Химическая энергия. Значение химии в решении энергетической проблемы - реферат Химия и энергетика

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.

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.

Обеспеченность энергией является важнейшим условием социально-экономического развития любой страны, ее промышленности, транспорта, сельского хозяйства, сфер культуры и быта.

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.

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.

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.

Доклад на тему:

«Значение химии

в решении энергетической проблемы . »

Ученицы 11 «А» класса

средней школы №1077

Сергеевой Таисии.

Министерство образования Республики Беларусь

Министерство образования Российской Федерации

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Технологии металлов»

Энергетика химических процессов.

ХИМИЧЕСКОЕ СРОДСТВО

Методические указания для самостоятельной работы студентов и проведения практических занятий по химии

Могилев 2003

УДК 54 Составили: д-р. техн. наук, проф. Ловшенко Ф.Г.,

канд. техн. наук, доц. Ловшенко Г.Ф.

Энергетика химических процессов. Химическое сродство. Методические указания для самостоятельной работы студентов и проведения практических занятий по химии.- Могилев: Белорусско-Российский университет, 2003.- 28 с.

В методических указаниях приведены основные положения термодинамики. Представлены примеры решения типовых задач. Приведены условия заданий для самостоятельной работы.

Одобрено кафедрой «Технологии металлов» Белорусско-Российского университета (протокол заседания № 1 от « 1 » сентября 2003 г.).

Рецензент ст. преп. Пацей В.Ф.

Ответственный за выпуск Ловшенко Г.Ф.

ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ. ХИМИЧЕСКОЕ СРОДСТВО

Подписано в печать Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная

Усл. печ. л. Уч. из. Л. Тираж 215экз. Заказ № _______

Издатель и полиграфическое исполнение:

Государственное учреждение высшего профессионального образования

«Белорусско-Российский университет»

Лицензия ЛВ №

212005, Г. Могилев, пр. Мира, 43

Республики

Энергетика химических процессов

Химическая термодинамика изучает переходы химической энергии в другие формы - тепловую, электрическую и т. п., устанавливает количественные законы этих переходов, а также направление и пределы самопроизвольного протекания химических реакций при заданных условиях.

Объектом изучения в термодинамике является система.

Системой называется совокупность находящихся во взаимо действии веществ, мысленно (или фактически) обособленная от окружающей среды.

Фаза – это часть системы, однородная во всех точках по составу и свойствам и отделенная от других частей системы поверхностью раздела .

Различают гомогенные и гетерогенные системы. Гомогенные системы состоят из одной фазы, гетерогенные - из двух или нескольких фаз.

Одна и та же система может находиться в различных состояниях. Каждое состояние системы характеризуется определенным набором значений термодинамических параметров. К термодинамическим параметрам относятся температура, давление, плот ность, концентрация и т. п . Изменение хотя бы только одного термодинамического параметра приводит к изменению состояния системы в целом. Термодинамическое состояние системы назы вают равновесным , если оно характеризуется постоянством тер модинамических параметров во всех точках системы и не изменя ется самопроизвольно (без затраты работы). В химической термодинамике свойства системы рассматриваются в ее равновесных состояниях.

В зависимости от условий перехода системы из одного состояния в другое в термодинамике различают изотермические, изобарические, изохорические и адиабатические процессы. Первые – протекают при постоянной температуре (Т = const), вторые – при постоянном давлении (p = const), третьи – при постоянном объеме (V = const), четвертые – в условиях отсутствия обмена теплотой между системой и окружающей средой (q = 0).

Химические реакции часто протекают в изобарно-изотермических условиях (p = const, Т = const). Такие условия соблюдаются, когда взаимодействия между веществами осуществляются в открытых сосудах без нагревания или при более высокой, но постоянной температуре.

Внутренняя энергия системы.

При переходе системы из одного состояния в другое изменяются некоторые ее свойства, в частности внутренняя энергия U .

Внутренняя энергия системы представляет со бой ее полную энергию, которая складывается из кинетической и потенциальной энергий молекул, атомов, атомных ядер, элект ронов и др . Внутренняя энергия включает в себя энергию поступательного, вращательного и колебательного движений, а также потенциальную энергию, обусловленную силами притяжения и отталкивания, действующими между молекулами, атомами и внутриатомными частицами. Она не включает потенциальную энергию положения системы в пространстве и кинетическую энергию движения системы как целого.

Абсолютная внутренняя энергия системы не может быть определена, однако можно измерить ее изменение  U при переходе из одного состояния в другое. Величина  U считается положительной ( U >0), если в каком-либо процессе внутренняя энергия системы возрастает.

Внутренняя энергия является термодинамической функ цией состояния системы . Это значит, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, ее внутренняя энергия принимает определенное, присущее этому состоянию значение. Следовательно, изменение внутренней энергии не зависит от пути и способа перехода системы из одного состояния в другое и определяется разностью значений внутренней энергии системы в этих двух состояниях:

U = U 2 – U 1 , (1)

где U 1 и U 2 – внутренняя энергия системы в конечном и начальном состояниях соответственно.

В любом процессе соблюдается закон сохранения энергии , выражаемый равенством

q =  U + A, (2)

которое означает, что теплота q , подведенная к системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии  U и на совершение системой работы А над внешней средой. Уравнение (2) – математическое выражение первого закона термодинамики .

Из первого закона термодинамики следует, что приращение внутренней энергии системы  U в любом процессе равно количеству сообщенной системе теплоты q за вычетом количества совершенной системой работы А; поскольку величины q и А поддаются непосредственному измерению, с помощью уравнения (2) всегда можно рассчитать значение  U .

В первом законе термодинамики под работой А подразумевают сумму всех видов работы против сил, действующих на систему со стороны внешней среды . В эту сумму могут входить и работа против сил внешнего электрического поля, и работа против сил гравитационного поля, и работа расширения против сил внешнего давления, и другие виды работ.

В связи с тем, что для химических взаимодействий наиболее характерна работа расширения, ее обычно выделяют из общей суммы:

А = А’ + р  V , (р = const ), (3)

где А’ – все виды работы, кроме работы расширения;

р - внешнее давление;

V – изменение объема системы, равное разности V 2 – V 1 (V 2 – объем продуктов реакции, a V 1 – объем исходных веществ).

Если при протекании того или иного процесса работа расширения является единственным видом работы, уравнение (3) принимает вид

А = р  V , (4)

Тогда математическое выражение первого закона термодинамики (2) запишется так:

q p =  U + р  V , (5)

где q p – теплота, подведенная к системе при постоянном давлении.

С учетом того, что  U = U 2 – U 1 и  V = V 2 – V 1 , уравнение (5), можно преобразовать, сгруппировав величины U и V по индексам, относящимся к конечному и начальному состояниям системы:

q p = (U 2 -U t ) + p(V 2 -V t ) = (U 2 +pV 2 ) - (U 1 +pV 1 ). (6)

Сумму (U + pV ) называют энтальпией (теплосодержанием) системы и обозначают буквой H :

H=U + pV. (7)

Подставив энтальпию Н в уравнение (6), получим

q p = Н 2 – Н 1 =  Н, (8)

т. е. теплота, подведенная к системе при постоянном давлении, расходуется на приращение энтальпии системы.

Так же как и для внутренней энергии, абсолютное значение энтальпии системы определить экспериментально невозможно, но можно, измерив величину q p , найти изменение энтальпии  Н при переходе системы из одного состояния в другое. Величину  Н считают положительной ( Н >0), если энтальпия системы возрастает. Поскольку значение  Н определяется разностью (Н 2 – Н 1 ) и не зависит от пути и способа проведения процесса, энтальпию, как и внутреннюю энергию, относят к термодинамическим функциям состояния системы .

Тепловые эффекты химических реакций.

Алгебраическую сум му поглощенной при реакции теплоты и совершенной работы за вычетом работы против сил внешнего давления (р  V ) назы вают тепловым эффектом химической реакции .

Термохимические законы. Независимость теплоты химической реакции от пути процесса при p = const и Т = const была установлена в первой половине XIX в. русским ученым Г.И.Гессом: тепловой эффект химической реакции не зависит от пути ее про текания, а зависит лишь от природы и физического состояния исходных веществ и продуктов реакции (закон Гесса ).

Раздел химической термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических реакций, называется термохимией . В термохимии используется упрощенное представление о тепловом эффекте химической реакции, отвечающее условиям его независимости от пути процесса. Это теплота q T , подведенная к системе в процессе реакции (или выделившаяся в результате реакции) при постоянной температуре.

Если теплота подводится к системе (q T > 0), реакцию называют эндотермической, если же теплота выделяется в окружающую среду (q T < 0), реакцию называют экзотермической.

Термохимия, прежде всего, изучает изобарно-изотермические реакции, в результате которых совершается только работа расширения  V . Тепловой эффект таких реакций q p , T равен изменению энтальпии системы  H .

Уравнения химических реакций, в которых указаны их тепло вые эффекты, называются термохимическими уравнениями . Поскольку от агрегатных состояний веществ зависит состояние системы в целом, в термохимических уравнениях с помощью буквенных индексов (к), (ж), (р) или (г) обозначаются состояния веществ (кристаллическое, жидкое, растворенное и газообразное). Также указывается аллотропная модификация вещества, если существуют несколько таких модификаций. Если агрегатное состояние вещества или его модификация при заданных условиях очевидны, буквенные индексы могут опускаться. Так, например, при атмосферном давлении и комнатной температуре водород и кислород газообразны (это очевидно), а образующийся при их взаимодействии продукт реакции Н 2 О может быть жидким и газообразным (водяной пар). Поэтому в термохимическом уравнении реакции должно быть указано агрегатное состояние Н 2 О:

Н 2 + ½О 2 = Н 2 О (ж) или Н 2 + ½О 2 = Н 2 О (г) .

В настоящее время принято указывать тепловой эффект реакции в виде изменения энтальпии  H , равного теплоте изобарно-изотермического процесса q p , T . Часто изменение энтальпии записывается как  H или  H. Верхний индекс 0 означает стандартную величину теплового эффекта реакции, а нижний – температуру, при которой идет взаимодействие. Ниже приведены примеры термохимических уравнений нескольких реакций:

2С 6 Н 6(ж) + 15О 2 = 12СО 2 + 6Н 2 О (ж) ,  H = -6535,4 кДж, (а)

2С (графит) + Н 2 = С 2 Н 2 ,  H = 226,7 кДж, (б)

N 2 + 3H 2 = 2NH 3(г) ,  H = -92,4 кДж. (в)

В реакциях (а) и (в) энтальпия системы уменьшается ( H <0). Эти реакции экзотермические. В реакции (б) энтальпия увеличивается ( H >0); реакция эндотермическая. Во всех трех примерах величина  H относится к тому числу молей веществ, которое определено уравнением реакции. Чтобы тепловой эффект реакции был выражен в кило Джоулях на моль (кДж/моль) одного из исходных веществ или продуктов реакции, в термохимических уравнениях допускаются дробные коэффициенты:

С 6 Н 6(ж) + 7О 2 = 6СО 2 + 3Н 2 О (ж) ,  H = -3267,7 кДж,

N 2 + =NH 3 (г),  H = -46,2 кДж.

Энтальпия образования химических соединений.

Энтальпией (теплотой) образования химического соединения  Н Т называется изменение энтальпии в процессе получения одного моля этого соедине ния из простых веществ, устойчивых при данной температуре .

Стандартной энтальпией (теплотой) обра зования химического соединения  Н, обр называют изменение энтальпии в процессе образования одного моля этого соединения, находящегося в стандартном состоянии (Т = 298 К и  = 101,3 кПа), из простых веществ, также находящихся в стандартных состояниях и термодинамически устойчивых при данной температуре фазах и модификациях (таблица А.1).

Стандартные энтальпии образования простых веществ прини маются равными нулю , если их агрегатные состояния и модифи кации устойчивы при стандартных условиях . Так, например, нулю равны стандартная теплота образования жидкого брома (а не газообразного) и графита (а не алмаза).

Стандартная энтальпия образования соединения – мера его термодинамической устойчивости, прочности, количественное выраже ние энергетических свойств соеди нения.

Термохимические расчеты. В основе большинства термохимических расчетов лежит следствие из закона Гесса : тепловой эф фект химической реакции равен сумме теплот (энтальпий) обра зования продуктов реакции за вычетом суммы теплот (энталь пий) образования исходных веществ с учетом их стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции.

Н х.р. =   Н обр. (прод. р-ции) -   Н обр (исх. в-в.) (9)

Уравнение (9) позволяет определять как тепловой эффект реакции по известным энтальпиям образования веществ, участвующих в реакции, так и одну из энтальпий образования, если известны тепловой эффект реакции и все остальные энтальпии образования.

Тепловой эффект химической реакции является энергетическим эффектом процесса, протекающего при постоянной температуре. Пользуясь справочными данными, которые относятся к 298 К, можно рассчитать тепловые эффекты реакций, протекающих при этой температуре. Однако при выполнении термохимических расчетов, допуская обычно незначительную ошибку, можно пользоваться стандартными значениями теплот образования даже тогда, когда условия протекания процесса отличаются от стандартных.

Тепловые эффекты фазовых превращений. Фазовые превращения часто сопутствуют химическим реакциям. Однако тепловые эффекты фазовых превращений, как правило, меньше тепловых эффектов химических реакций. Ниже приведены примеры термохимических уравнений некоторых фазовых превращений:

Н 2 О (ж)  Н 2 О (г) ,  H = 44,0 кДж/моль,

Н 2 О (к)  Н 2 О (ж) ,  H = 6,0 кДж/моль,

I 2(к)  I 2(г) ,  H = 62,24 кДж/моль.

Исходя из выше приведенных данных можно отметить, что фазовый переход из более в менее конденсированное состояние ведет к повышению энтальпии системы (тепло поглощается – процесс эндотермический).

Т
Ж
Г

Переход вещества из аморфного состояния в кристаллическое всегда сопровождается выделением теплоты ( H <0) – процесс экзотермический:

Sb (аморф)  Sb (к) ,  H = -10,62 кДж/моль,

В 2 О 3(аморф.)  В 2 О 3(к) ,  H = -25,08 кДж/моль.

Самопроизвольные и несамопроизвольные процессы. Многие процессы осуществляются самопроизвольно, т. е. без затраты работы извне. В результате их может быть получена работа против внешних сил, пропорциональная происшедшему изменению энергии системы. Так, самопроизвольно вода стекает по наклонному желобу или теплота передается от более нагретого тела к менее нагретому. В ходе самопроизвольного процесса система теряет способность производить полезную работу.

Самопроизвольный процесс не может протекать в обратном направлении так же самопроизвольно, как в прямом . Так, вода не может сама по себе перетекать вверх по наклонному желобу, а теплота не может сама по себе переходить от холодного тела к горячему. Чтобы перекачать воду наверх или передать теплоту от холодной части системы к горячей, необходимо совершить работу над системой. К процессам, обратным по отношению к самопроизвольным, применяется термин «несамопроизвольные ».

При изучении химических взаимодействий очень важно оценить возможность или невозможность их самопроизвольного протекания при заданных условиях, выяснить химическое срод ство веществ . Должен быть критерий, с помощью которого можно было бы установить принципиальную осуществимость, направление и пределы самопроизвольного течения реакции при тех или иных температурах и давлениях. Первый закон термодинамики такого критерия не дает. Тепловой эффект реакции не определяет направления процесса: самопроизвольно могут протекать как экзотермические, так и эндотермические реакции.

Критерий самопроизвольного протекания процесса в изолиро ванных системах дает второй закон термодинамики . Прежде чем перейти к рассмотрению этого закона, введем представление о термодинамической функции состояния системы, называемой энтропией .

Энтропия. Для характеристики состояния некоторого количества вещества, являющегося совокупностью очень большого числа молекул, можно или указать температуру, давление и другие термодинамические параметры состояния системы, или указать мгновенные координаты каждой молекулы (x i , y i , z i ) и скорости перемещения по всем трем направлениям (v xi , v yi , v zi ). В первом случае охарактеризовывается макросостояние системы, во втором – микросостояние. Каждому макросостоянию отвечает огромное число микросостояний. Число микросостояний, с помощью которых осуществляется данное макросостояние, называют тер модинамической вероятностью состояния системы и обозначают W .

Термодинамическая вероятность состояния системы, состоящей всего из 10 молекул газа, примерно 1000, а ведь только в 1 см 3 газа содержится 2,710 19 молекул (н. у.). Чтобы перейти к более удобным для восприятия и расчетов числам, в термодинамике используют не величину W , а ее логарифм lnW . Последнему можно придать размерность (Дж/К), умножив на константу Больцмана k :

klnW = S . (10)

Величину S называют энтропией системы.

Энтропия – термодинамическая функция состояния системы и ее величина зависит от количества рассматриваемого вещества. Поэтому целесообразно относить величину энтропии к одному молю вещества (Дж/(мольК)) и выражать как

RlnW = S . (11)

где R = kN A – молярная газовая постоянная;

N A – постоянная Авогадро.

Из уравнения (11) следует, что энтропия системы увеличивается пропорционально логарифму термодинамической вероятности состояния W . Это соотношение лежит в основе современной статистической термодинамики.

При р = const энтропия является функцией температуры Т, причем температура замерзания и температура кипения – это те точки, в которых энтропия изменяется особенно резко, скачкообразно.

Итак, энтропия S является мерой неупорядоченности системы . «Носителями» энтропии являются газы. Если при реакции увеличивается число молей газообразных веществ, то увеличивается и энтропия . Т.е. не производя расчетов можно при необходимости определить знак изменения энтропии системы:

C (к) + О 2(г) = СО 2(г) , S  0;

2C (к) + О 2(г) = 2СО (г) , S > 0;

N 2(г) + 3H 2(г) = 2NH 3(г) , S < 0.

В таблице А.1 приведены значения S некоторых веществ (обратите внимание на то, что известны абсолютные значения энтропии веществ, в то время как абсолютные значения функции U и H не известны).

Т.к. энтропия есть функция состояния системы, то изменение энтропии ( S ) при химической реакции равно сумме энтропий продуктов реакции за вычетом суммы энтропий исходных веществ с учетом их стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции.

S х.р. =  S обр. (прод. р-ции) -  S обр (исх. в-в.) (12)

Направление и предел протекания процессов в изолированных системах. Второй закон термодинамики. Изолированные системы не обмениваются с внешней средой ни теплотой, ни работой. На основании уравнения (9) можно утверждать, что при q = 0 и A = 0 величина  U тоже равна нулю, т. е. внутренняя энергия изолированной системы постоянна (U = const); постоянен и ее объем (V = const). В изолированных системах само произвольно идут только те процессы, которые сопровождаются ростом энтропии системы:  S >0 ; при этом пределом самопроизвольного течения процесса является достижение максимальной для данных условий энтропии S max .

Рассмотренное положение представляет одну из формулировок второго закона термодинамики (закон имеет статистический характер, т. е. применим лишь к системам, состоящим из очень большого числа частиц). Требование постоянства внутренней энергии и объема системы исключает использование энтропии как критерия направления и предела протекания химических реакций, при которых внутренняя энергия веществ неизбежно меняется, а также совершается работа расширения против внешнего давления.

Энтропийный и энтальпийный факторы химических реакций, протекающих в изобарно-изотермических условиях. Движущей силой процесса, протекающего в изобарно-изотермических условиях, может быть или стремление системы перейти в состояние с наименьшей энергией, т. е. выделить теплоту в окружающую среду, уменьшить энтальпию ( H <0), или стремление системы перейти в состояние с наибольшей термодинамической вероятностью, т. е. увеличить энтропию ( S >0). Если процесс протекает так, что  H =0 , то рост энтропии становится его единственной движущей силой. И, наоборот, при условии  S = 0 единственной движущей силой процесса является убыль энтальпии. В связи с этим можно говорить об энтальпийном  H и энтропийном T  S факторах процесса.

Максимальная работа. Голландский физико-химик Вант-Гофф предложил новую теорию химического сродства, которая, не объясняя природы химического сродства, ограничивается указанием способа его измерения, т. е. дает количественную оценку химическому сродству.

Вант-Гофф использует в качестве меры химического сродства максимальную работу Аили Адля реакций, протекающих при V , T = const или р, Т = const соответственно.

Максимальная работа равна энергии, которую нужно приложить к системе, чтобы остановить реакцию, т. е. преодолеть, силы химического сродства. Поскольку реакция протекает в направлении совершения положительной максимальной работы, знак Аили Аопределяет направление самопроизвольного течения химического взаимодействия.

Максимальная работа при постоянном объеме равна

А= -  U + T  S (13)

А= -(U 2 – U 1 ) + T(S 2 – S 1 ) = -[(U 2 – TS 2 ) – (U 1 – TS 1 )] (14)

где U 1 , S 1 и U 2 , S 2 – величина внутренней энергии и энтропии системы в исходном и конечном состояниях соответственно.

Разность (U - TS ) называют энергией Гельмгольца системы и обозначают буквой F . Таким образом,

А= -  F . (15)

Энергетика химической промышленности занимает одно из основных мест в современной индустрии. Без ее участия было бы невозможно провести технологические процессы. Энергетика в большой мере служит для обеспечения жизнедеятельности человека.

Существуют различные типы энергии:

электрическая;

тепловая;

ядерная и термоядерная;

световая;

магнитная;

химическая;

механическая.

Абсолютно все химические производства потребляют энергию. Процессы отрасли связаны либо с использованием, либо с взаимным обращением энергии. Электрическая энергия используется для электрохимических, электротермических и электромагнитных процессов. Это электролиз, плавление, нагревание, синтез. Для процессов измельчения, смешивания, работы компрессоров и вентиляторов используется превращение электрической энергии в механическую.

Для протекания физических процессов, которые не сопровождаются нагреванием, плавлением, дистилляцией, сушкой, то есть химическими реакциями, используется тепловая энергия. Химическая энергия используется в гальванических приборах, где превращается в электрическую. Световая энергия применяется для осуществления фотохимических реакций.

Топливная база энергетики для химпромышленности

В энергетике химической промышленности горючие ископаемые и их производные представляют собой основной источник потребляемой энергии. Энергоемкость производства определяется расходом энергию на единицу изготавливаемой продукции.
Энергетика включает в себя добычу энергоресурсов (нефти, газа, угля, сланца) и их переработку, а также специальные виды транспорта. К ним относятся нефтепроводы, газопроводы, линии электропередачи и продуктопроводы.

Топливная область энергетики является и сырьевой базой для нефтехимической и химической промышленности. Вся ее продукция подвергается термической обработке для выделения отдельных компонентов (например, кокс из угля, этан, этилен, бутан, пропан из нефти и газов). Только природный газ используется в чистом виде для производства химических продуктов, таких как аммиак, метиловый спирт.

Энергетика развивается динамично и быстро, провоцируя развитие научно-технического прогресса. На использование энергетических ресурсов спрос растет все больше, в связи с этим поиск месторождений и создание новых производств – приоритетные составляющие индустрии. Однако эта область приводит к многочисленным проблемам в экономике, политике, географии, экологии, которые имеют глобальный характер.

Наиболее развивающиеся сегменты энергетики – нефтяная и нефтеперерабатывающая, а также газовая отрасли. Добыча природных ископаемых занимает весомое место в мире, а их месторождения иногда порождают конфликты между государствами. Нефть является важным энергоносителем, после ее переработки получают массу нужных для деятельности человека продуктов. В их списке керосин, бензин, различные виды топлива и нефтяных масел, мазут, гудрон и прочие. Потребность в нефтеперерабатывающей отрасли возникла с развитием транспорта и авиации для его обеспечения топливом. Газовая промышленность является самой прогрессирующей и перспективной областью. Природный газ – основное сырье для химических производств и его использование очень различно.

Выставка «Химия» осенью в большом объеме и масштабе представит новейшие технологии и разработки в области энергетики химической промышленности . На данной выставке производители и потребители могут не только ознакомиться с товаром и ассортиментом, а также заключить новые сделки, наладить связи как с отечественными, так и с зарубежными партнерами. Как отмечают специалисты, «Химия» оказывает огромное влияние на развитие и продвижение новых технологий. Кроме того, на ней освещаются не только новые методы и достижения в науке и технике, а и средства индивидуальной и коллективной защиты на производстве.

Выставка, организуемая ЦВК «Экспоцентр», проходит в Москве с 1965 года. А специалисты «Экспоцентра» позволяют провести подобные мероприятия на самом высоком уровне. Поэтому его и выбирают неоднократно в качестве проведения подобных мероприятий как отечественные, так и зарубежные организаторы.