Химия и энергетика. Современные источники энергии. Энергетика химической промышленности Химическая энергетика

Российская химическая промышленность по объему производства находится на одиннадцатом месте в мире. Доля отрасли в общем объеме промышленного производства страны составляет 6 %. На химических предприятиях сосредоточено 7 % основных фондов (пятое место после машиностроения, топливной промышленности, энергетики и металлургии), обеспечивающих 8 % стоимости промышленного экспорта и 7 % налоговых поступлений в бюджет. Предприятия химического комплекса являются поставщиками сырья, полупродуктов, различных материалов (пластмассы, химические волокна, шины, лаки и краски, красители, минеральные удобрения и т. д.) для всех отраслей и способны оказывать существенное воздействие на масштабы, направления и эффективность их развития.

Российский химпром сегодня

Преобразования с начала рыночных реформ существенно изменили структуру химического производства по формам собственности: к настоящему времени химический комплекс имеет самую немногочисленную группу предприятий, оставшихся в собственности государства. В результате приватизации контрольные пакеты акций значительной части химических предприятий перешли в руки внешних инвесторов. Это в основном нефтяные и газовые компании.

Как заявляют специалисты отрасли, российской химической промышленности необходим качественный скачок, иначе она станет абсолютно неконкурентоспособной. Среди основных факторов, тормозящих развитие отрасли, – стандартные для нашей промышленности проблемы. Во-первых, это изношенность фондов – установленное на российских предприятиях технологическое оборудование крайне отстало от современных требований (сроки эксплуатации значительной его части составляют 20 и более лет, степень износа основных фондов – около 46 %). Другие проблемы – это несоответствие структуры производства российского химического комплекса современным тенденциям химической промышленности развитых стран, а также тот факт, что основу производства российского химического комплекса составляет продукция с низкой степенью передела первичного сырья.

Если говорить о стратегических задачах отрасли, то это техническое перевооружение и модернизация действующих и создание новых экономически эффективных и экологически безопасных производств, развитие экспортного потенциала и внутреннего рынка химической продукции и развитие ресурсно-сырьевого и топливно-энергетического обеспечения химического комплекса. Среди других задач эксперты называют организационно-структурное развитие химического комплекса в направлении увеличения выпуска высокотехнологичной продукции, а также повышение эффективности НИОКР и инновационной активности предприятий российской химической промышленности.

Это тем более важно, так как в период 2020 и до 2030 г., согласно анализу, сделанному специалистами Министерства промышленности и торговли, перед российской химической промышленностью будут стоять задачи обеспечить запрос на новые высокотехнологичные материалы со стороны машиностроения, судостроения, медицины, вертолетостроения, авиастроения, энергетического машиностроения.

Для разработок в космическом, авиационном и ядерно-энергетическом секторах также потребуются новые химические материалы, композитные материалы, герметизирующие материалы, звукоизолирующие материалы, электрические провода и кабели, покрытия. Будут повышаться и без того высокие требования к техническим свойствам продуктов, таким, как высокая прочность, устойчивость к воздействию излучения, устойчивость к коррозии, к высокотемпературному и низкотемпературному воздействию, а также устойчивость к старению материалов.

Например, сейчас в мировой автомобильной промышленности полимеры занимают второе место после металлов как сырье для производства автокомпонентов. В России же наблюдается дефицит и ограниченный марочный ассортимент всех видов производимых пластиков, что создает серьезный барьер на пути увеличения номенклатуры производимых автокомпонентов.

Доля полимерных композитов в общем объеме стройматериалов в России также достаточно низка. Если в гражданском строительстве в основном применяются «традиционные» материалы, то в таких секторах, как строительство мостов, железных дорог, железнодорожных туннелей и др., у полимерных композитов в России есть значительные перспективы.

Таким образом, как говорят специалисты, налаживание производства необходимых полимеров в России может стать значительным сегментом импортозамещения. При этом применение продуктов химии в строительстве постоянно расширяется: это и новые утеплительные материалы и добавки в конструкционные материалы, и изоляционные материалы, и покрытия, производящие электричество из солнечного света, и дорожные покрытия, позволяющие измерить транспортный поток, и др.

На рынке также появляются новые химические продукты: пластики с долгим циклом жизни, материалы, способные к самодиагностике и самоадаптации, высокотехнологичные волокна нового поколения, самовосстанавливающаяся экорезина и «умные» наноматериалы, изменяющие форму по желанию пользователя. Специалисты говорят о полимерах с функцией активных мембран, способных сортировать молекулы, об аморфных полимерах, которые могут восстанавливать поврежденные покрытия, об очень важных в текущей политике России арктических видах топлива и т. д.

Многие специалисты также прогнозируют дальнейший рост значимости биологически полученных материалов. В среднесрочной перспективе ожидается массовое производство химических продуктов из возобновляемых ресурсов («белая» химия): биотоплива, продуктов из биодеградирующих полимеров, биосенсоров и биочипов. По предварительным оценкам экспертов, рынок биополимеров (полимеров, изготовленных на основе возобновляемых ресурсов) будет ежегодно расти на 8‑10 % и уже к 2020 г. их доля в общем рынке полимеров составит 25‑30 %.

Все это, по мнению чиновников из Минпромторга, может производиться и в России – в том случае, если в отечественную химическую промышленность пойдут необходимые инвестиции.

Энергетика и химия

Если говорить о связях химии и энергетики, то они теснейшие: химическая промышленность потребляет огромное количество энергии. Энергия тратится на осуществление эндотермических процессов, на транспортировку материалов, крошение и измельчение твердых веществ, фильтрование, сжатие газов и т. п. Значительных затрат энергии нуждаются производство карбида кальция, фосфора, аммиака, полиэтилена, изопрена, стирола и т. п. Химические производства вместе с нефтехимическими являются энергоемкими областями индустрии. Выпуская почти 7 % промышленной продукции, они потребляют в пределах 13‑20 % энергии, которая используется всей промышленностью.

Однако и достижения химии работают на энергетику. Уже сегодня химики работают над вопросами максимального и комплексного энерготехнологического использования топливных ресурсов – уменьшением потерь теплоты в окружающую среду, вторичным использованием теплоты, максимальным применением местных топливных ресурсов и т. п.

Например, во многих странах занимаются созданием рентабельной технологии переработки угля в жидкое (а также газообразное) топливо. Работают над этой проблемой и российские химики. Суть современного процесса переработки угля в синтез-газ заключается в следующем. В плазменный генератор подается смесь водяного пара и кислорода. Затем в раскаленный газовый факел поступает угольная пыль, и в результате химической реакции образуется смесь оксида углерода и водорода, т. е. синтез-газ. Из него получают метанол, который может заменить бензин в двигателях внутреннего сгорания и выгодно отличается от нефти, газа, угля в плане воздействия на экологию.

В России также разработаны химические методы изъятия вяжущей нефти (содержит высокомолекулярные углеводороды), значительная часть которой остается в шламовых 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.

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. Если эти задачи будут разрешимы, водород будет широко использоваться в авиации, водном и наземном транспорте, промышленном и сельскохозяйственном производствах. Над этими вопросами российские ученые тесно работают с европейскими коллегами.

Одним из ключевых направлений остается решение проблем, связанных с рентабельной переработкой «тяжелой» высоковязкой нефти, а также тяжелых остатков нефтеперерабатывающих производств. Глубина переработки нефти в странах ЕС составляет не менее 85 %, и в прогнозном периоде это значение будет увеличиваться. На предприятиях российского нефтеперерабатывающего комплекса требуемый набор вторичных процессов для переработки тяжелых фракций нефти в большинстве случаев отсутствует, и глубина переработки составляет порядка 70 %. Повышение данного показателя позволит получать дополнительную прибыль и повысить эффективность использования вторичного сырья.

Уже сегодня Институт нефтехимического синтеза РАН совместно с Грозненским нефтяным институтом (ГрозНИИ) создали принципиально новую технологию гидрогенизационной подготовки гудрона на наноразмерных катализаторах, после которой возможно применение обычных высокоэффективных процессов каталитического крекинга или гидрокрегинга вакуумного дистиллята, т. е. традиционных методов глубокой переработки нефти. При этом комплексность переработки нефти предполагает как рациональное извлечение из нефти ценных компонентов (масел, жидких и твердых парафинов, нефтеновых кислот и т. д.), так и оптимальную переработку ранее трудно утилизируемых продуктов, например легких газов, асфальтов, песков. Безотходность переработки нефти, ставшая особо острой в связи с возрастающим отрицательным воздействием человеческой деятельности на окружающую среду, предусматривает в том числе полную переработку всех фракций нефти с максимальным извлечением полезных компонентов: применение технологий, катализаторов и реагентов исключает образование вредных выбросов и отходов.

Кроме того, для России одним из наиболее интересных направлений остается газохимия, которая остро нуждается в простых и экономически эффективных технологиях конверсии природного газа в жидкие продукты, рассчитанных на эксплуатацию непосредственно в районах газодобычи, в т. ч. в приполярных областях и на морском шельфе.

С помощью химической промышленности Россия может значительно расширить свою долю на рынке не только первичных энергоресурсов, но и гораздо более прибыльном рынке дорогостоящих химических продуктов и экологически чистых моторных топлив. Именно в этой области Россия имеет наибольшие шансы уже в ближайшие годы выйти на рынок высоких технологий. Переход мирового рынка к ультранизкосернистым бензинам и дизтопливам, влияющим на оздоровление окружающей среды, – важное событие, вовлекающее огромное число звеньев хозяйственных и государственных механизмов. Этот переход сопровождается развитием технологий глубокой и сверхглубокой очистки жидких фракций, а также разработкой новых процессов очистки и переработки технологических и попутных нефтезаводских газов. Здесь российские химики также могли бы внести свою лепту.

Особенно тесно химическая промышленность России взаимодействует с энергетической отраслью в сфере ядерной энергетики. Причем речь идет не только о производстве тепловыделяющих элементов, но и о более экзотических проектах. Например, именно для АЭС в перспективе найдут еще одно применение – для производства водорода. Часть полученного водорода будут потребляться химической промышленностью, другая часть послужит для питания газотурбинных установок, включаемых при пиковых нагрузках.

Наноматериалы и биокатализ

К перспективным технологиям химической промышленности специалисты относят разработку новых технологий и средств утилизации радиоактивных отходов; молекулярный дизайн, химические аспекты энергетики, такие, как создание новых химических источников тока, разработка технологий получения топлив из ненефтяного и возобновляемого сырья, высокоэнергетические вещества и материалы и т. д.

В нанохимии к наиболее «продвинутым» направлениям относят нанокатализ, производство наноматериалов для приема, обработки и передачи информации, молекулярные носители памяти, разработку наномодуляторов.

Биокаталитические технологии предполагается использовать для производства биоразлагаемых и электропроводящих полимеров; высокомолекулярных полимеров для повышения нефтеотдачи пластов и водоочистки; антикоррозионных и антистатических покрытий металлоконструкций, превосходящих по эффективности лакокрасочные покрытия; биосенсоров и биочипов, использующих принципы высокоспецифического биологического восприятия и узнавания для использования в медицине, авиакосмической промышленности и производстве компьютерной техники. Можно также упомянуть новый метод разделения и очистки химических смесей, получение и нанесение порошковых покрытий, обессоливание воды, очистку воды и почвы, в том числе от тяжелых металлов и радионуклидов.

Как говорят специалисты, освоение нано- и биотехнологий приведет к появлению нового поколения продуктов с расширенными свойствами, что, в свою очередь, приведет к их новому применению во многих отраслях промышленности, в том числе энергетике. Это, например, новые материалы для хранения водорода, усовершенствованные мембраны для опреснительных и очистных сооружений, самовосстанавливающиеся покрытия и т. д.

Таким образом, в современных условиях энергетика все больше нуждается в новейших химических технологиях, и российские производители также отзываются на этот спрос.

– Расскажите о новинках вашего производства в части химической промышленности, применяемой в энергетике. Какая продукция наиболее востребована заказчиками?

Мария Зайцева, директор направления «Атомная энергетика» ООО «НПП «ВМП-Нева»: – Научно-производственный холдинг «ВМП» специализируется в области разработки, производства и внедрения покрытий для долговременной защиты металла и бетона.

Выпускаемые антикоррозионные и огнезащитные материалы, а также полимерные покрытия пола имеют высокие технологические и эксплуатационные характеристики, которые достигаются за счет высокоэффективных пигментов, химически и атмосферостойких полимеров, специальных наполнителей и вспомогательных добавок. В сфере энергетики мы работаем более 17 лет. Сегодня обращаем внимание специалистов отрасли на новый интересный материал, уже имеющий положительный опыт применения на АЭС. Эмаль ВИНИКОР® ЭП-1155Д разработана для защиты зоны контролируемого доступа в том числе реакторного блока. Это единственный материал в России, который прошел смоделированные испытания в условиях штатной работы реакторного блока. На сегодняшний день испытания подтверждают возможность работы покрытия без потери защитных параметров в течение 50 лет. Все это позволяет нам предлагать данный материал проектировщикам и эксплуатационным службам станций, заводам по переработке ядерных отходов и хранилищ, везде, где есть высокие требования «Росатома» к безопасности объектов. Другой материал для объектов энергетики и гидротехники – грунт-эмаль ИЗОЛЭП®-гидро. Применяется для защиты металлоконструкций, расположенных в подводной зоне и в зоне переменного смачивания. Успешно проходит натурные испытания в башенной градирне АЭС.

В ядерных энергетических установках подводных лодок США используются многие химические элементы и синтетические органические соединения. Среди них - ядерное горючее в виде обогащенного делящимся изотопом урана; графит, тяжелая вода или бериллий, используемые как отражатели нейтронов для уменьшения их утечки из активной зоны реактора; бор, кадмий и гафний, входящие в состав стержней управления и защиты; свинец, применяемый в первичной защите реактора наряду с бетоном; цирконий в сплаве с оловом, служащий конструкционным материалом для оболочек тепловыделяющих элементов; катионитные и анионитные смолы, используемые для загрузки ионообменных фильтров, в которых первичный теплоноситель установки - вода высокой степени очистки освобождается от растворенных и взвешенных в ней частиц.

Важная роль отводится химии и в обеспечении работы различных систем подводных лодок, например системы гидравлики, имеющей прямое отношение к управлению энергетической установкой. Американские химики долго работали над созданием рабочих жидкостей для этой системы, способных действовать при высоком давлении (до 210 атмосфер), безопасных в пожарном отношении и неядовитых. Сообщалось, что для предохранения трубопроводов и арматуры системы гидравлики от коррозии при обводнении забортной водой в рабочую жидкость добавляется хромат натрия.

Разнообразные синтетические материалы - пенопласта, синтетический каучук, поливинилхлорид и другие широко используются на лодках для уменьшения шума механизмов и повышения их взрывостойкость Из таких материалов изготовляются звукоизолирующие покрытия и кожухи, амортизаторы, звукоизолирующие вставки в трубопроводы, звукозаглушающие подвески.

Химические аккумуляторы энергии, например в виде так называемых пороховых аккумуляторов давления, начинают применяться (правда, пока еще в экспериментальном порядке) для аварийного продувания цистерн главного балласта. Твердотопливные заряды используются на ракетных подводных лодках США и для обеспечения подводного старта ракет «Поларис». При сгорании подобного заряда в присутствии пресной воды в специальном генераторе образуется парогазовая смесь, которая выталкивает ракету из пусковой трубы.

Чисто химические источники энергии используются на некоторых типах состоящих на вооружении и разрабатываемых за рубежом торпед. Так, двигатель американской быстроходной парогазовой торпеды Мк16 работает на спирте, воде и перекиси водорода. Находящаяся в разработке торпеда Мк48, как сообщалось в печати, имеет газовую турбину, работа которой обеспечивается твердотопливным зарядом. Некоторые экспериментальные реактивные торпеды снабжены силовыми установками, работающими на реагирующем с водой топливе.

В последние годы нередко говорилось о новом типе «единого двигателя» для подводных лодок, основанного на новейших достижениях химии, в частности на использовании как источника энергии так называемых топливных элементов. Подробно о них говорится далее, в специальной главе этой книги. Пока лишь укажем, что в каждом из таких элементов протекает электрохимическая реакция, обратная электролизу. Так, при электролизе воды на электродах выделяются кислород и водород. В топливном же элементе к катоду подводится кислород, а к аноду - водород, и ток, снимаемый с электродов, идет во внешнюю для элемента сеть, где его можно использовать для привода гребных электродвигателей подводной лодки. Другими словами, в топливном элементе химическая энергия непосредственно преобразуется в электрическую без промежуточного получения высоких температур, как в обычной цепочке электростанции: котел - турбина - электрогенератор.

Материалом для электродов в топливных элементах могут служить никель, серебро и платина. В качестве топлива возможно применение жидкого аммиака, нефти, жидкого водорода, метилового спирта. В качестве окислителя обычно используется жидкий кислород. Электролитом может быть раствор едкого калия. В одном западногерманском проекте топливных элементов для подводной лодки предлагается использовать перекись водорода высокой концентрации, при разложении которой получаются одновременно и топливо (водород) и окислитель (кислород).

Энергетическая установка с топливными элементами в случае ее применения на лодках позволила бы отказаться от дизель-генераторов и аккумуляторных батарей. Она обеспечила бы также бесшумную работу главных двигателей, отсутствие вибрации и высокий коэффициент полезного действия - около 60–80 процентов при перспективном удельном весе установки до 35 килограммов на киловатт. По расчетам иностранных специалистов, расходы па постройку подводной лодки с топливными элементами могут быть вдвое-втрое ниже затрат на строительство атомной подводной лодки.

Печать сообщала, что в США велись работы по созданию наземного прототипа лодочной энергетической установки с топливными элементами. В 1964 году начались испытания такой установки на сверхмалой исследовательской подводной лодке «Стар-1», мощность гребного двигателя ее всего лишь 0,75 киловатт. По данным журнала «Шиф унд Хафен», опытная установка с топливными элементами создана также в Швеции.

Большинство зарубежных специалистов склоняется к тому, что мощность энергетических установок этого рода не превзойдет 100 киловатт, а время их непрерывной работы 1000 часов. Наиболее рациональным поэтому считается применять топливные элементы прежде всего на сверхмалых и малых подводных лодках исследовательского или диверсионно-разведывательного назначения с автономностью около одного месяца.

Создание топливных элементов не исчерпывает всех случаев применения достижений электрохимии в подводном деле. Так, на атомных подводных лодках США применяются щелочные никель-кадмиевые аккумуляторы, при зарядке которых выделяется не водород, а кислород. На некоторых дизельных подводных лодках этой страны вместо кислотных аккумуляторных батарей применяют щелочные серебряно-цинковые аккумуляторные батареи, обладающие втрое большей удельной энергией.

Еще более высоки характеристики серебряно-цинковых аккумуляторов одноразового действия для электроторпед подводных лодок. В сухом состоянии (без электролита) они могут храниться годами, не требуя никакого ухода. А приведение их в готовность занимает буквально доли секунды, причем аккумуляторы могут содержаться в снаряженном виде 24 часа. Габариты и вес подобных батарей в пять раз меньше, чем эквивалентных им свинцовых (кислотных). Некоторые типы торпед, которые состоят на вооружении американских подводных лодок, имеют батареи с пластинами из магния и-хлорида серебра, работающие на морской воде и также обладающие повышенными характеристиками.

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.

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.

Реферат

Роль химии в решении энергетических проблем

Введение

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.

1. Зарождение современной химии и ее проблемы в 21 веке

химия общество энергетический

Конец средних веков отмечен постепенным отходом от оккультизма, спадом интереса к алхимии и распространением механистического взгляда на устройство природы.

Ятрохимия.

Совершенно иных взглядов на цели алхимии придерживался Парацельс. Под таким выбранным им самим именем вошел в историю швейцарский врач Филипп фон Гогенгейм. Парацельс, как и Авиценна, считал, что основная задача алхимии - не поиски способов получения золота, а изготовление лекарственных средств. Он заимствовал из алхимической традиции учение о том, что существуют три основные части материи - ртуть, сера, соль, которым соответствуют свойства летучести, горючести и твердости. Эти три элемента составляют основу макрокосма и связаны с микрокосмом, образованным духом, душой и телом. Переходя к определению причин болезней, Парацельс утверждал, что лихорадка и чума происходят от избытка в организме серы, при избытке ртути наступает паралич и т.д. Принцип, которого придерживались все ятрохимики, состоял в том, что медицина есть дело химии, и все зависит от способности врача выделять чистые начала из нечистых субстанций. В рамках этой схемы все функции организма сводились к химическим процессам, и задача алхимика заключалась в нахождении и приготовлении химических веществ для медицинских нужд.

Основными представителями ятрохимического направления были Ян Гельмонт, по профессии врач; Франциск Сильвий, пользовавшийся как медик большой славой и устранивший из ятрохимического учения «духовные» начала; Андреас Либавий, врач из Ротенбурга.

Их исследования во многом способствовали формированию химии как самостоятельной науки.

Механистическая философия.

С уменьшением влияния ятрохимии натурфилософы вновь обратились к учениям древних о природе. На первый план в 17 в. вышли атомистические воззрения. Одним из виднейших ученых - авторов корпускулярной теории - был философ и математик Рене Декарт. Свои взгляды он изложил в 1637 в сочинении Рассуждение о методе. Декарт полагал, что все тела «состоят из многочисленных мелких частиц различной формы и размеров, которые не настолько точно прилегают друг к другу, чтобы вокруг них не оставалось промежутков; эти промежутки не пустые, а наполнены… разреженной материей». Свои «маленькие частички» Декарт не считал атомами, т.е. неделимыми; он стоял на точке зрения бесконечной делимости материи и отрицал существование пустоты.

Одним из виднейших противников Декарта был французский физик и философ Пьер Гассенди.

Атомистика Гассенди была по существу пересказом учения Эпикура, однако, в отличие от последнего, Гассенди признавал сотворение атомов Богом; он считал, что Бог создал определенное число неделимых и непроницаемых атомов, из которых и состоят все тела; между атомами должна быть абсолютная пустота.

В развитии химии 17 в. особая роль принадлежит ирландскому ученому Роберту Бойлю. Бойль не принимал утверждения древних философов, считавших, что элементы мироздания можно установить умозрительно; это и нашло отражение в названии его книги Химик-скептик. Будучи сторонником экспериментального подхода к определению химических элементов, он не знал о существовании реальных элементов, хотя один из них - фосфор - едва не открыл сам. Обычно Бойлю приписывают заслугу введения в химию термина «анализ». В своих опытах по качественному анализу он применял различные индикаторы, ввел понятие химического сродства. Основываясь на трудах Галилео Галилея Эванджелиста Торричелли, а также Отто Герике, демонстрировавшего в 1654 «магдебургские полушария», Бойль описал сконструированный им воздушный насос и опыты по определению упругости воздуха при помощи U-образной трубки. В результате этих опытов был сформулирован известный закон об обратной пропорциональности объема и давления воздуха. В 1668 Бойль стал деятельным членом только что организованного Лондонского королевского общества, а в 1680 был избран его президентом.

Биохимия. Эта научная дисциплина, занимающаяся изучением химических свойств биологических веществ, сначала была одним из разделов органической химии. В самостоятельную область она выделилась в последнее десятилетие 19 в. в результате исследований химических свойств веществ растительного и животного происхождения. Одним из первых биохимиков был немецкий ученый Эмиль Фишер. Он синтезировал такие вещества, как кофеин, фенобарбитал, глюкоза, многие углеводороды, внес большой вклад в науку о ферментах - белковых катализаторах, впервые выделенных в 1878. Формированию биохимии как науки способствовало создание новых аналитических методов.

В 1923 шведский химик Теодор Сведберг сконструировал ультрацентрифугу и разработал седиментационный метод определения молекулярной массы макромолекул, главным образом белков. Ассистент Сведберга Арне Тизелиус в том же году создал метод электрофореза - более совершенный метод разделения гигантских молекул, основанный на различии в скорости миграции заряженных молекул в электрическом поле. В начале 20 в. русский химик Михаил Семенович Цвет описал метод разделения растительных пигментов при прохождении их смеси через трубку, заполненную адсорбентом. Метод был назван хроматографией.

В 1944 английские химики Арчер Мартини Ричард Синг предложили новый вариант метода: они заменили трубку с адсорбентом на фильтровальную бумагу. Так появилась бумажная хроматография - один из самых распространенных в химии, биологии и медицине аналитических методов, с помощью которого в конце 1940-х - начале 1950-х годов удалось проанализировать смеси аминокислот, получающиеся при расщеплении разных белков, и определить состав белков. В результате кропотливых исследований был установлен порядок расположения аминокислот в молекуле инсулина, а к 1964 этот белок удалось синтезировать. Сейчас методами биохимического синтеза получают многие гормоны, лекарственные средства, витамины.

Квантовая химия. Для того, чтобы объяснить устойчивость атома, Нильс Бор соединил в своей модели классические и квантовые представления о движении электрона. Однако искусственность такого соединения была очевидна с самого начала. Развитие квантовой теории привело к изменению классических представлений о структуре материи, движении, причинности, пространстве, времени и т.д., что способствовало коренному преобразованию картины мира.

В конце 20-х - начале 30-х годов XX века на основе квантовой теории формируются принципиально новые представления о строении атома и природе химической связи.

После создания Альбертом Эйнштейном фотонной теории света (1905) и выведения им статистических законов электронных переходов в атоме (1917) в физике обостряется проблема волна-частица.

Если в XVIII-XIX веках имелись расхождения между различными учеными, которые для объяснения одних и тех же явлений в оптике привлекали либо волновую, либо корпускулярную теорию, то теперь противоречие приобрело принципиальный характер: одни явления интерпретировались с волновых позиций, а другие - с корпускулярных. Разрешение этого противоречия предложил в 1924 г. французский физик Луи Виктор Пьер Раймон де Бройль, приписавший волновые свойства частице.

Исходя из идеи де Бройля о волнах материи, немецкий физик Эрвин Шрёдингер в 1926 г. вывел основное уравнение т.н. волновой механики, содержащее волновую функцию и позволяющее определить возможные состояния квантовой системы и их изменение во времени. Шредингер дал общее правило преобразования классических уравнений в волновые. В рамках волновой механики атом можно было представить в виде ядра, окруженного стационарной волной материи. Волновая функция определяла плотность вероятности нахождения электрона в данной точке.

В том же 1926 г. другой немецкий физик Вернер Гейзенберг разрабатывает свой вариант квантовой теории атома в виде матричной механики, отталкиваясь при этом от сформулированного Бором принципа соответствия.

Согласно принципу соответствия, законы квантовой физики должны переходить в классические законы, когда квантовая дискретность стремится к нулю при увеличении квантового числа. В более общем виде принцип соответствия можно сформулировать следующим образом: новая теория, которая претендует на более широкую область применимости по сравнению со старой, должна включать в себя последнюю как частный случай. Квантовая механика Гейзенберга позволяла объяснить существование стационарных квантованных энергетических состояний и рассчитать энергетические уровни различных систем.

Фридрих Хунд, Роберт Сандерсон Малликен и Джон Эдвард Леннард-Джонс в 1929 г. создают основы метода молекулярных орбиталей. В основу ММО заложено представление о полной потере индивидуальности атомов, соединившихся в молекулу. Молекула, таким образом, состоит не из атомов, а представляет собой новую систему, образованную несколькими атомными ядрами и движущимися в их поле электронами. Хундом создаётся также современная классификация химических связей; в 1931 г. он приходит к выводу о существовании двух основных типов химических связей - простой, или ?-связи, и ?-связи. Эрих Хюккель распространяет метод МО на органические соединения, сформулировав в 1931 г. правило ароматической стабильности (4n+2), устанавливающее принадлежность вещества к ароматическому ряду.

Таким образом, в квантовой химии сразу выделяются два различных подхода к пониманию химической связи: метод молекулярных орбиталей и метод валентных связей.

Благодаря квантовой механике к 30-м годам XX века в основном был выяснен способ образования связи между атомами. Кроме того, в рамках квантово-механического подхода получило корректную физическую интерпретацию менделеевское учение о периодичности.

Вероятно, наиболее важным этапом в развитии современной химии было создание различных исследовательских центров, занимавшихся, помимо фундаментальных, также прикладными исследованиями.

В начале 20 в. ряд промышленных корпораций создали первые промышленные исследовательские лаборатории. В США была основана химическая лаборатория «Дюпон», лаборатория фирмы «Белл». После открытия и синтеза в 1940-х годах пенициллина, а затем и других антибиотиков появились крупные фармацевтические фирмы, в которых работали профессиональные химики. Большое прикладное значение имели работы в области химии высокомолекулярных соединений.

Одним из ее основоположников был немецкий химик Герман Штаудингер, разработавший теорию строения полимеров. Интенсивные поиски способов получения линейных полимеров привели в 1953 к синтезу полиэтилена, а затем других полимеров с заданными свойствами. Сегодня производство полимеров - крупнейшая отрасль химической промышленности.

Не все достижения химии оказались благом для человека. При производстве красок, мыла, текстиля использовали соляную кислоту и серу, представлявшие большую опасность для окружающей среды. В 21 в. производство многих органических и неорганических материалов увеличится за счет вторичной переработки использованных веществ, а также за счет переработки химических отходов, которые представляют опасность для здоровья человека и окружающей среды.

2. Роль химии в решении энергетических проблем

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 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.

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+2H2?СH3OH. 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 потреблятся 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 1867 г. 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.

Заключение

Использование атомной энергии позволяет отказаться от природного угля и нефти. Вследствие этого снижаются выбросы продуктов их горения, которые возможно привели бы к «парниковому эффекту «на Земле. Казалось бы, то ничтожно малое (по сравнению с углем и нефтью) количество топлива для АЭС должно быть безопасным, но дело далеко не так, ярким примером может служит авария на ЧАЭС. По-моему, любой способ извлечения энергии (в любом виде) из недр Земли представляет собой совокупность положительных и отрицательных черт, и как мне кажется, преобладают далеко не положительные.

Я рассказала далеко не о всех направлениях решения энергетической проблемы учёными мира, а только об основных. В каждой стране она имеет свои особенности: социально-экономические и географические условия, обеспеченность природными богатствами, уровень развития науки и техники.

с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.