合理使用和节省能源

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1、第九章第九章 合理使用和节省能源合理使用和节省能源 第一节第一节 能源的概念能源的概念 第二节第二节 化学工业中的能源需求和化学反应化学工业中的能源需求和化学反应 中可利用的能量形式中可利用的能量形式 第三节第三节 优化反应条件，使耗能减小优化反应条件，使耗能减小 第四节第四节 微波技术微波技术第五节第五节 超声技术超声技术第六节第六节 国外化工节能的成功例子国外化工节能的成功例子第七节第七节我国化工节能的形势与应对措施我国化工节能的形势与应对措施 思考题思考题第一节 能源的概念一能源的定义自然资源中存在的某种形式的能，它可转自然资源中存在的某种形式的能，它可转换成热门生产和生活所需的电能、光

2、能、机换成热门生产和生活所需的电能、光能、机械能、热能。械能、热能。人类利用能源的四个阶段 能源的分类能源一次能源二次能源常规能源新能源电力、煤气、沼气、焦炭氧气、蒸汽、热水、汽油、柴油、重油酒精、化工产品可再生水利能不可再生化石燃料、石油核燃料可再生 太阳能、风能不可再生 核聚变能能源品位评价能源消耗需求量的计算标准煤：是指每千克能源发出29.3106J的热量。中国能源结构特点(1) (1) 能源丰富人均消费少，浪费严重能源丰富人均消费少，浪费严重 (2) (2) 能源构成以煤为主能源构成以煤为主 (3) (3) 工业部门消耗能源占很大比重工业部门消耗能源占很大比重 (4) (4) 农村能源

3、短缺，以生物质能为主农村能源短缺，以生物质能为主 (5) (5) 能源资源分布不合理能源资源分布不合理二 能源与环境问题城市大气污染温室效应水体热污染固体废物沙尘笼罩下的呼和浩特五塔寺沙尘笼罩下的呼和浩特五塔寺(2001(2001年年6 6月月1414日日) )三 中国能源的利用与保护充分利用能源，减少浪费以生态学原理解决能源问题四 新能源简介太阳能核能其他新能源 人类的生产与生活离不开能源，然而地人类的生产与生活离不开能源，然而地球上的能源并不是取之不尽用之不竭的，同球上的能源并不是取之不尽用之不竭的，同时能源的使用也会对环境产生很大的影响。时能源的使用也会对环境产生很大的影响。工业发达国家

4、是世界能源消费的大国，特别工业发达国家是世界能源消费的大国，特别是美国，其消耗的能源约占世界能源消耗总是美国，其消耗的能源约占世界能源消耗总量的四分之一。而在工业化国家中，化学工量的四分之一。而在工业化国家中，化学工业是消耗能源最大的。为了实现经济和社会业是消耗能源最大的。为了实现经济和社会的可持续发展，必须在化学工艺的设计过程的可持续发展，必须在化学工艺的设计过程中充分考虑能量的节约与最佳利用。中充分考虑能量的节约与最佳利用。第二节第二节 化学工业中的能量需求化学工业中的能量需求和化学反应和化学反应 中可利用的能量形式中可利用的能量形式 和化学反应和化学反应 中可利用的能量形式中可利用的能量

5、形式 一、化学工业中的能量需求一、化学工业中的能量需求1. 1. 提供反应所需能量提供反应所需能量 2. 2. 用热能加速化学反应用热能加速化学反应 3. 3. 用冷却的方法控制反应用冷却的方法控制反应 4. 4. 分离需要能量分离需要能量 1. 1. 提供反应所需能量提供反应所需能量 化学反应总是伴随着热量的吸收或放出。化学反应总是伴随着热量的吸收或放出。从热力学角度看，对于吸热反应，需要持续从热力学角度看，对于吸热反应，需要持续加热以使反应进行完全。加热以使反应进行完全。 事实上，化学反应通常是将原料和试剂事实上，化学反应通常是将原料和试剂一起在溶剂中加热回流，直至反应完全。至一起在溶剂中

6、加热回流，直至反应完全。至于一个反应到底需要多少热能或其它能量，于一个反应到底需要多少热能或其它能量，过去却没有分析过。过去却没有分析过。 绿色化学要求化学工程师必须考虑能量绿色化学要求化学工程师必须考虑能量的需求因素，以使化学过程更为有效的需求因素，以使化学过程更为有效 2. 2. 用热能加速化学反应用热能加速化学反应 从动力学角度看，为了使某些反应从动力学角度看，为了使某些反应进行的比较快，往往需要提供一定的热进行的比较快，往往需要提供一定的热量用以克服活化能。这类反应可以通过量用以克服活化能。这类反应可以通过选择合适的催化剂来降低反应活化能，选择合适的催化剂来降低反应活化能，从而降低反应

7、发生所需的初始热量从而降低反应发生所需的初始热量。 3. 3. 用冷却的方法控制反应用冷却的方法控制反应 对于放热反应，有时为了防止反应放对于放热反应，有时为了防止反应放热太剧烈需要用冷却的方法对其进行控制，热太剧烈需要用冷却的方法对其进行控制，这对于提高转化率也是必要的。在化学品这对于提高转化率也是必要的。在化学品生产过程中，为防止反应失控而引发事故，生产过程中，为防止反应失控而引发事故，也需要降低反应的速率。也需要降低反应的速率。 无论加热还是冷却，均需要消耗能量，无论加热还是冷却，均需要消耗能量，故需要较大的费用并对环境产生影响故需要较大的费用并对环境产生影响 4. 4. 分离需要能量分

8、离需要能量 化工过程中的分离、提纯是一个相当化工过程中的分离、提纯是一个相当消耗能量的步骤。通常的分离步骤如蒸馏、消耗能量的步骤。通常的分离步骤如蒸馏、重结晶等都需要能量的投入。因此化学家重结晶等都需要能量的投入。因此化学家在设计反应过程时，应将分离步骤所需的在设计反应过程时，应将分离步骤所需的能量，不管是热能、电能或其它形式的能能量，不管是热能、电能或其它形式的能量降至最低，这也是能量需求对环境、经量降至最低，这也是能量需求对环境、经济影响的要求济影响的要求 二二 化学反应中可利用化学反应中可利用的能量形式的能量形式 1. 1. 热能热能 2. 2. 电能电能 3. 3. 光能光能 4. 4

9、. 微波微波 5. 5. 声纳声纳 1 1、 热能热能2 2、 电能电能 除热能外，电能是应用较多的一种。电化学除热能外，电能是应用较多的一种。电化学过程是清洁技术的重要组成部分。由于电解一般过程是清洁技术的重要组成部分。由于电解一般无须使用危险或有毒试剂，通常在常温常压下进无须使用危险或有毒试剂，通常在常温常压下进行，在清洁合成中具有独特的魅力。行，在清洁合成中具有独特的魅力。 自由基反应是有机合成中一类非常重要的碳自由基反应是有机合成中一类非常重要的碳- -碳键形成反应，实现自由基环化的常规方法是碳键形成反应，实现自由基环化的常规方法是使用过量的三丁基锡烷。这样的过程不仅原子利使用过量的三

10、丁基锡烷。这样的过程不仅原子利用率低，而且使用和产生有毒的难以除去的锡试用率低，而且使用和产生有毒的难以除去的锡试剂剂。 这两方面的问题用维生素这两方面的问题用维生素B B1212催化的电还催化的电还原方法可完全避免。利用天然、无毒、手性的原方法可完全避免。利用天然、无毒、手性的维生素维生素B B1212为催化剂的电催化反应，可产生自由为催化剂的电催化反应，可产生自由基类中间体，从而实现在温和中性条件下的自基类中间体，从而实现在温和中性条件下的自由基环化反应由基环化反应 3 3、光能、光能 运用环境友好的光化学反应来替代一些需运用环境友好的光化学反应来替代一些需用有毒试剂的化学反应是近年来研究

11、较多的用有毒试剂的化学反应是近年来研究较多的课题。课题。EplingEpling等人就致力于寻找二硫烷、苄等人就致力于寻找二硫烷、苄基醚氧化的替代反应。基醚氧化的替代反应。 例如例如: :可见光条件下的二硫代保护基团的感光裂解可见光条件下的二硫代保护基团的感光裂解 4 4、微波、微波 在许多情况下，微波技术显示了极大的在许多情况下，微波技术显示了极大的优势，即不需要持续加热来使反应进行。而优势，即不需要持续加热来使反应进行。而且在固体状态下的微波反应避免了在有溶剂且在固体状态下的微波反应避免了在有溶剂的反应中溶剂所需的额外的加热。微波协同的反应中溶剂所需的额外的加热。微波协同萃取在环境样品的有

12、机氯化合物的检测中显萃取在环境样品的有机氯化合物的检测中显示出很大的优越性。在微波条件下的萃取不示出很大的优越性。在微波条件下的萃取不需要热能，萃取时间短，且萃取更完全需要热能，萃取时间短，且萃取更完全。 5 5、声纳、声纳 某些类型的反应，如环加成反应、某些类型的反应，如环加成反应、周环反应等，可被超声波催化，利用周环反应等，可被超声波催化，利用这一技术，化学反应的环境条件大为这一技术，化学反应的环境条件大为改变，但是针对每一个具体反应，改变，但是针对每一个具体反应，需需视其获得目标产物的效率而定。视其获得目标产物的效率而定。 第三节第三节 优化反应条件，使耗能减小优化反应条件，使耗能减小

13、在一个合成反应路线被证明可行时，化学家往在一个合成反应路线被证明可行时，化学家往往要去优化它。通常往要去优化它。通常，“优化优化”是指提高产率或转化率，是指提高产率或转化率，并不并不“考虑考虑”上述能量因素的优化，而将能量平衡的问上述能量因素的优化，而将能量平衡的问题留给了负责工艺过程的工程师。然而，能量的使用也题留给了负责工艺过程的工程师。然而，能量的使用也像有毒有害物质的使用、废物的产生等问题一样，应当像有毒有害物质的使用、废物的产生等问题一样，应当成为化学家设计反应时关注的对象。在可能的情况下，成为化学家设计反应时关注的对象。在可能的情况下，化学家应考虑如何将能耗降到最小，这往往需要通过

14、对化学家应考虑如何将能耗降到最小，这往往需要通过对反应体系的设计、调整和优化才能实现。例如化学工业反应体系的设计、调整和优化才能实现。例如化学工业中耗能最大的是净化与分离过程，若能设法减少分离操中耗能最大的是净化与分离过程，若能设法减少分离操作步骤，则可以节约很多能量作步骤，则可以节约很多能量 第四节第四节 微波技术微波技术 微波是指频率在微波是指频率在300MHz-300GHz300MHz-300GHz范围的电磁波。范围的电磁波。微波微波对许多有机合成反应的速度影响十分显著，较常规方法能对许多有机合成反应的速度影响十分显著，较常规方法能增加几倍、几十倍、甚至上千倍。同时，微波对化学反应增加几

15、倍、几十倍、甚至上千倍。同时，微波对化学反应体系不产生污染，微波化学技术属于清洁技术。体系不产生污染，微波化学技术属于清洁技术。对于微波加快化学反应速度的解释，一般认为微波是一种对于微波加快化学反应速度的解释，一般认为微波是一种内加热，受热体系温度均匀，无滞后效应，同时电磁场直内加热，受热体系温度均匀，无滞后效应，同时电磁场直接作用于反应物分子，改变了反应历程，降低了反应活化接作用于反应物分子，改变了反应历程，降低了反应活化能。能。 以无机固体物为载体的有机合成反应，除上述优点外，以无机固体物为载体的有机合成反应，除上述优点外，还具有操作简便，溶剂用量少，产物易于分离纯化，产率还具有操作简便，

16、溶剂用量少，产物易于分离纯化，产率高等特点，成为化学合成工作者研究的热点。高等特点，成为化学合成工作者研究的热点。例如，例如，2-2-甲基甲基-1-1，3-3-戊二烯与戊二烯与 乙醛酸酯在苯溶剂中的反应乙醛酸酯在苯溶剂中的反应 又如，光合作用的模拟一直是各国科学工又如，光合作用的模拟一直是各国科学工作者的奋斗目标，作者的奋斗目标，近来，J. K. S. Wan等利用微波诱导催化法模拟光合作用，取得了可喜的，取得了可喜的成果。他们采用一种传输线反应器，微波功率成果。他们采用一种传输线反应器，微波功率为为3kW3kW，频率频率2450MHz2450MHz，催化剂为负载型催化剂为负载型Ni/Ni/N

17、iONiO催化剂，在催化剂，在H H2 2HeHe气氛中气氛中400400下处理下处理5-6h5-6h，当，当COCO2 2和水蒸气摩尔比为和水蒸气摩尔比为1:2.51:2.5的混合气在反应器的混合气在反应器中通过并平衡中通过并平衡20-30min20-30min，其产物经色谱分析为其产物经色谱分析为CH 455.1%CH 455.1%，C C2 2H H6 6 0.3% 0.3%，CHCH3 3OH 5.5%OH 5.5%， CHCH3 3COCHCOCH3 334.7%34.7%，C C3 3醇醇 5.8%5.8%， C C4 4醇醇 28.4%28.4%。 第五节第五节 超声技术超声技术

18、 超声技术应用于化学合成，能够超声技术应用于化学合成，能够改变反应历程，提高反应的选择性；加快反应速率，降低能耗和减少废物的排放。 超超声化学技术是一种安全无害的绿色技术声化学技术是一种安全无害的绿色技术。 在声化学条件下，产率达在声化学条件下，产率达100%100%，而常规搅拌，而常规搅拌反应产率仅为反应产率仅为5%5%。 例如例如: : GrignardGrignard试剂和试剂和，-不饱和二氧戊环的反应不饱和二氧戊环的反应 再如光致变色螺比喃的制备再如光致变色螺比喃的制备 在声化学反在声化学反应条件下反应应条件下反应15min15min，产率达产率达91%91%，而常规搅，而常规搅拌反应

19、拌反应7 7天，产天，产率仅为率仅为60% 60% 第六节第六节 国外化工节能的成功例子国外化工节能的成功例子1 1 美国氰氨公司开发的苯绝热硝化工艺已经工业化, , 该工艺和传统工艺相比成本下降该工艺和传统工艺相比成本下降30%, 30%, 节能大约节能大约90%90%。传统的等温连续硝化工艺是用反应器内的冷却盘管除传统的等温连续硝化工艺是用反应器内的冷却盘管除去反应热去反应热, , 使反应器的温度保持恒定使反应器的温度保持恒定, ,必须蒸发水以保必须蒸发水以保持废酸浓度持废酸浓度, , 因而耗费大量能量。新的绝热硝化工艺因而耗费大量能量。新的绝热硝化工艺, , 是在大量硫酸存在下对苯进行硝

20、化反应。是在大量硫酸存在下对苯进行硝化反应。 硝化热和稀释热被硫酸吸收硝化热和稀释热被硫酸吸收, , 并且采用真空闪蒸法并且采用真空闪蒸法把酸浓缩把酸浓缩, , 这就大大地减少了冷却和脱水过程的能耗。这就大大地减少了冷却和脱水过程的能耗。 采用节能装置采用节能装置, ,可有效地抑制能量损失可有效地抑制能量损失, ,孟山都公司改进丙烯腈电解制己二腈工艺,取消电解槽隔膜,开发出发出乳液法就是一个很好的例子乳液法就是一个很好的例子: : 2CH 2CH2 2=CHCN+2H=CHCN+2H2 2+ 2e=NC(CH+ 2e=NC(CH2 2) )4 4CNCN隔膜老法隔膜老法无隔膜新法无隔膜新法 阳

21、极阳极PbPbCdCd 阴极阴极=99%, =99%, =1%=1%碳钢碳钢 隔膜隔膜离子交换膜离子交换膜 无无 极间距极间距/mm/mm7.17.11.81.8 温度温度/ /50505555 电流密度电流密度/A.dm/A.dm-2-245452020 耗电量耗电量/kW.h.kg/kW.h.kg-1-16.66.62.42.42 2 新旧工艺参数比较见下表新旧工艺参数比较见下表当前单位化工产品的能量消耗水平已成了衡量当前单位化工产品的能量消耗水平已成了衡量化学工业现代化水平的主要指标之一化学工业现代化水平的主要指标之一, ,而且是影响而且是影响成本的关键成本的关键, ,日本的能量利用效率

22、达日本的能量利用效率达57%,57%,在世界各在世界各国中居首位国中居首位, ,这除了日本制订严格的节能法规外这除了日本制订严格的节能法规外, ,积积极采用节能新技术也是一个重要因素。极采用节能新技术也是一个重要因素。 如如利用回流水位能的抽吸泵利用回流水位能的抽吸泵。化工厂用水量很。化工厂用水量很大大, ,必须用水泵从水源中抽吸大量清水必须用水泵从水源中抽吸大量清水, ,大量的清水大量的清水在工艺过程中成了具有一定位能的回流水。在工艺过程中成了具有一定位能的回流水。3利用的方法：利用的方法： 一是: :用回流水的位能来驱动水轮发电机以用回流水的位能来驱动水轮发电机以产生电能产生电能, ,然后

23、再用电能来驱动水泵抽吸清水然后再用电能来驱动水泵抽吸清水, ,此法能量利用率不到此法能量利用率不到40%40%； 二是: :用回流水的位能来驱动水轮机用回流水的位能来驱动水轮机, ,由它由它带动水泵带动水泵, ,能量利用率为能量利用率为40%-60%40%-60%； 三是:“:“流体位能交换法流体位能交换法”, ,是根据虹吸原是根据虹吸原理理, ,直接把一次流体直接把一次流体( (回流水回流水) )的位能转化为二次的位能转化为二次流体流体( (清水清水) )的位能的位能, ,能量利用率达能量利用率达85%-90%85%-90%。又如，日本科技人员设计出构思巧妙的又如，日本科技人员设计出构思巧妙

24、的能量自给平衡的化学反应器。化学反应离不能量自给平衡的化学反应器。化学反应离不开加热和冷却开加热和冷却, , 把放热系统和加热系统结合把放热系统和加热系统结合起来是化工节能的有效途径。设计制造的一起来是化工节能的有效途径。设计制造的一种能量自给平衡的化学反应装置种能量自给平衡的化学反应装置, , 用于顺丁用于顺丁橡胶的生产上。该装置用氨作为传热介质橡胶的生产上。该装置用氨作为传热介质, , 由于丁二烯聚合反应所放出的热量大致和精由于丁二烯聚合反应所放出的热量大致和精制系统所需要的热量相当制系统所需要的热量相当, , 整个系统的能量整个系统的能量可自给平衡可自给平衡, , 和以往的装置相比和以往

25、的装置相比, , 能耗减少能耗减少了了4/54/5。第七节第七节 我国化工节能的形势我国化工节能的形势与应对措施与应对措施 1. 1. 我国能源的人均储量较低我国能源的人均储量较低 2.2.我国化工行业的能源利用率太低我国化工行业的能源利用率太低 3.3.我国化工行业应采取的的节能措施我国化工行业应采取的的节能措施 （1 1）化肥工业应该研究制订以天然气代）化肥工业应该研究制订以天然气代替煤炭生产合成氨的国家政策替煤炭生产合成氨的国家政策 （2 2）加强国家宏观调控）加强国家宏观调控 （3 3）加快淘汰不符合经济规模的工厂和）加快淘汰不符合经济规模的工厂和落落 后的工艺、技术、设备后的工艺、技

26、术、设备 我国化工系统的能源消费量约占全国我国化工系统的能源消费量约占全国总量的总量的10%10%。在化工产品成本中，能源所。在化工产品成本中，能源所占的比重很大，一般产品约占占的比重很大，一般产品约占20-30%20-30%，能，能耗高的产品可达耗高的产品可达70-80%70-80%。因此，化工节能。因此，化工节能有特殊重要的意义。有特殊重要的意义。 1. 1. 我国能源的人均储量较低我国能源的人均储量较低 中国的能源从长远看还是很短缺的，中国的能源从长远看还是很短缺的，中国煤炭储量占世界总储量中国煤炭储量占世界总储量11%11%，人均，人均占世界平均水平的占世界平均水平的51%51%；石油

27、储量占世；石油储量占世界界2.4%2.4%，人均占世界平均水平的，人均占世界平均水平的11%11%；天然气储量占世界天然气储量占世界1.2%1.2%，人均占世界平，人均占世界平均水平的均水平的5%5%。 2.2.我国化工行业的能源利用率太低我国化工行业的能源利用率太低 我国单位产值能耗是世界平均水平的我国单位产值能耗是世界平均水平的5 5倍。倍。从我国化工行业来看，经过多年的节能技术改造，从我国化工行业来看，经过多年的节能技术改造，单位产品能耗虽然有了较大幅度下降，但仍比国单位产品能耗虽然有了较大幅度下降，但仍比国外同类产品能耗高外同类产品能耗高20-30%20-30%，有的高出一倍。因而，有

28、的高出一倍。因而同样数量的能源，所创造的产值与国外相差数倍。同样数量的能源，所创造的产值与国外相差数倍。目前，我国化学工业每吨标煤创造产值为目前，我国化学工业每吨标煤创造产值为23002300元元人民币，而德国、日本、美国每吨标煤创造产值人民币，而德国、日本、美国每吨标煤创造产值在在1500-16001500-1600美元。从以上情况看，不论全国，美元。从以上情况看，不论全国，还是化学工业的节能工作，今后的任务都很艰巨还是化学工业的节能工作，今后的任务都很艰巨。 3.3.我国化工行业应采取的的节能措施我国化工行业应采取的的节能措施 （1 1）化肥工业应该研究制订以天然气代替煤）化肥工业应该研究

29、制订以天然气代替煤炭生产合成氨的国家政策炭生产合成氨的国家政策 我国合成氨生产约占化学工业总能耗的我国合成氨生产约占化学工业总能耗的50%50%。要摆脱目前全行业能源利用率低、产品成本高、缺要摆脱目前全行业能源利用率低、产品成本高、缺乏竞争力的局面，必须将以天然气为原料生产合成乏竞争力的局面，必须将以天然气为原料生产合成氨，作为一项长期发展战略。建设一个年产氨，作为一项长期发展战略。建设一个年产3030万吨万吨的合成氨装置，以天然气为原料的投资比以煤为原的合成氨装置，以天然气为原料的投资比以煤为原料的要省料的要省50%50%，比以油为原料的要省，比以油为原料的要省30%30%；从能源消；从能源

30、消耗上比，吨氨产品能耗，以天然气为原料的最低，耗上比，吨氨产品能耗，以天然气为原料的最低，比煤焦为原料的节省比煤焦为原料的节省600600公斤标煤，比油为原料的公斤标煤，比油为原料的节省节省200200公斤标煤；所排放的有害气体也是最低的。公斤标煤；所排放的有害气体也是最低的。 （2 2）加强国家宏观调控）加强国家宏观调控 对新建项目，凡是能耗高于目前世界对新建项目，凡是能耗高于目前世界先进水平的不准立项；进行技术改造项目，先进水平的不准立项；进行技术改造项目，产品能耗指标达不到国内先进水平或世界产品能耗指标达不到国内先进水平或世界先进水平的，也不应批准立项先进水平的，也不应批准立项。 （3

31、3）加快淘汰不符合经济规模的工厂和）加快淘汰不符合经济规模的工厂和落落 后的工艺、技术、设备后的工艺、技术、设备 从经济规模上看，如合成氨年产从经济规模上看，如合成氨年产4 4万吨以万吨以下的工厂、纯碱厂凡年生产能力小于下的工厂、纯碱厂凡年生产能力小于2020万吨万吨氨碱法工厂和年生产能力小于氨碱法工厂和年生产能力小于8 8万吨联碱法厂、万吨联碱法厂、电石生产年产电石生产年产2 2万吨以下电石炉、烧碱年产万吨以下电石炉、烧碱年产1 1万吨以下的工厂、黄磷年产万吨以下的工厂、黄磷年产1 1万吨以下的工厂，万吨以下的工厂，均应淘汰或通过技术改造，扩大生产能力。均应淘汰或通过技术改造，扩大生产能力。 思思 考考 题题化学工业中有哪些方面的能量需求？化学工业中有哪些方面的能量需求？ 举出几个国内外化工节能的成功例子。举出几个国内外化工节能的成功例子。