Спосіб відбору тепла екзотермічної реакції суміші компонентів

Реферат: Спосіб відбору тепла екзотермічної реакції суміші компонентів, що включає хімічно реагуючі компоненти, причому утворене тепло екзотермічної реакції суміші компонентів знаходиться в закритому контрольованому (температура, тиск) об'ємі, яке під тиском по трубопроводу як теплоносій транспортується до накопичувальної ємності, звідки через колектор і систему трубопроводів відводиться об'єктам споживання. UA 81344 U (12) UA 81344 U UA 81344 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель стосується альтернативних видів енергії і може бути використана в об'єктах споживання різних галузей виробництва і соціально-побутових потреб. Авторам відоме використання альтернативних видів енергії - вітрової, сонячної, геотермальної, морських хвиль, біоенергії і т. ін. Їх впровадження стосується головним чином децентралізованих об'єктів споживання, проте вони дають невелику, але вкрай необхідну долю енергії, зменшуючи, таким чином, загальне енергетичне і фінансове навантаження на енергосистему країни, яка функціонує на екологічно небезпечних нафті, природному газі, вугіллі, а також атомній енергії. Тому пошук і розширення використання нових альтернативних видів енергії є державною проблемою. Одним із альтернативних видів енергії може бути використання тепла екзотермічних реакцій компонентів. Авторам відомі екзотермічні реакції: 1) згорання вугілля з виділенням значної кількості тепла: С(тв)+О2(газ) → СО2(газ)+402 кДж. Для виникнення реакції на початковій стадії потребується побічне джерело загорання. Основним недоліком використання як палива вугілля є виділення в атмосферу значної кількості СО2, миш'яку, ртуті, ванадію, кадмію, берилію і цирконію, олова. Вугілля різних родовищ містить від 50 до 500 мг небезпечної ртуті на кожну тону. Сучасна електростанція потужністю 1 млн. кВт, що працює на вугіллі, спалює за добу близько 1000 т вугілля і викидає до 1 кг ртуті в атмосферу [1]. Тому гостро стоїть питання екологічної безпеки довкілля; 2) згорання метану в кисні з виділенням великої кількості тепла: СН4(газ)+О2(газ) → СО2(газ)+2Н2О+890 кДж. Початок реакції потребує побічного джерела загорання. Реакція може йти навіть з вибухом, так багато енергії полягає у цьому перетворенні. При згоранні виділяється значна кількість СО 2, що негативно впливає на довкілля. Управління такою реакцією дороге і відповідальне, тому що потребує надійного обладнання, контролю за ходом реакції, забезпечення екобезпеки; 3) аналогічні проблеми потрібно вирішувати і для екзотермічної реакції згорання водню в кисні по обладнанню і екобезпеці: 2Н2(газ)+О2(газ)  2Н2О+572 кДж. Крім того, для промислового використання процес одержання кінцевого продукту води буде дорогим; 4) реакція між металевим алюмінієм і оксидом заліза: 2Al(тв)+Fe2O3(тв)  Al2О3(тв)+2Fe(тв)+851 кДж. Потребує електричної іскри для ініціювання реакції. Вона також може іти з вибухом, через утворення великої кількості енергії. Реакція потребує надійного обладнання і контролю за процесом, забезпечуючи екобезпеку довкілля; 5) реакція одержання сульфату натрію з використанням сірчаної кислоти: 2NaOH+H2SO4 → Na2SO4+2Н2О+131 кДж. Реакція дуже "агресивна" по відношенню до обладнання, в якому йде процес з врахуванням тепла, що виділяється. Тому існують гострі проблеми з вибором корозійностійкого спецобладнання, екобезпекою і кошторисом. Відомий приклад використання тепла екзотермічної реакції: для одержання Mg+Cl2, oдночacно для свердловин, у при вибійній зоні пласта яких відбувається відкладення смол, парафінів і асфальтенів, що погіршує контакт кислоти з поверхнею порових каналів. З цією метою використовують термокислотні або термохімічні оброблення [2]. Термохімічне оброблення - це вплив на при вибійну зону пласта гарячою кислотою, що нагрівається за рахунок теплового ефекту екзотермічної реакції металевого магнію з солянокислотним розчином: Мg+2НСl+Н2O → МgСl2+Н2O+H2+470 кДж. Для розчинення 1 кг магнію необхідно 18,6 л НСl 15-% концентрації, при цьому виділяється 18,9 МДж теплоти. Вся кислота перетворюється в нейтральний розчин хлористого магнію з температурою більше 300 °C, тому необхідно розчиняти магній в значно більшому об'ємі кислоти, щоб на його розчинення витрачалася тільки частина активної кислоти. Оптимальне співвідношення 70-100 л НСl 15 %-вої концентрації для розчинення 1 кг магнію за розрахункової температури на виході з наконечника термореактора від 75 до 80 °C і залишкової концентрації кислоти 11-12,2 %. Проведення термокислотної обробки з використанням термореактора супроводжується значними термовитратами на підігрівання реактора, насосно-компресорних труб, стовбура свердловини, високою корозійною активністю гарячого розчину НСl. Крім того, спеціальне корозійностійке обладнання і технічні умови відбору тепла при проведенні термокислотної 1 UA 81344 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 обробки у при вибійній зоні пласта, тривалість процесу, складний технічний контроль за станом обладнання і відбором тепла, особливо на початковій стадії, географічне розташування свердловин від об'єктів споживання тепла, викликає економічні і технічні труднощі в можливості використання цієї екзотермічної реакції для відбору тепла об'єктам споживання. Відоме використання екзотермічної реакції для одержання повітряного і гідравлічного вапна. [3-7]. Повітряне вапно утворюється із порід, що вміщують мінімальну кількість глинистих домішок (до 6 %), а гідравлічне - із мергелястих вапняків, тобто вапняків, що вміщують більше 6 % глинистих домішок. При випалі вказаних порід спостерігається декарбонізація по реакції: СаСО3  СаО+СO2, МgСO3 → МgО+СO2. Одержане після випалу комове вапно або подрібнюється у дрібний порошок (молоте вапнокипілка), або гаситься водою (змішується з нею). При дії води на кипілку остання з'єднується з нею по реакції: СаО+Н2O  Са(ОН)2+15,54 ккал (65,1 кДж). Ця реакція екзотермічна і супроводжується значним виділенням тепла, що складає 15,54 ккал (65,1 кДж) на кілограм-молекулу СаО або Са(ОH)2, тобто 276,5 ккал (1131,3 кДж) на 1 кг кипілки, або 20,95 ккал (87,99 кДж) на 1 кг порошка гашеного вапна. Теоретична витрата води на гасіння вапна складає 32,13 % від маси негашеного вапна [6]. Проте гасити вапно такою кількістю води практично неможливо, тому що частина води випаровується. Щоб отримати сухе вапно, кількість води беруть з таким розрахунком, щоб надлишок її випаровувався за рахунок тепла гасіння вапна. Внаслідок виділення тепла вапно під час гасіння розігрівається, особливо тоді, коли гасіння ведуть в закритому апараті або з невеликою кількістю води [4]. Воду добавляють до вапна повільно, поступово, не дозволяючи її охолодження. Гідратне вапно з невеликою вологою називають пушонкою. Вона утворюється, якщо для гасіння вапна беруть приблизно до 70 % води від маси вапна. При вживанні більше 250 % води для гасіння вапна одержують вапняне тісто, а при подальшому збільшення кількості води вапняне молоко. Для повного гасіння вапна необхідно протримати вапняне тісто не менше двох тижнів. Слід мати на увазі, що для оптимізації реакції гасіння потрібно намагатись підвищити парціальний тиск водяних парів і уникати надмірного підвищення температури. Якщо кількості води взятої для гасіння, недостатньо, то температура вапна може різко підвищуватися, але не вище 547 °C, тому що при цій температурі наступає реакція дегідратації одержаного гідроксиду кальцію: Ca(OH)2  CaO+Н2O. Гасіння вапна в пушонку в промислових умовах виконують на будівельних площадках або механізованим способом. На будівельних площадках вапно можна гасити обприскуванням або ж тимчасовим занурюванням у воду. Проте вказані способи через велику трудомісткість використовують для одержання невеликого об'єму вапна-пушонки. Механізоване виробництво вапна-пушонки в порівнянні з ручним способом має ряд переваг: по-перше, із машини пушонка випускається тільки гідратна, по-друге, пушонку транспортують в мішках, що допомагає кращому її зберіганню, і, по-третє, на будівельний майданчик вона надходить в готовому вигляді. Найпростішим видом безперервного діючого гідрату є гасильний шнек, який являє собою закритий жолоб, всередині якого обертається лопатевий гвинт. Подрібнене негашене вапно надходить в гасильний шнек через завантажувальну воронку, а вода через боковий отвір шнека або через порожнистий вал. По мірі гасіння вапно перемішується і вивантажується в кінці шнека. Доцільно відзначити, що гашене вапно в промисловості, як найдешевший луг широко використовується не менше, ніж в 100 різних підприємств, користується великим попитом. Так, воно споживається для очищення стічних вод, в цукроварінні, при приготуванні соди і їдкого натрію (натру), аміаку, хлористого вапна, паперу з метою відбілювання і фарбування тканин. Але найбільш давнім і відомим способом використання вапна як в'яжучого для будівельних цілей. Отже, особливістю використання тепла екзотермічної реакції у останньому прикладі створення умов для одержання матеріалу - гашеного вапна. Але утворене тепло екзотермічної реакції гасіння вапна, маючи значний енергетичний потенціал, виконує в наведених прикладах лише цільове призначення, в той час, як кількість тепла, що виділяється в керованій реакції, 2 UA 81344 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 дозволяє розширити і скерувати його для об'єктів споживання різних галузей виробництва і побуту. Для вирішення можливості використання тепла в різних сферах діяльності людини потрібно розробити спосіб відбору тепла екзотермічної реакції суміші компонентів для об'єктів споживання. Цей спосіб має мати загальну схему відбору для існуючих екзотермічних реакцій, адже останніх у природі велика кількість і умови їх використання, призначення і здійснення різні, але основні моменти відбору тепла ідентичні - засіб відбору тепла і шлях його транспортування до об'єкту споживання. Отже, в основу корисної моделі поставлено задачу - визначення загальної схеми відбору тепла екзотермічної реакції суміші компонентів і транспортування його до об'єктів споживання. Поставлена задача вирішується тим, що утворене тепло екзотермічної реакції суміші компонентів знаходиться в закритому контрольованому (температура, тиск) об'ємі, яке під тиском по трубопроводу транспортується до накопичувальної ємності, звідки через колектор і систему трубопроводів відводиться об'єктам споживання. Згідно з корисною моделлю, необхідною умовою руху теплоносія є поступове зниження тиску руху теплоносія в ряду: закритий контрольований об'єм → накопичувальна ємність  колектор  об'єкти споживання. В описі приведена схема способу відбору тепла екзотермічної реакції гасіння вапна для одержання гашеного вапна: СаО+Н2O → Са(ОН)2+65,1 кДж Розрахункову кількість суміші негашеного вапна-кипілки і води завантажують в закритий контрольований (температура, тиск) об'єм 1. По мірі проходження екзотермічної реакції суміші компонентів тепло, що виділяється, транспортуватиметься як теплоносій в накопичувальний об'єм 2. Із нього теплоносій скеровується трубою в колектор 3 по розподілу теплоносія, а далі через систему трубопроводів теплоносій відводиться до об'єктів споживання 4. 1 - контрольований (температура, тиск) об'єм; 2 - накопичувальний об'єм; 3 - колектор по розподілу теплоносія; 4 - об'єкти споживання. Здобутком запропонованого способу відбору тепла з використанням тепла екзотермічної реакції є те, що поряд з отриманням відомого по реакції кінцевого цільового продукту - гашеного вапна виникає перспектива відбору тепла, що виділяється по реакції, для транспортування спектру об'єктів споживання галузей виробництва і соціально-побутових потреб. Слід зазначити, що вибір конкретної екзотермічної реакції для промислового використання залежить від: енергоємності і тривалості процесу, контрольованості реакції, герметичності і надійності обладнання, в якому виконується процес, активності корозійного впливу реакції складових компонентів суміші на використовуване обладнання, а також еколого-економічної доцільності вибраної реакції. Адже використання "мирного" атому (атомна енергетика), виникнення парникового ефекту при спалюванні вугілля, нафти і нафтопродуктів створюють загрозу довкіллю і здоров'я людства. Тому можливість, завдяки технічному прогресу, вибору із існуючого числа екзотермічних реакцій найбільш ефективної (ефективних) реакції (реакцій), яка б відповідала високому рівню безпеки, а не виробленні енергії будь якою ціною, дозволяє запропонованому способу відбору тепла екзотермічної реакції досягнути оптимальної екологоекономічної можливості, бути прогресивним і новим альтернативним видом енергії. Вказані технічні ознаки дають можливість використання запропонованого технічного рішення в спектрі об'єктів споживання галузей виробництва і соціально-побутових потреб, що забезпечує йому відповідність критерію "промислова придатність". Джерела інформації: 1. С.І. Доргунцов, К.Ф. Коценко та інші. Екологія: Навч.-методич. посібник; для самост. вивч. дисц. - К.: КНЕУ, 1999.-152 с, - С. 39-40. 2. О.І. Акульшин, О.О. Акульшин, В.С. Бойко, В.М. Дорошенко, Ю.О. Зарубін. Технологія видобування, зберігання і транспортування нафти і газу: Навчальний посібник. - ІваноФранківськ: Факел, 2003.-434 с. - С. 271-273. 3 UA 81344 U 5 10 3. Проф. В.А. Кинд и доц. С.Д. Окороков. Строительные материалы. Ленинград - Москва. ОНТИ – ГОССТРОЙИЗДАТ 1934.-684 с, - С. 212-223. 4. Б.Г. Скрамтаев, Н.А. Попов, Н.А. Герлианов, Г.Г. Мудров. Строительные материалы. 6-ое переработаное издание. М.: Промстройиздат, 1954, 629 с, - С. 129-135. 5. И.Я. Слободянин. Строительные материалы и изделия. Второе переработаное издание. Киев: ГОСТЕХИЗДАТ, 1957, 515 с, - С. 204-205. 6. Л.Г. Мельниченко, Б.П. Сахаров, Н.А. Сидоров. Технология силикатов под. ред. проф. М.А. Матвеева. М.: Высшая школа, 1969, 360 с, - С. 16-17. 7. Б.В. Сысоев, А.С. Щербаков, Л.В. Голованова. Строительные материалы. -М.: Леси, промышленость, 1980, 192 с, - С. 46-48. 8. В.Н. Кропотов, А.Г. Зайцев, Б.И. Скавронский. Строительные материалы. - М.: Высшая школа, 384 с, - С. 128-129. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 1. Спосіб відбору тепла екзотермічної реакції суміші компонентів, що включає хімічно реагуючі компоненти, який відрізняється тим, що утворене тепло екзотермічної реакції суміші компонентів знаходиться в закритому контрольованому (температура, тиск) об'ємі, яке під тиском по трубопроводу як теплоносій транспортується до накопичувальної ємності, звідки через колектор і систему трубопроводів відводиться об'єктам споживання. 2. Спосіб відбору тепла за п. 1, який відрізняється тим, що необхідною умовою руху теплоносія є поступове зниження тиску руху теплоносія в ряду: закритий контрольований об'єм  накопичувальна ємність  колектор → об'єкти споживання. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4