第九章合理使用和節省能源

節能源的概念第二節

化學工業中的能源需求和化學反應中可利用的能量形式第三節優化反應條件，使耗能減小

第四節微波技術第五節超聲技術第六節國外化工節能的成功例子第七節

我國化工節能的形勢與應對措施思考題合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第1頁!節能源的概念一能源的定義

自然資源中存在的某種形式的能，它可轉換成熱門生產和生活所需的電能、光能、機械能、熱能。人類利用能源的四個階段合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第2頁!能源的分類能源一次能源二次能源常規能源新能源電力、煤氣、沼氣、焦炭氧氣、蒸汽、熱水、汽油、柴油、重油酒精、化工產品可再生水利能不可再生化石燃料、石油核燃料可再生太陽能、風能不可再生核聚變能合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第3頁!二能源與環境問題城市大氣污染溫室效應水體熱污染固體廢物合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第4頁!三中國能源的利用與保護充分利用能源，減少浪費以生態學原理解決能源問題合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第5頁!核能合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第6頁!合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第7頁!

第二節化學工業中的能量需求和化學反應

中可利用的能量形式

和化學反應

中可利用的能量形式

一、化學工業中的能量需求1.提供反應所需能量2.用熱能加速化學反應3.用冷卻的方法控制反應4.分離需要能量合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第8頁!

2.用熱能加速化學反應

從動力學角度看，為了使某些反應進行的比較快，往往需要提供一定的熱量用以克服活化能。這類反應可以通過選擇合適的催化劑來降低反應活化能，從而降低反應發生所需的初始熱量。

合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第9頁!

4.分離需要能量

化工過程中的分離、提純是一個相當消耗能量的步驟。通常的分離步驟如蒸餾、重結晶等都需要能量的投入。因此化學家在設計反應過程時，應將分離步驟所需的能量，不管是熱能、電能或其它形式的能量降至最低，這也是能量需求對環境、經濟影響的要求

合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第10頁!1、熱能合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第11頁!

這兩方面的問題用維生素B12催化的電還原方法可完全避免。利用天然、無毒、手性的維生素B12為催化劑的電催化反應，可產生自由基類中間體，從而實現在溫和中性條件下的自由基環化反應合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第12頁!例如:可見光條件下的二硫代保護基團的感光裂解

合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第13頁!

5、聲納

某些類型的反應，如環加成反應、周環反應等，可被超聲波催化，利用這一技術，化學反應的環境條件大為改變，但是針對每一個具體反應，需視其獲得目標產物的效率而定。

合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第14頁!第四節微波技術

微波是指頻率在300MHz-300GHz范圍的電磁波。微波對許多有機合成反應的速度影響十分顯著，較常規方法能增加幾倍、幾十倍、甚至上千倍。同時，微波對化學反應體系不產生污染，微波化學技術屬于清潔技術。對于微波加快化學反應速度的解釋，一般認為微波是一種內加熱，受熱體系溫度均勻，無滯后效應，同時電磁場直接作用于反應物分子，改變了反應歷程，降低了反應活化能。以無機固體物為載體的有機合成反應，除上述優點外，還具有操作簡便，溶劑用量少，產物易于分離純化，產率高等特點，成為化學合成工作者研究的熱點。

合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第15頁!又如，光合作用的模擬一直是各國科學工作者的奮斗目標，近來，J.K.S.Wan等利用微波誘導催化法模擬光合作用，取得了可喜的成果。他們采用一種傳輸線反應器，微波功率為3kW，頻率2450MHz，催化劑為負載型Ni/NiO催化劑，在H2–He氣氛中400℃下處理5-6h，當CO2和水蒸氣摩爾比為1:2.5的混合氣在反應器中通過并平衡20-30min，其產物經色譜分析為CH455.1%，C2H60.3%，CH3OH5.5%，CH3COCH334.7%，C3醇5.8%，C4醇28.4%。

合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第16頁!在聲化學條件下，產率達100%，而常規攪拌反應產率僅為5%。例如:Grignard試劑和α，β-不飽和二氧戊環的反應

合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第17頁!第六節國外化工節能的成功例子

1

美國氰氨公司開發的苯絕熱硝化工藝已經工業化,該工藝和傳統工藝相比成本下降30%,節能大約90%。傳統的等溫連續硝化工藝是用反應器內的冷卻盤管除去反應熱,使反應器的溫度保持恒定,必須蒸發水以保持廢酸濃度,因而耗費大量能量。新的絕熱硝化工藝,是在大量硫酸存在下對苯進行硝化反應。

合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第18頁!隔膜老法無隔膜新法

陽極PbCd

陰極ωＰｂ=99%,ωＡｇ=1%碳鋼

隔膜離子交換膜無

極間距/mm7.11.8

溫度/℃5055

電流密度/A.dm-24520

耗電量/kW.h.kg-16.62.42新舊工藝參數比較見下表合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第19頁!

利用的方法：一是:用回流水的位能來驅動水輪發電機以產生電能,然后再用電能來驅動水泵抽吸清水,此法能量利用率不到40%；二是:用回流水的位能來驅動水輪機,由它帶動水泵,能量利用率為40%-60%；三是:“流體位能交換法”,是根據虹吸原理,直接把一次流體(回流水)的位能轉化為二次流體(清水)的位能,能量利用率達85%-90%。合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第20頁!第七節

我國化工節能的形勢

與應對措施

1.我國能源的人均儲量較低

2.我國化工行業的能源利用率太低3.我國化工行業應采取的的節能措施

（1）化肥工業應該研究制訂以天然氣代替煤炭生產合成氨的國家政策

（2）加強國家宏觀調控

（3）加快淘汰不符合經濟規模的工廠和落后的工藝、技術、設備

合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第21頁!1.我國能源的人均儲量較低

中國的能源從長遠看還是很短缺的，中國煤炭儲量占世界總儲量11%，人均占世界平均水平的51%；石油儲量占世界2.4%，人均占世界平均水平的11%；天然氣儲量占世界1.2%，人均占世界平均水平的5%。

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3.我國化工行業應采取的的節能措施

（1）化肥工業應該研究制訂以天然氣代替煤炭生產合成氨的國家政策

我國合成氨生產約占化學工業總能耗的50%。要擺脫目前全行業能源利用率低、產品成本高、缺乏競爭力的局面，必須將以天然氣為原料生產合成氨，作為一項長期發展戰略。建設一個年產30萬噸的合成氨裝置，以天然氣為原料的投資比以煤為原料的要省50%，比以油為原料的要省30%；從能源消耗上比，噸氨產品能耗，以天然氣為原料的最低，比煤焦為原料的節省600公斤標煤，比油為原料的節省200公斤標煤；所排放的有害氣體也是最低的。合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第23頁!

（3）加快淘汰不符合經濟規模的工廠和落后的工藝、技術、設備

從經濟規模上看，如合成氨年產4萬噸以下的工廠、純堿廠凡年生產能力小于20萬噸氨堿法工廠和年生產能力小于8萬噸聯堿法廠、電石生產年產2萬噸以下電石爐、燒堿年產1萬噸以下的工廠、黃磷年產1萬噸以下的工廠，均應淘汰或通過技術改造，擴大生產能力。

合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第24頁!能源品位評價

能源消耗需求量的計算

標準煤：是指每千克能源發出29.3×106J的熱量。中國能源結構特點

(1)能源豐富人均消費少，浪費嚴重(2)能源構成以煤為主(3)工業部門消耗能源占很大比重(4)農村能源短缺，以生物質能為主(5)能源資源分布不合理合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第25頁!沙塵籠罩下的呼和浩特五塔寺(2001年6月14日)合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第26頁!四新能源簡介太陽能合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第27頁!其他新能源合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第28頁!人類的生產與生活離不開能源，然而地球上的能源并不是取之不盡用之不竭的，同時能源的使用也會對環境產生很大的影響。工業發達國家是世界能源消費的大國，特別是美國，其消耗的能源約占世界能源消耗總量的四分之一。而在工業化國家中，化學工業是消耗能源最大的。為了實現經濟和社會的可持續發展，必須在化學工藝的設計過程中充分考慮能量的節約與最佳利用。合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第29頁!

1.提供反應所需能量

化學反應總是伴隨著熱量的吸收或放出。從熱力學角度看，對于吸熱反應，需要持續加熱以使反應進行完全。事實上，化學反應通常是將原料和試劑一起在溶劑中加熱回流，直至反應完全。至于一個反應到底需要多少熱能或其它能量，過去卻沒有分析過。綠色化學要求化學工程師必須考慮能量的需求因素，以使化學過程更為有效

合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第30頁!

3.用冷卻的方法控制反應

對于放熱反應，有時為了防止反應放熱太劇烈需要用冷卻的方法對其進行控制，這對于提高轉化率也是必要的。在化學品生產過程中，為防止反應失控而引發事故，也需要降低反應的速率。無論加熱還是冷卻，均需要消耗能量，故需要較大的費用并對環境產生影響

合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第31頁!二

化學反應中可利用

的能量形式

1.熱能

2.電能3.光能4.微波5.聲納

合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第32頁!2、電能

除熱能外，電能是應用較多的一種。電化學過程是清潔技術的重要組成部分。由于電解一般無須使用危險或有毒試劑，通常在常溫常壓下進行，在清潔合成中具有獨特的魅力。自由基反應是有機合成中一類非常重要的碳-碳鍵形成反應，實現自由基環化的常規方法是使用過量的三丁基錫烷。這樣的過程不僅原子利用率低，而且使用和產生有毒的難以除去的錫試劑。

合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第33頁!3、光能

運用環境友好的光化學反應來替代一些需用有毒試劑的化學反應是近年來研究較多的課題。Epling等人就致力于尋找二硫烷、芐基醚氧化的替代反應。合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第34頁!4、微波

在許多情況下，微波技術顯示了極大的優勢，即不需要持續加熱來使反應進行。而且在固體狀態下的微波反應避免了在有溶劑的反應中溶劑所需的額外的加熱。微波協同萃取在環境樣品的有機氯化合物的檢測中顯示出很大的優越性。在微波條件下的萃取不需要熱能，萃取時間短，且萃取更完全。

合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第35頁!第三節優化反應條件，使耗能減小

在一個合成反應路線被證明可行時，化學家往往要去優化它。通常，“優化”是指提高產率或轉化率，并不“考慮”上述能量因素的優化，而將能量平衡的問題留給了負責工藝過程的工程師。然而，能量的使用也像有毒有害物質的使用、廢物的產生等問題一樣，應當成為化學家設計反應時關注的對象。在可能的情況下，化學家應考慮如何將能耗降到最小，這往往需要通過對反應體系的設計、調整和優化才能實現。例如化學工業中耗能最大的是凈化與分離過程，若能設法減少分離操作步驟，則可以節約很多能量合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第36頁!例如，2-甲基-1，3-戊二烯與乙醛酸酯在苯溶劑中的反應合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第37頁!第五節超聲技術

超聲技術應用于化學合成，能夠改變反應歷程，提高反應的選擇性；加快反應速率，降低能耗和減少廢物的排放。超聲化學技術是一種安全無害的綠色技術。

合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第38頁!再如光致變色螺比喃的制備在聲化學反應條件下反應15min，產率達91%，而常規攪拌反應7天，產率僅為60%合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第39頁!硝化熱和稀釋熱被硫酸吸收,并且采用真空閃蒸法把酸濃縮,這就大大地減少了冷卻和脫水過程的能耗。

采用節能裝置,可有效地抑制能量損失,孟山都公司改進丙烯腈電解制己二腈工藝,取消電解槽隔膜,開發出乳液法就是一個很好的例子:2CH2=CHCN+2H2+2e==NC(CH2)4CN合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第40頁!

當前單位化工產品的能量消耗水平已成了衡量化學工業現代化水平的主要指標之一,而且是影響成本的關鍵,日本的能量利用效率達57%,在世界各國中居首位,這除了日本制訂嚴格的節能法規外,積極采用節能新技術也是一個重要因素。如利用回流水位能的抽吸泵。化工廠用水量很大,必須用水泵從水源中抽吸大量清水,大量的清水在工藝過程中成了具有一定位能的回流水。

3合理使用和節省能源共46頁，您現在瀏覽的是第41頁!

又如，日本科技人員設計出構思巧妙的能量自給平衡的化學反應器。化學反應離不開加熱和冷卻,把放熱系統和加熱系統結合起來是化工節能的有效途徑。設計制造的一種能量自給平衡的化學反應裝置,用于順丁橡膠