:
1 – реактор; 2 – турбогенератор; 3 – конденсатор; 4 – питательный насос; 5 – парогенератор; 6 – главный циркуляционный насос.
2.2. Требования, предъявляемые к воде, используемой для технологических нужд на АЭС
С ростом параметров пара и воды усилилось воздействие водно-химических режимов. Это привело к росту удельных тепловых нагрузок поверхностей нагрева. В этих условиях даже незначительные отложения на внутренних поверхностях труб вызывают перегрев и разрушение металла. Высокие параметры пара (давление и температура) увеличивают его растворяющую способность в отношении примесей, содержащихся в питательной воде. В результате этого возрастает интенсивность заноса проточной части турбин, что может привести к снижению экономичности блоков и в некоторых случаях к ограничению их мощности, снижению срока эксплуатации оборудования.
Устранение недостатков водно-химических режимов необходимо не только при нарушениях, создающих аварийную ситуацию, но и при кажущихся незначительных отклонениях от норм. Так, например, из опыта эксплуатации следует, что:
§ отложения солей и продуктов коррозии на лопатках цилиндра высокого давления турбин блоков 300 МВт в количестве 1 кг вызывают увеличение давления в регулирующей ступени турбины на 0,5 – 1 МПа (5 – 10 кгс/см2) и приводят к снижению мощности турбины на 5 – 10 МВт;
§ отложение продуктов коррозии на внутренней и наружной поверхностях труб подогревателя высокого давления в количестве 300 – 500 г/ м2 снижают температуру подогрева питательной воды на 2 – 30 С и ухудшают экономичность блока;
§ отложения в пароводяном тракте блоков увеличивают его гидравлическое сопротивление и потери энергии на прокачивание воды и пара. Рост сопротивления тракта блока 300 МВт на 1 МВт (10 кгс/см2) приводит к перерасходу 3 млн. кВт · ч электроэнергии в год.
Для обеспечения требований, предъявляемых к обеспечению водно-химического режима на АЭС, служат следующие системы:
§ химическая водоочистка;
§ система конденсации и дегазации;
§ блочная обессоливающая установка;
§ установка коррекционной обработки рабочей среды первого и второго контура;
§ деаэраторы;
§ система продувки парогенератора;
§ установка очистки продувочной воды парогенератора (специальная водоочистка);
§ система продувки-подпитки первого контура.
2.3. Химические показатели качества природных и контурных вод
Водный теплоноситель для заполнения энергетических контуров и их подпитки готовится из природных вод на водоподготовительных установках различных типов и содержит обычно те же примеси, которыми характеризуется природная вода, но в существенно меньших (на несколько порядков) концентрациях.
К основным показателям качества воды относят следующие.
Содержание грубодисперсных (взвешенных) веществ , присутствующих в контурных водах – в виде шлама, состоящего из трудно растворимых соединений типа СаСО3, СаSO4, Mg(OH)2, частиц продуктов коррозии конструкционных материалов (Fe3O4, Fe2O3 и др.), содержание которых определяется фильтрованием через бумажный фильтр с подсушиванием при С или косвенным методом по прозрачности воды.
Солесодержание – суммарная концентрация в воде катионов и анионов, подсчитанная по общему ионному составу и выраженная в миллиграммах на килограмм. Для характеристики и контроля вод и конденсатов с малым солесодержанием при отсутствии растворенных газов СО2 и NH3 часто используется показатель удельная электрическая проводимость . Конденсат с солесодержанием около 0,5 мг/кг имеет удельная электрическая проводимость 1мкСм/см.
Жесткость воды общая ЖО - суммарная концентрация кальция (кальциевая жесткость ) и магния (магниевая жесткость ), выраженная в эквивалентных единицах миллиграмм-эквивалент на килограмм или микрограмм-эквивалент на килограмм:
ЖО = ЖСа + ЖMg
Окисляемость воды выражается расходом сильного окислителя (обычно KMnO4), потребного для окисления в стандартных условиях органических примесей воды, и измеряется в миллиграммах на килограмм KMnO4 или O2, эквивалентного расходу перманганата калия.
Показатель концентрации водородных ионов (pH) воды характеризует реакцию воды (кислая, щелочная, нейтральная) и учитывается при всех видах обработки и использования воды.
Удельная электрическая проводимость (χ) определяется подвижностью ионов в растворе, помещенном в электрическое поле; для чистой воды ее величина равна 0,04 мкСм/см, для обессоленных турбинных конденсатов χ = 0,1мкСм/см (микросименс на сантиметр).
2.4. Теория ионного обмена
Подготовка воды для заполнения контуров АЭС и восполнения потерь в них осуществляется за счет обессоленной воды, приготавливаемой методом химического обессоливания в две или три ступени исходной маломинерализованной воды (Азот" href="/text/category/azot/" rel="bookmark">азота N и многих других элементов. Каменный уголь в воде практически нерастворим, но при контакте с кислородом, растворенном в воде, происходит медленное окисление, приводящее к образованию различных окисленных групп. На поверхности угля образуются гидроксильные или карбоксильные группы, прочно связанные с основой угля. Если условно обозначить эту неизменившуюся основу буквой R, то структуру такого материала можно описать формулой ROH или RCOOH в зависимости от того, какая окисленная группа гидроксила ОН или карбоксила СООН образовалась на его поверхности при окислении. Эти группы способны к диссоциации, т. е. в водной среде происходят процессы:
RCOOH = RCOO - + H+.
Если в воде присутствуют катионы, например, кальция, то становятся возможными процессы катионного обмена:
2RCOOH+Ca2+ = (RCOO)2Ca +2 H+.
При этом ионы кальция фиксируются на угле, а в раствор поступает эквивалентное количество ионов водорода. Обмен может совершаться и на другие ионы, например ионы натрия, железа, меди и т. д.
2.4.2. Катиониты и аниониты.
Все материалы, способные к обмену катионов, называются катионитами. Материалы, способные к обмену анионов, называются анионитами. Они имеют иные ионообменные группы, обычно NH2 или NH, которые с водой образуют NH2OH.
Катиониты способны обмениваться с раствором положительно заряженными ионами (катионами). Процесс обмена катионами между катионитом, погруженным в очищаемую воду, и этой водой называется катионированием. Аниониты способны обмениваться с электролитом отрицательно заряженными ионами. Процесс обмена анионами между анионитом и обрабатываемой водой называется анионированием.
На рис. 2 схематично изображена структура зерен ионитов. Практически нерастворимое в воде зерно окружено диссоциированными – положительно заряженными для катионита (рис. 2,а) и отрицательно заряженными для анионита (рис. 2,б). В самом зерне ионита вследствие отделения ионов отрицательный заряд возникает для катионита и положительный для анионита.
рис. 2. Схема структуры зерен ионита.
a ) – катионит; б) – анионит; 1- твердый многоатомный каркас ионита; 2 – связанные с каркасом неподвижные ионы активных групп (потенциалообразующие ионы); 3 – ограниченно подвижные ионы активных групп, способные к обмену (противоионы).
Большинство применяемых в настоящее время ионообменных материалов относится к разряду синтетических смол. Молекулы их состоят из тысяч, а иногда и десятков тысяч связанных между собой атомов. Ионообменные материалы являются своеобразными твердыми электролитами. В зависимости от характера активных групп ионита его подвижные, способные к обмену ионы могут иметь положительный или отрицательный заряд. Когда положительным, подвижным катионом является ион водорода H+, то такой катионит является по существу многовалентной кислотой, так же как анионит с обменным гидроксильным ионом ОН - является многовалентным основанием.
Подвижность способных к обмену ионов ограничивается расстояниями, при которых не теряется взаимность их с неподвижными ионами противоположного заряда на поверхности ионита. Это ограниченное вокруг молекулами ионита пространство, в котором находятся подвижные и способные к обмену ионы, называют ионной атмосферой ионита.
Обменная емкость ионитов зависит от числа активных групп на поверхности зерен ионита. Поверхностью ионита является также поверхность углублений, пор, каналов и пр. Поэтому предпочтительнее иметь иониты с пористой структурой. Зернистость отечественных и зарубежных ионитов характеризуется фракциями в пределах от 0,3 до 1,5 мм при среднем диаметре зерен 0,5-0,7 мм и коэффициенте неоднородности около 2,0-2,5.
Существуют иониты, в которых подвергаются диссоциации практически все содержащиеся в их составе функциональные группы или только незначительный процент их, в их соответствии с чем различают катиониты сильнокислотные - способны к поглощению катионов (натрий Na+, магний Mg2+ и др.); и слабокислотные – способны к поглощению катионов жесткости (магний Mg2+ , кальций Ca2+). Аналогично деление на две группы анионитов: сильноосновные – способны к поглощению как сильных, так и слабых кислот (например, угольной , кремниевой и др.). и слабоосновные - способны к поглощению преимущественно анионитов сильных кислот (, и др.).
2.5. Рабочий цикл ионообменной смолы
Слой ионита (ионообменная смола) по ходу движений обрабатываемой воды в процессе ионного обмена можно разделить на три зоны.
Первая зона – это зона истощенного ионита, так как все находящиеся в ней противоионы использованы для обмена на ионы обрабатываемой воды. В этой зоне продолжается селективный обмен между ионами самой обрабатываемой воды, т. е. наиболее подвижные ионы, содержащиеся в воде, вытесняют из ионита менее подвижные (рис. 3).
Вторую зону называют зоной полезного обмена. Здесь начинается и заканчивается полезный обмен противоионов ионита на ионы обрабатываемой воды. В этой зоне частота обмена ионов обрабатываемой воды на противоионы ионита преобладает над частотой обратного обмена ионов обрабатываемой воды и поглощенных ионитом ионов.
Третья зона – это зона неработавшего, или свежего, ионита. Проходящая через этот слой ионита вода содержит только противоионы ионита и поэтому не изменяет ни своего состава, ни состава ионита.
По мере работы фильтра первая зона – зона истощенного ионита – возрастает, заставляя работающую зону 2 опускаться за счет уменьшения зоны свежего ионита 3, и, наконец, выходит за нижнюю границу загрузки фильтра. Здесь высота третьей зоны равна нулю. В фильтрате появляется и начинает возрастать концентрация наименее сорбируемых ионов, и полезная работа ионитного фильтра заканчивается.
Технология процесса регенерации.
Процесс регенерации ионообменных фильтров состоит из трех главных операций:
Взрыхления слоя ионита (взрыхляющая отмывка);
Пропуска через него рабочего раствора реагента с заданной скоростью;
Отмывки ионита от продуктов регенерации.
Взрыхляющая отмывка.
При эксплуатации фильтров всегда происходит образование продуктов постепенного разрушения и измельчения ионитов, которые необходимо периодически удалять. Это достигается с помощью взрыхляющих отмывок, данная операция обязательна перед каждой регенерацией.
Очень важно соблюдать условия проведения отмывок, которые должны обеспечить более полное удаление из фильтра мелких пылевидных частей ионообменных материалов. Кроме того, взрыхляющая отмывка устраняет уплотнение материала, затрудняющее контакт регенерационного раствора с зернами ионита.
Взрыхление проводится потоком воды снизу вверх со скоростью, обеспечивающей приведение всей массы ионообменного материала во взвешенное состояние. Когда вода на выходе из фильтра становится прозрачной, взрыхление прекращают.
Пропуск регенерационного раствора.
Регенерация и отмывка ионита от продуктов регенерации обычно проводятся с одной и той же скоростью. Пропуск реагентов при этом возможен как по ходу обрабатываемой воды – прямотоком, так и в противоположном движению обрабатываемой воды направлении – противотоком, в зависимости от принятой технологии.
При пропуске регенерационных растворов происходит обратная замена ионов, поглощенных ионитом, на ионы регенерационного раствора (содержащие Н+ или ОН - ион). Иониты при этом переводятся в свою первоначальную ионную форму.
Регенерация бывает двух типов: внутренней и выносной. Выносная регенерация используется в фильтрах смешанного действия на блочной обессоливающей установке, чтобы избежать попадания регенерационных вод во второй контур.
Отмывка остатков продуктов регенерации.
Последняя операция регенерационного цикла – отмывка – имеет целью удалить из него остатки продуктов регенерации.
Отмывка фильтрующего слоя прекращают при достижении определенных показателей качества отмывочной воды. Фильтр готов к эксплуатации.
Данные процессы позволяют использовать ионит многократно.
2.6. Особенности применения ионообменных материалов на АЭС
Удаление из воды радионуклидов способом ионного обмена основано на том, что многие радионуклиды находятся в воде в виде ионов или коллоидов, которые при соприкосновении с ионитом также поглощаются фильтрующим материалом, но поглощение носит физический характер. Объемная емкость смол по отношению к коллоидам намного ниже, чем к ионам.
На полноту поглощения радионуклидов ионитами оказывает влияние содержание в воде большого количества неактивных элементов, являющихся химическими аналогами радионуклидов.
В условиях ионизирующих излучений используются только особо чистые иониты в водородной и гидроксильной форме (сильноосновные аниониты и сильнокислотные катиониты). Это обусловлено недостаточной стойкостью ионообменных материалов к действию ионизирующих излучений и более жесткими требованиями к водному режиму первого контура АЭС.
3. Практическое исследование
3.1. Посещение водозаборной станции
В 1980 году была введена в эксплуатацию первая очередь водозаборной станции города Удомля. Основной задачей, которой является добыча и подготовка воды для потребительских нужд. Вода из артезианских скважин насосами подается на очистку, которая включает в себя: аэрацию и фильтрование. Затем воду хлорируют и подают потребителям.
14 декабря 2007 года состоялась экскурсия на водозаборную станцию с целью ознакомления с процессами: подготовки воды, определения основных показателей качества питьевой и озерной воды.
Определение рН растворов на рН-метре на водозаборной станции.
Подготовка проб для определения железа на фотоколориметре КФК-3.
https://pandia.ru/text/77/500/images/image018_6.jpg" width="275" height="214 src=">
Определение хлоридов методом обратного титрования.
Определение солей жесткости.
Полученные в ходе совместных исследований с сотрудниками водозабора данные приведены в таблицах.
Таблица 1. Сравнение показателей качества озерной (на примере озера Кубыча) и питьевой воды.
Показатель | Единица измерения | Озерная вода | Питьевая вода | |
оз. Кубыча |
||||
Цветность | ||||
Мутность | ||||
Жесткость | ||||
Минерализация | ||||
ПДК* - предельно-допустимая концентрация - регламентируется ГОСТом качества воды.
Гистограмма 1. Показатель рН озера Кубыча, питьевой воды и предельно-допустимая концентрация.
https://pandia.ru/text/77/500/images/image024_26.gif" width="336" height="167 src=">
Гистограмма 3. Содержание солей жесткости в озере Кубыча, питьевой воде и предельно-допустимая концентрация.
25 декабря" href="/text/category/25_dekabrya/" rel="bookmark">25 декабря 2007 года состоялась экскурсия на Калининскую атомную станцию с целью ознакомления с работой подразделений химического цеха. В ходе экскурсии посетили химводоочистку и ознакомились с технологией производства химически обессоленной воды. При посещении машинного зала познакомились с технологией очистки основного конденсата второго контура, с работой экспресс-лаборатории второго контура и получили данные о качестве воды второго контура.
Интересно сравнить некоторые химические показатели качества воды второго контура Калининской АЭС и питьевой воды получаемой на водозаборе.
Таблица 2.Сравнительные характеристики питьевой воды и воды II контура АЭС.
* - данные не указываются, так как концентрация жесткости меньше чувствительности метода определения данного показателя.
Вывод: 1. Как следует из Таблицы 2 предельно-допустимая концентрация питьевой воды и контрольные значения воды второго контура имеют существенные отличия. Это вызвано более высокими требованиями, предъявляемыми к воде, используемой для технологических нужд, необходимыми для безопасной и надежной эксплуатации оборудования.
2. Питьевая вода, получаемая на водозаборе, имеет высокое качество, химические показатели значительно ниже предельно-допустимой концентрации примесей, содержащихся в питьевой воде.
3. Вода второго контура соответствует контрольным значениям. Это достигается очисткой воды методом ионного обмена при ее подготовке и доочисткой конденсата на блочных обессоливающих установках.
Гистограмма 4. Содержание хлоридов в питьевой воде и воде второго контура Калининской АЭС.
https://pandia.ru/text/77/500/images/image027_24.gif" width="362" height="205 src=">
Высокие требования к содержанию солей жесткости в воде второго контура вызваны тем, что на стенках теплообменных аппаратов появляются накипеобразующие отложения солей. Это приводит: к ухудшению теплообмена, уменьшению гидравлического сопротивления, снижению сроков эксплуатации оборудования.
Гистограмма 6. Содержание железа в питьевой воде и воде второго контура.
Системы охлаждения" href="/text/category/sistemi_ohlazhdeniya/" rel="bookmark">системы охлаждения обмоток статора генератора, емкостей электролизной, спецпрачечной. Производительность химической водоочистки по обессоленной воде = 150м3.
Описание основной технологической схемы обессоливающей части химической водоочистки.
Осветленная вода после механического фильтра предочистки поступает на цепочку Н-катионитных фильтров. В Н-катионитном фильтре 1-й ступени, загруженным слабокислотным катионитом, происходит очистка воды от ионов жестокости (Сa2+ и Mg2+). В Н-катионитном фильтре 2-й ступени, загруженным сильнокислотным катионитом, происходит доочистка воды от оставшихся после 1-й ступени ионов жесткости и ионов Na+.
Н-катионитная вода после 2-й ступени собирается в баки частичнообессоленой воды катионитного фильтра.
Из бака частично обессоленной воды насосами вода направляется на цепочку ОН-анионитовых фильтров. В ОН-анионитовом фильтре 1-й ступени, загруженным низкоосновным анионитом, происходит очистка воды от анионов сильных кислот (https://pandia.ru/text/77/500/images/image010_45.gif" width="37" height="24 src=">). В ОН-анионитовом фильтре 2-й ступени, загруженным высокоосновным анионитом, происходит доочистка воды от оставшихся после 1-й ступени анионов сильных кислот и анионов слабых кислот (; ).
ОН-анионированная вода после анионитного фильтра 2-й ступени собирается в баке собственных нужд.
Обессоленная вода из бака собственных нужд насосом направляется на 3-ю ступень обессоливания – фильтр смешанного действия. Фильтр смешанного действия загружен смесью сильнокислотного катионита и сильноосновного анионита в соотношении 1:1. На 3-й ступени обессоливания происходит доочистка обессоленной воды от катионов и анионов до концентраций, требуемых стандартом предприятия СТП-ЭО. На общем трубопроводе химически обессоленная вода после фильтра смешанного действия установлены 2 параллельно включенные ловушки фильтрующих материалов (1 – в работе; 1 – в резерве на случай ремонта первой) химически обессоленной воды из бака собственных нужд и после фильтра смешанного действия выдается потребителям: на подпитку 2-го контура в машзал; на подпитку 1-го контура в спецкорпус; в схему предочистки химводоочистки, на склад химреагентов, на спецпрачечную, на электролизную, на пуско-резервную котельную, в баки запаса химически обессоленной воды (V=3000 м3).
Для повышения надежности работы химводоочистки и создания запаса химобессоленной воды в схему обессоливающей части химводоочистки включены баки запаса химобессоленной воды (объемом 3000 м3 каждый).
Для предотвращения коррозии металлических трубопроводов в концентрированных и разбавленных растворах кислоты обвязка узла концентрированной кислоты и трасса подачи регенерационного раствора кислоты от смесителя до Н-катионитных фильтров выполнен из трубопроводов, футерованных фторопластом.
Ввод в действие" href="/text/category/vvod_v_dejstvie/" rel="bookmark">введен в действие в августе 2007 года, срок эксплуатации около 20 лет, радиус распространения стоков около 3 км.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что введение в эксплуатацию полигона глубинного захоронения исключает возможность сброса промышленных нерадиоактивных стоков в окружающую среду.
3.4. Описание принципиальной схемы блочной обессоливающей установки (конденсатоочистки)
Очистка конденсата на блочной обессоливающей установке осуществляется в две ступени:
Первая ступень – очистка от нерастворенных продуктов коррозии конструкционных материалов на электромагнитных фильтрах, загруженных стальными мягкомагнитными шариками;
Вторая ступень – очистка от растворенных ионных примесей и коллоидно-дисперсных веществ на ионитных фильтрах смешанного действия.
Конденсат турбины подается конденсатными насосами первой ступени на электромагнитный фильтр, где очищается от механических примесей, главным образом, нерастворенных продуктов коррозии конструкционных материалов.
После электромагнитного фильтра конденсат поступает во всасывающий коллектор конденсатных насосов второй ступени (при отключенной ионитной части блочной обессоливающей установке), либо направляется на фильтре смешанного действия для очистки от растворенных и коллоидно-дисперсных примесей.
Удаление задержанных на шариковой загрузке ферромагнитных и немагнитных оксидов железа производится путем промывки электромагнитного фильтра обессоленной водой снизу – вверх при снятом напряжении на катушках и размагниченном состоянии шариков.
При неудовлетворительном качестве конденсата за работающим фильтром смешанного действия фильтр выводится на регенерацию, в работу включается резервный фильтр смешанного действия.
Выведенная на регенерацию смешанная смола перегружается в фильтр – регенератор, где гидравлически делится на катионит и анионит. Для перевода катионита и анионита в рабочую форму производится их регенерация.
Рис.5. Схема блочной обессоливающей установки.
ЭМФ – электромагнитный фильтр; ФСД – фильтр смешанного действия; ЛФМ – ловушка фильтрующих материалов.
Все регенеративные воды подаются на баки радиационного контроля и после радиационного контроля при непревышении установленных уровней откачиваются в баки-нейтрализаторы химводоочистки.
После каждого фильтра смешанного действия установлены фильтры – ловушки ионитов.
При посещении Калининской АЭС были получены следующие данные о работе блочной обессоливающей установке:
Через электромагнитные фильтры пропускают 100% конденсата, через фильтр смешанного действия возможно пропускать как 100% воды, так и часть ее. Так при одном работающем фильтре смешанного действия (очистка 20% конденсата) удельная электрическая проводимость уменьшилась: χ=0,23 мкСм/см – до блочной обессоливающей установке и χ=0,21 мкСм/см – после блочной обессоливающей установки.
3.5. Теоретическое описание принципа работы специальной водоочистки
Ионообменные фильтры первого контура, как правило, работают непрерывно, причем на них ответвляется примерно 0,2 – 0,5% основного расхода воды в контуре.
Очистка воды первого контура производится на установке спецводоочистки, состоящей из фильтра смешанного действия. Она служит как для удаления продуктов коррозии из реакторной воды, так и для регулирования физико-химического состава воды (поддерживаются нормируемые показатели). Установка спецводоочистки улучшает радиационную обстановку, снижая радиоактивность теплоносителя на один-два порядка.
Циркуляционная вода первого контура подается на установку спецводоочистки с главного циркуляционного насоса и возвращается после очистки в контур.
В смешанном слое для обработки радиоактивных вод иониты используются при соотношении катионита и анионита, равном 1:1 или 1:2.
Однородная смесь ионитов (шихта) позволяет удалять из контурной воды загрязнения, случайно поступающие при некачественной отмывке от реагентов фильтров установок, связанных с подпиткой контура, а также от продуктов разложения ионообменных материалов под действием ионизирующего излучения и высокой температуры.
При истощении иониты установок спецводоочистки регенерируются: катионит – азотной кислотой (при этом он переводится в Н-форму), анионит – едким натром или едким кали (переводится снова в ОН-форму).
Заключение
Изучив материалы по технологии производства энергии на АЭС с реакторами типа ВВЭР – 1000, пришли к выводу, что одним из важнейших факторов надежной работы АЭС является качественно подготовленная вода. Это достигается путем применения различных физико-химических методов очистки воды, а именно за счет использования предварительной очистки – осветления и глубокого обессоливания методом ионного обмена.
Особенное впечатление произвело посещение водозаборной станции, а именно выполнение химических анализов с помощью приборов и оборудования, которые не используются в школе. Это повысило доверие к качеству питьевой воды, подаваемой водозаборной станцией на нужды города. Но большее впечатление произвели параметры качества воды, используемой на Калининской АЭС. Большой интерес вызвали технологические процессы подготовки воды в химическом цехе, с которыми ознакомились во время посещения Калининской АЭС.
Подготовка воды методом ионного обмена позволяет достигать требуемых значений, необходимых для безопасной, надежной и экономичной работы оборудования. Однако это достаточно дорогостоящий процесс: себестоимость 1м3 химически обессоленной воды составляет 20,4 руб., а себестоимость 1м3 питьевой воды – 6,19 руб. (данные 2007 г.).
В связи с этим возникает необходимость более экономичного использования химически обессоленной воды, для чего применяют замкнутые циклы циркулирования воды. Для поддержания необходимых параметров воды (удаления поступающих примесей), служит конденсатоочистка (на втором контуре) и спецводоочистка (на первом контуре). Наличие замкнутых циклов предотвращает сброс воды первого и второго контура в окружающую среду, а для промышленных стоков существует система нейтрализации и утилизации, что снижает техногенную нагрузку.
Несмотря на то, что материал, изложенный в проекте, выходит за рамки школьной программы, знакомство с ним мотивирует старшеклассников более глубоко изучать химию, а также сделать осознанный выбор будущей профессии, связанной с атомной энергетикой.
Список литературы.
1. , Сенина -технологические режимы АЭС с ВВЭР: Учебное пособие для вузов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2006. – 390 с.: ил.
2. , Мартынова режим атомных электростанций . – М.: Атомиздат, 1976. – 400 с.
3. , Мазо воды ионитами. – М.: Химия, 1980. – 256 с.: ил.
4. , Кострикин водоподготовки. – М.: Энергоиздат, 1981. – 304 с.: ил.
5. , Жгулев энергетических блоков. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 256 с.: ил.
6. , Чурбанова качества воды: Учебник для техникумов. – М.: Стройиздат, 1977. – 135 с.: ил.
В настоящее время трудно переоценить развитие различных отраслей химической промышленности, как и достижений химической науки. Химизация народного хозяйства неотъемлема от технического прогресса, тесно связана с ним. В мире выходит более 7000 научных журналов, публикующих новые научные материалы по химии. В среднем за год выходит более 100000 статей. Совершенствование химических производств, выпускающих самую разнообразную продукцию, обусловило ускоренное развитие химической промышленности за последние 30-40 лет. За последние 70 лет созданы новые отрасли промышленности: в частности синтетического каучука, химических волокон и пластмасс, минеральных удобрений, средств защиты растений, витаминов, антибиотиков и др. Многие полимеры и резина широко применяются при изготовлении различных деталей машин. Нефть, уголь, природный газ, вода, древесина и др. являются важнейшими источниками сырья для химической промышленности.
Химизация народного хозяйства является одним из направлений технического прогресса, способствует интенсификации и ускоренному развитию промышленности и сельского хозяйства. Нет ни одной отрасли промышленности, где бы не использовались продукты переработки нефти и природного газа. Производственные мощности нефтехимических и химических производств выросли во много раз. Кроме того, появилось много новых технологических процессов, предназначенных для крупнотоннажных производств, а бурный рост полимеров явился стимулом ускоренного развития нефтехимии, которая наряду с энергетикой, металлургией и машиностроением обеспечивает технический прогресс многих отраслей промышленности.
Особенностью химической промышленности является производство большого ассортимента разнообразной продукции. Только путем переработки бензола можно получить гексахлоран, хлорбензол, бензолсульфохлорид, нитробензол, фенол и др. Современная химия отличается разнообразием путей синтеза. На одну технологическую схему приходится от 20 до 80 теоретических схем. При этом ведется постоянное совершенствование всех существующих схем технологических процессов. Одновременно ведется постоянная разработка технологических методов, обеспечивающих защиту окружающей среды от загрязнения промышленными химическими выбросами. Большую роль в этом играет создание и внедрение безотходно технологии получения сырья, полупродуктов и готовой продукции. Сохранение чистоты окружающей среды -- большая социальная проблема, связанная с сохранением здоровья людей. В то же время она сочетается с важной экономической задачей -- утилизацией и возвращением в производство ценных продуктов, сырья, материалов и воды. Необходимо создать такие процессы, оборудование, технологические схемы, которые бы исключили загрязнение окружающей среды. Изменение технологии должно идти по пути уменьшения количества выбросов и отходов, сокращения затрат на очистку газов и воды, циркулирующих в производственных системах, быть предприятиями комплексного использования сырья, работающими без отходов. Для создания безотходного промышленного производства в масштабе всей страны необходимы научно-технические основы планирования и проектирования региональных территориально-промышленных комплексов, в которых отходы одних предприятий могли бы служить сырьем для других. Внедрение таких комплексов требует перестройки связей между предприятиями, и отраслями народного хозяйства, больших затрат. На базе имеющихся научных и реализованных на практике разработок уже сегодня возможно создание региональных производственно-хозяйственных систем с высоким уровнем замкнутости при использовании материальных ресурсов.
Химические процессы могут быть легко автоматизированы и оптимизированы. Поэтому в ближайшем будущем автоматизированные системы управления технологическими процессами, компьютеры для постановки экспериментов, автоматизация и рационализация информационного поиска станут обычным явлением.
Химические процессы требуют меньше затрат, чем другие процессы, и отличаются высокой производительностью. Не осуществляются сейчас в производственных условиях синтезы химических веществе использованием магнитных полей высоких напряжений. Эти синтезы, как и электросинтезы, требуют еще изучения. Уже сегодня проводят испытания некоторых реакций восстановления, окисления углеводородов, получения металлоорганических соединений с участием металла электрода, анодного фторирования, получения диметилсебацината пропиленоксида для производств; пластмасс и искусственных волокон, электрохимического инициирования полимеризации и др.
Последние из перечисленных процессов представляют большой интерес для возможной защиты металлов от коррозии, так как полимерные соединения можно наносить на поверхность металлов.
Исключительно большая роль принадлежит химии в создании синтетических пищевых продуктов. Некоторые из них уже сегодня можно получить в лабораторных условиях. Раскрытие тайн химической формы движения материи будет способствовать развитию химической промышленности.
Важнейшей стороной проблемы взаимодействия энергетики и окружающей среды в новых условиях является все более возрастающее обратное влияние -- определяющая роль условий окружающей среды в решении практических задач энергетики (выбор типа энергетических установок, дислокации предприятий, выбор единичных мощностей энергетического оборудования и др.).
Таким образом, на современном этапе проблема взаимодействия энергетики и окружающей среды является весьма многосторонней, находится на острие научно-технической мысли и требует особого внимания. Большое число разнородных исследований по определению отдельных воздействий энергетических объектов на реки, на чистоту воздуха в городах, на растительность и т. п. выполняется гидрологами, климатологами, географами, геологами, биологами и др. Хотя значительное число исследований отдельных вопросов не могло дать общей характеристики состояния проблемы, накопление объема материалов способствовало подготовке качественно нового этапа подхода к ее рассмотрению.
Современная энергетика состоит из крупных объединений, обладающих высокой концентрацией производства энергии, централизацией ее распределения, широкими возможностями взаимозаменяемости энергетических ресурсов и развитыми внутренними и внешними связями. Эти черты придают энергетике признаки больших систем, для изучения которых на современном уровне знаний продуктивно используется системный анализ. Развитие энергетики оказывает воздействие на различные компоненты природной среды: на атмосферу (потребление кислорода, выбросы газов, паров и твердых частиц), на гидросферу (потребление воды, переброска стоков, создание новых водохранилищ, сбросы загрязненных и нагретых вод, жидких отходов) и на литосферу (потребление ископаемых топлив, изменение водного баланса, изменение ландшафта, выбросы на поверхности и в недра твердых, жидких и газообразных токсичных веществ). В настоящее время это воздействие приобретает глобальный характер, затрагивая все структурные компоненты нашей планеты. Многообразие структур, свойств и явлений, существующее как единое целое с развитыми внутренними и внешними связями, позволяет характеризовать окружающую среду как сложную большую систему. С точки зрения человека основной целью этой большой системы является обеспечение равновесного, или близкого к нему, функционирования.
Очевидно, что задачи развития энергетики и сохранения равновесного естественного функционирования природной среды заключают объективное противоречие. Взаимодействие энергетики с окружающей средой происходит на всех стадиях иерархии топливно-энергетического комплекса: добычи, переработки, транспортировки, преобразования и использования энергии. Это взаимодействие обусловлено как способами добычи, переработки и транспортировки ресурсов, связанных с воздействием на структуру и ландшафт литосферы, потреблением и загрязнением вод морей, рек, озер, изменением баланса грунтовых вод, выделением теплоты, твердых, жидких и газообразных веществ во все среды, так и использованием электрической и тепловой энергии от общих сетей и автономных источников. Современный этап проблемы взаимодействия энергетики с окружающей средой следует рассматривать как результат сложного исторического развития этих взаимодействующих больших систем. При этом имеют место принципиальные различия в их развитии: коренные изменения в природной среде происходят в геологической шкале времени, а изменения масштабов развития энергетики -- в исторически краткие отрезки времени.
Вся история развития цивилизации - поиск источников энергии. Это весьма актуально и сегодня. Ведь энергия - это возможность дальнейшего развития индустрии, получение устойчивых урожаев, благоустройство городов и оказание помощи природе в залечивании ран, нанесённых ей цивилизацией. Поэтому решение энергетической проблемы требует глобальных усилий. Свой немалый вклад делает химия как связующее звено между современным естествознанием и современной техникой.
Обеспеченность энергией является важнейшим условием социально-экономического развития любой страны, ее промышленности, транспорта, сельского хозяйства, сфер культуры и быта.
Но в ближайшие десятилетие энергетики ещё не сбросят со счетов ни дерево, ни уголь, ни нефть, ни газ. И в то же время они должны усиленно разрабатывать новые способы производства энергии.
Химическая промышленность характеризуется тесными связями со всеми отраслями народного хозяйства благодаря широкому ассортименту производимой ею продукции. Эта область производства отличается высокой материалоемкостью. Материальные и энергетические затраты в производстве продукции могут составлять от 2/3 до 4/5 себестоимости конечного продукта.
Развитие химической технологии идет по пути комплексного использования сырья и энергии, применения непрерывных и безотходных процессов с учетом экологической безопасности окружающей среды, применения высоких давлений и температур, достижений автоматизации и кибернетизации.
Особенно много энергии потребляет химическая промышленность. Энергия тратится на осуществление эндотермических процессов, на транспортировку материалов, крошение и измельчение твердых веществ, фильтрование, сжатие газов и т.п.. Значительных затрат энергии нуждаются в производстве карбида кальция, фосфора, аммиака, полиэтилена, изопрена, стирола и т.п.. Химические производства вместе с нефтехимическими являются энергоёмкими областями индустрии. Выпуская почти 7 % промышленной продукции, они потребляют в пределах 13-20% энергии, которая используется всей промышленностью.
Источниками энергии чаще всего являются традиционные невосстановимые природные ресурсы - уголь, нефть, природный газ, торф, сланцы. В последнее время они очень быстро истощаются. Особенно ускоренными темпами уменьшаются запасы нефти и природного газа, а они ограничены и непоправимые. Неудивительно, что это порождает энергетическую проблему.
В течение 80 лет одни основные источники энергии сменялись другими: дерево заменили на уголь, уголь - на нефть, нефть - на газ, углеводородное топливо - на ядерное. К началу 80-х годов в мире около 70% потребности в энергии удовлетворялось за счёт нефти и природного газа, 25% - каменного и бурого угля и лишь около 5% - других источников энергии.
В разных странах энергетическую проблему решают по-разному, тем не менее, всюду в её решение значительный вклад делает химия. Так, химики считают, что и в будущем (приблизительно еще лет 25-30) нефть сохранит свою позицию лидера. Но ее взнос в энергоресурсы заметно сократится и будет компенсироваться выросшим использованием угля, газа, водородной энергетики ядерного горючего, энергии Солнца, энергии земных глубин и других видов восстановительной энергии, включая биоэнергетику.
Уже сегодня химики беспокоятся о максимальном и комплексном энерготехнологическом использовании топливных ресурсов - уменьшением потерь теплоты в окружающую среду, вторичным использованием теплоты, максимальным применением местных топливных ресурсов и т.п..
Поскольку среди видов горючего наиболее дефицитным является жидкое, во многих странах выделены крупные средства для создания рентабельной технологии переработки угля в жидкое (а также газообразное) топливо. В этой области сотрудничают учёные России и Германии. Суть современного процесса переработки угля в синтез-газ заключается в следующем. В плазменный генератор подаётся смесь водяного пара и кислорода, которая разогревается до 3000оС. А затем в раскалённый газовый факел поступает угольная пыль, и в результате химической реакции образуется смесь оксида углерода (II) и водорода, т.е. синтез-газ. Из него получают метанол: CO+2H2СH3OH. Метанол может заменить бензин в двигателях внутреннего сгорания. В плане решения экологической проблемы он выгодно отличается от нефти, газа, угля, но, к сожалению, теплота его скорания в 2 раза ниже, чем у бензина, и, кроме того, он агрессивен по отношению к некоторым металлам, пластическим массам.
Разработаны химические методы изъятия вяжущей нефти (содержит высокомолекулярные углеводороды), значительная часть которой остается в подземных амбарах. Для увеличения выхода нефти в воду, которую закачивают в пласты, прибавляют поверхностно-активные вещества, их молекулы размещаются на границе нефть-вода, которая увеличивает подвижность нефти.
Будущее пополнение топливных ресурсов объединяют с рациональной переработкой угля. Например, измельченный уголь смешивается с нефтью, на добытую пасту действуют водородом под давлением. При этом образовывается смесь углеводородов. На добывание 1 т искусственного бензина тратится около 1 т угля и 1500 м водорода. Пока что искусственный бензин дороже добытого из нефти, тем не менее, важна принципиальная возможность его добывания.
Очень перспективной видится водородная энергетика, которая основывается на сжигании водорода, во время которого вредные выбросы не возникают. Тем не менее, для ее развития нужно решить ряд задач, связанных со снижением себестоимости водорода, созданием надежных средств его хранения и транспортировки и т.п.. Если эти задачи будут разрешимы, водород будет широко использоваться в авиации, водном и наземном транспорте, промышленном и сельскохозяйственном производствах.
Неисчерпаемые возможности содержит ядерная энергетика, ее развитие для производства электроэнергии и теплоты дает возможность высвободить значительное количество органического топлива. Здесь перед химиками стоит задача создать комплексные технологические системы покрытия энергетических затрат, которые происходят во время осуществления эндотермических реакций, с помощью ядерной энергии. Сейчас ядерная энергетика развивается по пути широкого внедрения реакторов на быстрых нейтронах. В таких реакторах используется уран, обогащённый изотопом 235U (не менее чем на 20%), а замедлителя нейтронов не требуется.
В настоящее время ядерная энергетика и реакторостроение - это мощная индустрия с большим объёмом капиталовложений. Для многих стран она важная статья экспорта. Для реакторов и вспомогательного оборудования требуются особые материалы, в том числе высокой частоты. Задача химиков, металлургов и других специалистов - создание таких материалов. Над обогащением урана тоже работают химики и представители других смежных профессий.
Сейчас перед атомной энергетикой стоит задача вытеснить органическое топливо не только из сферы производства электроэнергии, но так же из теплоснабжения и в какой-то мере из металлургической и химической промышленности путём создания реакторов энерготехнологического значения.
АЭС в перспективе найдут ещё одно применение - для производства водорода. Часть полученного водорода будут потребляться химической промышленностью, другая часть послужит для питания газотурбинных установок, включаемых при пиковых нагрузках.
Большие надежды возлагаются на использование солнечной радиации (гелиоэнергетика). В Крыму действуют солнечные батареи, фотогальванические элементы которых превращают солнечный свет в электричество. Для опреснения воды и отопления жилья широко используются солнечные термоустановки, которые превращают солнечную энергию в теплоту. Солнечные батареи уже давно применяются в навигационных сооружениях и на космических кораблях. В отличие от ядерной, стоимость энергии, которую добывают с помощью солнечных батарей, постоянно снижается.
Для изготовления солнечных батарей главным полупроводниковым материалом является силиций и соединения силиция. Ныне химики работают над разработкой новых материалов-преобразователей энергии. Это могут быть разные системы солей как накопители энергии. Дальнейшие успехи гелиоэнергетики зависят от тех материалов, которые предложат химики для преобразования энергии.
В новом тысячелетии прирост производства электроэнергии будет происходить за счет развития солнечной энергетики, а также метанового брожения бытовых отходов и других нетрадиционных источников добывания энергии.
Наряду с гигантскими электростанциями существуют и автономные химические источники тока, преобразующие энергию химических реакций непосредственно в электрическую. В решении этого вопроса химии принадлежит главная роль. В 1780 г. итальянский врач Л. Гальвани, наблюдая сокращение отрезанной лапки лягушки после прикосновения к ней проволочками из разных металлов, решил, что в мышцах имеется электричество, и назвал его " животным электричеством". А. Вольта, продолжая опыт своего соотечественника, предположил, что источником электричества является не тело животного: электрический ток возникает от соприкосновения разных металлических проволочек. "Предком" современных гальванических элементов можно считать "электрический столб", созданный А. Вольтой в 1800 г. Это изобретение похоже на слоёный пирог из нескольких пар металлических пластин: одна пластина из цинка, вторая - из меди, уложенные друг на друга, а между ними помещена войлочная прокладка, пропитанная разбавленной серной кислотой. До изобретения в Германии В. Сименсом в 1867г. динамо-машины гальванические элементы были единственным источником электрического тока. В наши дни, когда автономные источники энергии понадобились авиации, подводному флоту, ракетной технике, электронике, внимание учёных снова обращено к ним.
Энергетика – основа развития цивилизации, производства, поэтому и в химической промышленности ей отведена ключевая роль. С помощью электричества работают силовые аппараты в индустрии, быту, сельском хозяйстве.
Оно используется в ряде промышленных объектов химической отрасли, принимает участие в определенных технологических процессах (электролиз). Во многом именно благодаря энергетике задается вектор развития научно-технического прогресса.
Считается, что электроэнергетика – один из сегментов «авангардной тройки». Что это значит? То, что этот комплекс ставится в один ряд с информатизацией и автоматизацией. Энергетика развивается во всех странах мира. При этом одни делают упор на строительство атомных электростанций, другие – ТЭС, а третьи вовсе полагают, что нетрадиционные источники электроэнергии придут на замену старым.
Роль энергетики в химическом секторе промышленности
В химической индустрии все процессы проводятся с выделением, затратой или превращением энергии из одного вида в другой. При этом электроэнергия затрачивается не только на проведение химических реакций, процессов, но и на транспортировку, измельчение, сжатие газообразных веществ. Поэтому все предприятия химического сегмента относятся к числу основных потребителей электроэнергии. В отрасли существует понятие энергоемкости. Им обозначается расход электричества на единицу получаемой продукции. Все предприятия имеют различную энергоемкость производственных процессов. При этом каждый завод использует свой вид энергии.
- Электрическая . Применяется во время проведения электрохимических и электромагнитных технологических процессов. Довольно широко используется электроэнергия для превращения ее в механическую: измельчение, дробление, синтез, нагревание. Электрическая энергия служит для работы вентиляторов, компрессоров, холодильных машин, насосного оснащения. Основными источниками электричества для индустрии считаются АЭС, ТЭС, ГЭС.
- Тепловая энергетика в химической промышленности . Тепловая энергия применяется для осуществления физической работы на производстве. С ее помощью можно проводить нагревание, сушку, плавление, испарение.
- Внутриядерная . Она выделяется в процессе синтеза ядер водорода в ядра гелия.
- Энергия химической природы . Применяется в гальванических элементах, аккумуляторах. В этих приборах она превращается в электрическую.
- Световая энергия . Сфера ее применения – фотохимические реакции, синтез хлористого водорода.
Одними из самых динамично развивающихся секторов энергетики считаются нефтяная и газовая индустрии. Добыча ресурсов занимает свою нишу в мировом производстве, ей отведена ключевая роль в развитии всей цивилизации. Нефть и газ – основа, без которой химическая промышленность не будет нормально функционировать.
Энергетике в химической промышленности уделяется много внимания. Без нее было бы невозможно осуществить большинство химических процессов в современной индустрии.
Чего стоит ожидать от проекта «Химия-2016»
На экспозиции в большом объеме будут представлены инновационные разработки, технологические процессы, методики химического сегмента. Одной из тем выставки станет энергетика и ее влияние на развитие химической промышленности.
На мероприятии ожидается большое количество участников со всего мира. При этом пришедшие на экспозицию смогут не только ознакомиться с продукцией ведущих производителей, но и заключить взаимовыгодные контракты, подписать соглашения о сотрудничестве, освежить взаимоотношения между уже существующими партнерами по бизнесу. Отечественные и зарубежные представители химической отрасли с радостью посещают мероприятие, ведь «Химия» – проект, который освещает все сегменты соответствующего производства.
