丙酮-水化工原理課程設(shè)計(jì)

.設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介1.1設(shè)計(jì)方案的確定本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離丙酮—水混合物提純丙酮，采用連續(xù)精餾塔提純流程。設(shè)計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液通過(guò)預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲(chǔ)罐。該物系屬易分離物系，回流比較小，故操作回流比取最小回流比的1.5倍。塔釜采用直接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲(chǔ)罐。1.2操作條件和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)料中丙酮含量（質(zhì)量分率）35%；產(chǎn)品中丙酮含量（質(zhì)量分率）99%；塔釜中丙酮含量（質(zhì)量分率）不大于0.04；進(jìn)料量F=2000kg/h；操作壓力塔頂壓強(qiáng)為常壓進(jìn)料溫度泡點(diǎn)；1.3工藝流程圖圖1：精餾裝置流程示意圖2.精餾塔的物料衡算2.1原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率丙酮的摩爾質(zhì)量MA=58.08kg/kmol水的摩爾質(zhì)量MB=18.02kg/kmolxF==0.143xD==0.968xW==0.0132.2原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量MF=0.143×58.08+（1-0.143）×18.02=23.75kg/kmolMD=0.968×58.08+（1-0.968）×18.02=56.80kg/kmolMW=0.013×58.08+（1-0.013）×18.02=18.54kg/kmol2.3物料衡算原料進(jìn)料量為2000kg/hF=2000/27.51=72.70kmol/h總物料衡算72.70=D+W丙酮的物料衡算72.70×0.143=0.968D+0.013W聯(lián)立解得D=9.90W=62.80

3.塔板數(shù)的確定3.1理論塔板數(shù)NT的求取3.1.1求最小回流比及操作回流比丙酮-水是非理想物系，先根據(jù)丙酮-水平衡數(shù)據(jù)（見(jiàn)下表1），繪出平衡線(xiàn)，如下圖所示。表1丙酮—水系統(tǒng)t—x—y數(shù)據(jù)沸點(diǎn)t/℃丙酮摩爾數(shù)xy10000920.010.27984.20.0250.4775.60.050.6366.90.10.75462.40.20.81361.10.30.83260.30.40.84259.80.50.85159.20.60.86358.80.70.87558.20.80.89757.40.90.93556.90.950.96256.70.9750.97956.511由表1數(shù)據(jù)可作出t-y（x）圖如下由表1數(shù)據(jù)作出相平衡y-x線(xiàn)圖由，得由表計(jì)算得：α1=38.31α8=5.71α2=34.58α9=4.20α3=32.35α10=3α4=27.59α11=2.18α5=17.39α12=1.60α6=11.56α13=1.33α7=7.99α14=1.20所以α==7.055得出相平衡方程：y=泡點(diǎn)進(jìn)料，所以q=1，xe=xF=0.143代入相平衡方程，得到y(tǒng)e=0.541所以Rmin1.073初步取實(shí)際操作回流比為理論回流比的1.5倍即R=1.5Rmin=1.5×1.073=1.613.1.2求精餾塔的氣、液相負(fù)荷Lkmol/hVkmol/hLkmol/hVkmol/h3.1.3求操作線(xiàn)方程精餾段操作線(xiàn)方程為y提餾段操作線(xiàn)方程為y3.1.4捷算法求理論板層數(shù)求最少理論塔板數(shù)Nmin和NminlNminNminl捷算法求理論塔板數(shù)由解得N=13.5（包括再沸器），取14塊根據(jù)式得，取10塊所以加料板可設(shè)在第10塊。3.2求取塔板的效率用奧康奈爾法()對(duì)全塔效率進(jìn)行估算：根據(jù)丙酮—水系統(tǒng)t—x(y)圖可以查得：（塔頂?shù)谝粔K板)x1=0.81設(shè)丙酮為A物質(zhì)，水為B物質(zhì)所以第一塊板上：xA=0.81xB=0.19可得：(加料板)xF=0.143yF=0.541假設(shè)物質(zhì)同上：yA=0.541xA=0.143yB=0.459xB=0.857可得：(塔底)xW=0.013yW=0.085假設(shè)物質(zhì)同上：yA=0.085xA=0.013yB=0.915xB=0.987可得：所以全塔平均揮發(fā)度：α=7.055精餾段平均溫度：查物性常數(shù)表(如表2)：表2.水和丙酮的性質(zhì)溫度5060708090100水粘度mPa0.5920.4690.400.330.3180.248丙酮粘度mPa0.260.2310.2090.1990.1790.160水表面張力67.766.064.362.760.158.4丙酮表面張力19.518.817.716.315.214.3相對(duì)密度0.7600.7500.7350.7210.7100.699水密度998.1983.2977.8971.8965.3958.4丙酮密度758.56737.4718.68700.67685.36669.9260.55時(shí)，μ水=0.469mPa·sμ丙酮=0.231mPa·s所以查85時(shí)，丙酮-水的組成所以同理可得：提留段的平均溫度查表可得在77.3時(shí)3.3求實(shí)際塔板數(shù)由得，實(shí)際塔板數(shù)為30塊精餾段實(shí)際板層數(shù)N，取22塊提餾段實(shí)際板層數(shù)N，取9塊

4.精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算4.1操作壓力計(jì)算塔頂操作壓力：；每層塔板壓降：；進(jìn)料板的壓力：；塔底的壓力：（1）精餾段平均壓力：（2）提餾段平均壓力：4.2操作溫度計(jì)算塔頂溫度進(jìn)料板溫度塔底溫度（1）精餾段平均溫度為：（2）提餾段平均溫度為：4.3平均摩爾質(zhì)量的計(jì)算塔頂平均摩爾質(zhì)量：由，查平衡曲線(xiàn)（x-y圖），得進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量：由，查平衡曲線(xiàn)（x-y圖），得塔底平均摩爾質(zhì)量：由，查平衡曲線(xiàn)（x-y圖），得（1）精餾段平均摩爾質(zhì)量：（2）提餾段平均摩爾質(zhì)量：4.4平均密度的計(jì)算4.4.1氣相平均密度計(jì)算由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算，（1）精餾段氣相平均密度為：kg/（2）提餾段氣相平均密度為：kg/4.4.2液相平均密度計(jì)算液相平均密度依下式計(jì)算，即塔頂液相平均密度：由，查表2得，進(jìn)料板液相平均密度：由，查表2得，進(jìn)料板液相的質(zhì)量分率塔底液相平均密度：由，查表2得，（1）精餾段液相平均密度為（2）提餾段液相平均密度為：4.5液體平均表面張力計(jì)算液相平均表面張力依下式計(jì)算，即塔頂液相平均表面張力：由，查表2得，進(jìn)料板液相平均表面張力：由，查表2得，塔底液相平均表面張力：由，查表2得，（1）精餾段液相平均表面張力為：（2）提餾段液相平均表面張力為：4.6液體平均黏度計(jì)算液相平均粘度依下式計(jì)算，即塔頂液相平均粘度：由，查表2得，解出進(jìn)料板液相平均粘度：由，查表2得，解出塔底液相平均粘度：由，查表2得，解出(1)精餾段液相平均粘度為：(2)提餾段液相平均粘度為：

5.精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算5.1塔徑的計(jì)算5.1.1精餾段塔徑的計(jì)算精餾段的氣、液相體積流率為m3/sm3/s由式中C由式計(jì)算，式中C20由圖3（史密斯關(guān)系圖）查得，圖3史密斯關(guān)系圖圖的橫坐標(biāo)為取板間距，板上液層高度，則查圖（史密斯關(guān)系圖）得取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為m/sm按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為D=0.4m塔截面積為m2實(shí)際空塔氣速為m/s5.2精餾塔有效高度的計(jì)算精餾段有效高度為m提餾段有效高度為m故精餾塔的有效高度為m5.3精餾塔的高度計(jì)算實(shí)際塔板數(shù)進(jìn)料板數(shù)；由于該設(shè)計(jì)中板式塔的塔徑，無(wú)需設(shè)置人孔進(jìn)料板處板間距；；為利于出塔氣體夾帶的液滴沉降，其高度應(yīng)大于板間距，故選取塔頂間距；塔底空間高度封頭高度；裙座高度。故精餾塔的總高度為15.33m

6.塔板主要工藝尺寸的計(jì)算6.1溢流裝置計(jì)算因?yàn)樗?.4m，一般場(chǎng)合可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤(pán)。各項(xiàng)計(jì)算如下：6.1.1堰長(zhǎng)lw取m6.1.2溢流堰高度hw由選用平直堰，堰上液層高度hOW由下式計(jì)算，即近似取E=1，則0.0063m取板上清液層高度故m6.1.3弓形降液管寬度Wd和截面積Af由查圖4（弓形降液管的參數(shù)），得故依式【4】驗(yàn)算液體在降液管中停留的時(shí)間，即故降液管設(shè)計(jì)合理。6.1.4降液管底隙高度ho取則故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。選用凹形受液盤(pán)，深度6.2塔板布置6.2.1塔板的選取因?yàn)?，故塔板采用整塊式。6.2.2邊緣區(qū)寬度確定取，6.2.3開(kāi)孔區(qū)面積計(jì)算開(kāi)孔區(qū)面積按下式計(jì)算，即其中故0.09m26.2.4篩孔計(jì)算及其排列本次所處理的物系無(wú)腐蝕性，可選用碳鋼板，取篩孔直徑。篩孔按正三角形排列，取孔中心距t為篩孔數(shù)目n為個(gè)開(kāi)孔率為氣體通過(guò)閥孔的氣速為m/s

7.篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算7.1塔板降7.1.1干板阻力hc計(jì)算干板阻力hc由下式計(jì)算，即由，查圖5（干篩孔的流量系數(shù)圖）圖5干篩孔的流量系數(shù)圖得，故m液柱7.1.2氣體通過(guò)液層的阻力hl計(jì)算氣體通過(guò)液層的阻力hl由下式計(jì)算，即圖6充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖查圖6（充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖）得：故m液柱7.1.3液體表面張力的阻力hσ計(jì)算液體表面張力所產(chǎn)生的阻力hσ由下式計(jì)算，即氣體通過(guò)每層塔板的液柱高度hp可按下式計(jì)算，即氣體通過(guò)每層塔板的壓降為（設(shè)計(jì)允許值）7.2液面落差對(duì)于篩板塔，液面落差很小，且本次的塔徑（）和液流量（）均不大，故可以忽略液面落差的影響。7.3液沫夾帶液沫夾帶量由下式計(jì)算，即故故在本次設(shè)計(jì)中液沫夾帶量eV在允許范圍內(nèi)。7.4漏液對(duì)篩板塔，漏液點(diǎn)氣速可由下式計(jì)算，即實(shí)際孔速穩(wěn)定系數(shù)為故在本次設(shè)計(jì)中無(wú)明顯漏液。7.5液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高Hd應(yīng)服從下式的關(guān)系，即丙酮-水物系屬一般物系，不易發(fā)泡，故安全系數(shù)取，則而板上不設(shè)進(jìn)口堰，hd可由下式計(jì)算，即故在本次設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象。

8.塔板負(fù)荷性能圖8.1漏液線(xiàn)由得整理得在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)Ls值，依上式計(jì)算出Vs值，計(jì)算結(jié)果列于表2。表70.00060.00150.00200.00250.05620.06040.06230.0639由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線(xiàn)，如下圖所示。8.2液沫夾帶線(xiàn)以為限，求Vs—Ls關(guān)系如下：由故整理得在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)Ls值，依上式計(jì)算出Vs值，計(jì)算結(jié)果列于表3。表80.00060.00150.00200.00250.2140.1920.1820.173由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線(xiàn)，如下圖所示。8.3液相負(fù)荷下限線(xiàn)對(duì)于平直堰，取堰上液層高度作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)。則取，則據(jù)此可作出與氣體流量無(wú)關(guān)的垂直液相負(fù)荷下限線(xiàn)3。8.4液相負(fù)荷上限線(xiàn)以作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限，由下式可得，即故據(jù)此可作出與氣體流量無(wú)關(guān)的垂直液相負(fù)荷上限線(xiàn)4。8.5液泛線(xiàn)令由聯(lián)立得忽略，將與，與，與的關(guān)系式代入上式，并整理得式中將有關(guān)的數(shù)據(jù)代入，得故或在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)Ls值，依上式計(jì)算出Vs值，計(jì)算結(jié)果列于表4。表90.00060.00150.00200.00250.2590.2470.2410.236由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線(xiàn)，如下圖所示。根據(jù)以上各線(xiàn)方程，可作出篩板塔的負(fù)荷性能圖，如下圖所示。在負(fù)荷性能圖上，作出操作點(diǎn)A，連接OA，即作出操作線(xiàn)。由圖可看出，該篩板的操作上限為液泛控制，下限為液沫夾帶控制。由圖可查得故操作彈性為

9.主要接管尺寸計(jì)算9.1塔頂蒸汽管的管徑計(jì)算由于塔頂操作壓力為4kpa，故選取，則圓整直徑為9.2回流液管的管徑計(jì)算冷凝器安裝在塔頂，故選取，則圓整直徑為9.3進(jìn)料液管的管徑計(jì)算由于料液是由泵輸送的，故選?。贿M(jìn)料管中料液的體積流量故圓整直徑為9.4釜液排出管的管徑計(jì)算釜液流出速度一般范圍為，故選??；排出管中料液的體積流量圓整直徑為10.塔板主要結(jié)構(gòu)參數(shù)表所設(shè)計(jì)篩板的主要結(jié)果匯總于表10。表5篩板塔設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果參數(shù)表序號(hào)項(xiàng)目數(shù)值12345678910111213141516171819202122232425262728293031平均溫度tm，℃平均壓力Pm，kPa氣相流量Vs，（m3/s）液相流量Ls，（m3/s）實(shí)際塔板數(shù)有效段高度Z，m塔徑D，m板間距HT，m溢流形式降液管形式堰長(zhǎng)lW，m堰高h(yuǎn)W，m板上液層高度hL，m堰上液層高度hOW，m降液管底隙高度ho，m安定區(qū)寬度Ws，m邊緣區(qū)寬度Wc，m開(kāi)孔區(qū)面積Aa，m2篩孔直徑d0，m篩孔數(shù)目n孔中心距t，m開(kāi)孔率φ，%空塔氣速，m/s篩孔氣速，m/s穩(wěn)定系數(shù)每層塔板壓降，Pa負(fù)荷上限負(fù)荷下限液沫夾帶eV，（kg液/kg氣）氣相負(fù)荷上限Vs，max，m3/s氣相負(fù)荷下限Vs，min，m3/s操作彈性60.55122.820.1620.0002433011.60.400.40單溢流弓形0.2640.0540.060.00630.0260.070.0350.090.0054620.0150.1011.2917.821.65669.98液泛控制液沫夾帶控制0.2510.221.14

11.設(shè)計(jì)過(guò)程的評(píng)述和有關(guān)問(wèn)題的討論11．1篩板塔的特性討論篩板塔式最早使用的板式塔之一，它的主要優(yōu)點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，造價(jià)較低；在相同條件下，生產(chǎn)能力比泡罩塔大20%~40%；踏板效率較高，比泡罩塔高15%左右，但稍低于浮閥塔；氣體壓降較小，約比泡罩塔低30%；但也有一些缺點(diǎn)，即是：小孔篩板易堵塞，不易處理一些粘性較大或帶固體粒子的料液；操作彈性相對(duì)較小。本次設(shè)計(jì)中的物系是丙酮—水體系，故選用篩板塔。11．2進(jìn)料熱狀況的選取本次設(shè)計(jì)中選用泡點(diǎn)進(jìn)料，原因是泡點(diǎn)進(jìn)料的操作比較容易控制，且不受季節(jié)氣溫的影響。11．3回流比的選取一般篩板塔設(shè)計(jì)中，回流比的選取是最小回流比的1.1~2.0倍。本次設(shè)計(jì)中，由于最小回流比比不是很大，故選用。11．4理論塔板數(shù)的確定理論塔板數(shù)的確定有多種方法，本次設(shè)計(jì)中采用梯級(jí)圖解法求取理論塔板數(shù)。利用求得的精餾段操作線(xiàn)、提餾段操作線(xiàn)及q線(xiàn)，由捷算法求得理論塔板數(shù)，由此也得到了最佳進(jìn)料位置。本次設(shè)計(jì)中求取到的理論塔板數(shù)為14塊，進(jìn)料板是第10塊。11．5操作溫度的求解本次設(shè)計(jì)中，為計(jì)算方便，用精餾段平均溫度作為其操作溫度。11．6溢流方式的選擇本次設(shè)計(jì)中，由于塔徑為0.4m，不超過(guò)2.0m，可選用單溢流弓形降液管，此種溢流方式液體流徑較長(zhǎng)，塔板效率較高，塔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便。11．7篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算結(jié)果討論本次設(shè)計(jì)中，氣體通過(guò)每層塔板的壓降：；液面落差忽略（塔徑及液流量均不大）；液沫夾帶：；穩(wěn)定系數(shù)：降液管內(nèi)液層高度：綜上數(shù)據(jù)表明，本次設(shè)計(jì)的結(jié)果塔板壓降合理、液面落差的影響極小、液沫夾帶量在允許范圍內(nèi)、不會(huì)發(fā)生漏液及液泛現(xiàn)象。11．8塔板負(fù)荷性能圖結(jié)果討論由本次設(shè)計(jì)所得的數(shù)據(jù)計(jì)算得出的塔板負(fù)荷性能圖中A點(diǎn)為本次設(shè)計(jì)中精餾塔的操作點(diǎn)。由圖中可看出，操作點(diǎn)在理論范圍內(nèi)，但偏邊界位置，即該操作點(diǎn)并非最佳操作點(diǎn)，可能由于回流比取值的大小有關(guān)。

12.參考文獻(xiàn)[1]何潮洪、馮霄化工原理（第二版）上冊(cè)北京：科學(xué)出版社，2007[2]馮霄、何潮洪化工原理（第二版）下冊(cè)北京：科學(xué)出版社，2007[3]板式精餾塔的設(shè)計(jì)，太原理工大學(xué)化工學(xué)院：化工教研室

電化學(xué)技術(shù)在新能源中的利用一.能源的概況1.能源的重要性1.能源的重要性自古以來(lái),人類(lèi)就為改善生存條件和促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而不停地進(jìn)行奮斗.在這一過(guò)程中,能源一直扮演著重要的角色.從世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀來(lái)看,能源問(wèn)題已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中一個(gè)具有戰(zhàn)略意義的問(wèn)題,能源的消耗水平已成為衡量一個(gè)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的重要標(biāo)志,能源問(wèn)題對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著決定性的作用.2.能源的種類(lèi)2.能源的種類(lèi)大自然賦予人類(lèi)的能源是多種多樣的,一般可分為常規(guī)能源和新能源兩大類(lèi).常規(guī)能源包括煤炭,石油,天然氣和水能,而新能源有生物質(zhì)能,核能,風(fēng)能,地?zé)崮?海洋能,太陽(yáng)能和氫能等.其中煤炭,石油,天然氣被成為化石能源,水能,生物質(zhì)能,風(fēng)能,太陽(yáng)能和氫能等是可再生能源.3.化石能源的問(wèn)題(1)化石能源的短缺化石能源的短缺能源是人類(lèi)賴(lài)以生存和社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈,但目前主要使用的化石能源的儲(chǔ)量不多.據(jù)2002年世界探明的化石能源的儲(chǔ)量和使用量統(tǒng)計(jì),世界上煤,石油和天然氣的儲(chǔ)采比分別為204,40和60年,中國(guó)的情況更為嚴(yán)峻,據(jù)2002年統(tǒng)計(jì),中國(guó)煤,石油和天然氣的儲(chǔ)采比只有82,15和46年.這表明在人類(lèi)歷史的長(zhǎng)河中,只有很短的一段時(shí)間能使用化石能源.隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速增長(zhǎng),對(duì)能源的需求也持續(xù)攀升.我國(guó)一次能源消費(fèi)總量從1978年的5.3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,上升到2002年的14.3億噸.據(jù)估計(jì),我國(guó)在2004,2020和2050年的石油消費(fèi)量達(dá)3,4.5和6億噸,其中進(jìn)口量分別為1,2.7和4億噸.4億噸的進(jìn)口量相當(dāng)于目前美國(guó)的石油進(jìn)口量,這不但會(huì)制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,而且對(duì)國(guó)家的安全也十分不利.(2)化石燃料造成嚴(yán)重環(huán)境污染和氣候異?；剂显斐蓢?yán)重環(huán)境污染和氣候異?；剂系氖褂靡鸬沫h(huán)境污染,排放的CO2會(huì)造成溫室效應(yīng),使全球氣候變暖.有關(guān)機(jī)構(gòu)已向聯(lián)合國(guó)發(fā)出警告,如再不對(duì)CO2的排放采取嚴(yán)厲措施,在10年內(nèi),世界的氣候?qū)a(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的變化.我國(guó)的環(huán)境污染問(wèn)題更是日趨嚴(yán)重,目前,我國(guó)CO2排放量占世界總排放量的14%,在美國(guó)之后位居第二,估計(jì)到2025年,將位居第一.在本世紀(jì)初聯(lián)合國(guó)關(guān)于環(huán)境污染的調(diào)查中,發(fā)現(xiàn)在世界上十個(gè)環(huán)境污染最嚴(yán)重的城市中,七個(gè)在中國(guó).它們是太原,北京,烏魯木齊,蘭州,重慶,濟(jì)南和石家莊.4.21世紀(jì)世界能源發(fā)展趨勢(shì)世紀(jì)世界能源發(fā)展趨勢(shì)(1)節(jié)能技術(shù)將備受重視節(jié)能技術(shù)將備受重視節(jié)能就是提高能源利用率,減少能源的浪費(fèi).目前節(jié)能技術(shù)水平已是一個(gè)國(guó)家能源利用情況的綜合性指標(biāo),也是一個(gè)國(guó)家總體科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志.許多研究報(bào)告指出,依靠節(jié)能可以將能源需求量降低2530%.我國(guó)在能源利用方面的效率很低,我國(guó)的能耗很高,是世界平均水平的2倍,發(fā)達(dá)國(guó)家的5-10倍,因此更應(yīng)重視節(jié)能技術(shù),我國(guó)應(yīng)該充分重視化石能源的高效利用.(2)世界能源系統(tǒng)將發(fā)生重大變革世界能源系統(tǒng)將發(fā)生重大變革據(jù)預(yù)測(cè),20世紀(jì)形成的以化石燃料為主的世界能源系統(tǒng)將在21世紀(jì)轉(zhuǎn)換成以可再生能源為主的新的世界能源系統(tǒng).在20世紀(jì)末,化石燃料的使用量占了世界一次能源用量的89.5%.據(jù)世界能源委員會(huì)(WEC)和國(guó)際應(yīng)用分析系統(tǒng)研究所的研究報(bào)告認(rèn)為,在20世紀(jì)上半葉,化石燃料仍將是世界一次能源的主體,但到21世紀(jì)下半葉,太陽(yáng)能,生物質(zhì)能,風(fēng)能等新能源將占世界能源的50%左右.(3)煤炭將作為過(guò)渡能源而受到重視煤炭將作為過(guò)渡能源而受到重視由于石油和天然氣的儲(chǔ)量較少,而煤炭?jī)?chǔ)量相對(duì)較多,因此煤炭將作為一種過(guò)渡能源而在21世紀(jì)上半葉受到重視.主要發(fā)展的技術(shù)是潔凈煤技術(shù),煤液化和汽化技術(shù).(4)新化石能源的開(kāi)發(fā)將得到強(qiáng)化新化石能源的開(kāi)發(fā)將得到強(qiáng)化近年來(lái)發(fā)現(xiàn),在海洋300米深處有甲烷水合物存在.目前,甲烷水合物的開(kāi)發(fā)已經(jīng)受到特別的關(guān)注.據(jù)估計(jì),世界甲烷水合物的儲(chǔ)量可能超過(guò)石油,天然氣和煤炭?jī)?chǔ)量的總和.因此,甲烷水合物作為儲(chǔ)量巨大的未開(kāi)發(fā)能源開(kāi)始受到世界各國(guó)的高度重視.(5)核能的利用將進(jìn)一步得到重視核能的利用將進(jìn)一步得到重視據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì),在20世紀(jì)末,全世界運(yùn)行的核電站有436座,總發(fā)電量為3.5億千瓦.這些電站主要分布在美,法,日,英,俄等31個(gè)國(guó)家,近年來(lái),由于擔(dān)心核電站運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性,核廢料對(duì)環(huán)境的影響和核技術(shù)擴(kuò)散對(duì)世界安全性的影響,核能的發(fā)展在發(fā)達(dá)國(guó)家已有下降趨勢(shì),但在亞洲地區(qū)仍有強(qiáng)勁的增加趨勢(shì),我國(guó)準(zhǔn)備在今后幾年內(nèi)建造4座核電站.受控核聚變是一直受人們關(guān)心的技術(shù),因?yàn)樵诤Ｋ写蠹s有23.4億萬(wàn)噸氘,如受控核聚變技術(shù)在21世紀(jì)能得到應(yīng)用,在21世紀(jì)末,核能可望占世界一次能源的30%左右.(6)可再生能源的開(kāi)發(fā)將越來(lái)越受到重視可再生能源的開(kāi)發(fā)將越來(lái)越受到重視鑒于化石燃料的短缺及化石燃料的使用引起嚴(yán)重的環(huán)境污染和氣候異常,人們對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)越來(lái)越重視.其中水力能,地?zé)崮?海洋能和風(fēng)能的可利用資源有限,因此,太陽(yáng)能,生物質(zhì)能和氫能的利用將倍受關(guān)注.二.生物質(zhì)能的利用1.生物質(zhì)能的優(yōu)點(diǎn).(1)生物質(zhì)來(lái)源豐富地球上每年生長(zhǎng)的生物質(zhì)總量約14001800億噸,相當(dāng)于目前世界總能耗的10倍,我國(guó)的生物質(zhì)能也極為豐富,可作為能源開(kāi)發(fā)的生物質(zhì)能總量可達(dá)4.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤.加上生物質(zhì)能可再生.因此,生物質(zhì)能的高效,規(guī)模化利用可有效緩解世界能源供需矛盾.(2)生物質(zhì)能可多途徑利用(a)直接燃燒.其熱能和蒸汽可發(fā)電,技術(shù)成熟,但效率低.(b)生物轉(zhuǎn)化.包括制沼氣和水解發(fā)酵制取醇類(lèi).生物質(zhì)制甲醇和乙醇技術(shù)基本成熟,但生產(chǎn)成本較高.生物質(zhì)制沼氣技術(shù)相當(dāng)成熟.2002年全國(guó)已建1300多萬(wàn)個(gè)沼氣池.(c)光熱轉(zhuǎn)化.通過(guò)氣化,裂解,光催化等技術(shù),獲得氣,液體燃料來(lái)發(fā)電.(d)生物柴油.從油料植物提取植物油,經(jīng)甲酯化得生物柴油.它有含氧高,含硫低,分解性能好,燃燒效率高等優(yōu)點(diǎn).(3)生物質(zhì)能利用的環(huán)境污染少由于生物質(zhì)利用過(guò)程中釋放的CO2是其生長(zhǎng)過(guò)程通過(guò)光合作用從環(huán)境吸收的,所以生物質(zhì)能的利用過(guò)程不排放額外的CO2,而對(duì)環(huán)境污染少.生物質(zhì)能的利用還能降低污染.如可利用生物質(zhì)熱解汽化技術(shù)處理生活垃圾等,可得到以甲烷為主的燃?xì)?實(shí)現(xiàn)垃圾的減量化,無(wú)害化,資源化.2.生物質(zhì)能利用的問(wèn)題2.生物質(zhì)能利用的問(wèn)題生物質(zhì)能利用的缺點(diǎn)主要是生物質(zhì)分布廣,大面積收集成本高,經(jīng)濟(jì)的收集半徑在50公里以?xún)?nèi),只適合建立小型,分散的生物質(zhì)能利用系統(tǒng).而小型轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率低,不提高生物質(zhì)能的利用效率就不能獲得好的經(jīng)濟(jì)效益,這是生物質(zhì)能至今未能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一.因此,如何在小型,分散體系實(shí)現(xiàn)能量的高效,清潔及規(guī)模化利用是迫切需要解決的問(wèn)題.三.太陽(yáng)能的利用1.太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)(1)太陽(yáng)能來(lái)源豐富太陽(yáng)能來(lái)源豐富太陽(yáng)能來(lái)源豐富是眾所周知的,這似乎是一種用之不絕,取之不盡的能源.太陽(yáng)內(nèi)部不停地進(jìn)行熱核反應(yīng),釋放出巨大的能量,輻射到地球上的能量只占起輻射總能量的極小部分,約1/22億,但地球每年接收的太陽(yáng)能至少有6×1017千瓦小時(shí),相當(dāng)于74萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能量.其中被植物吸收的僅占0.015%.可見(jiàn),開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能利用的潛力很大.(2)太陽(yáng)能的使用沒(méi)有污染問(wèn)題太陽(yáng)能的使用沒(méi)有污染問(wèn)題這也是眾所周知的,太陽(yáng)能的使用基本上沒(méi)有污染問(wèn)題.(3)太陽(yáng)能可多途徑利用太陽(yáng)能可多途徑利用(a)太陽(yáng)能的熱利用.如太陽(yáng)能熱水器,太陽(yáng)灶,太陽(yáng)能蓄熱池發(fā)電等.(b)太陽(yáng)能發(fā)電.如太陽(yáng)能電池和光電池.(c)光催化和光電催化制氫.主要用這兩種技術(shù)從水或生物質(zhì)中制得氫氣.2.太陽(yáng)能利用的概況太陽(yáng)能利用的概況近年來(lái),太陽(yáng)能的利用發(fā)展很快,據(jù)1997年的數(shù)據(jù),全球太陽(yáng)能發(fā)電量已達(dá)800兆瓦.到2000年,日本已有7萬(wàn)個(gè)住宅用上太陽(yáng)能電池,美國(guó)和歐盟計(jì)劃在2010年前安裝100萬(wàn)套太陽(yáng)能電池.特別是把太陽(yáng)能電池與屋頂瓦結(jié)合成光電發(fā)電系統(tǒng),目前歐洲已有300套,年發(fā)電量為1億千瓦.這種系統(tǒng)不但可供應(yīng)清潔能源,而且美觀耐用,壽命可達(dá)25年.太陽(yáng)能的熱利用發(fā)展更快.特別在我國(guó),太陽(yáng)能熱水器的年產(chǎn)值已達(dá)60多億元,居世界首位.3.太陽(yáng)能利用的問(wèn)題太陽(yáng)能利用的問(wèn)題開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能利用的主要問(wèn)題是如何提高太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率,其次是降低成本,這對(duì)我國(guó)特別重要,目前我國(guó)生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的能力已達(dá)幾百兆瓦,但由于價(jià)格高,基本上都銷(xiāo)往國(guó)外.第三,一些技術(shù),如光催化和光電催化制氫技術(shù)還沒(méi)成熟,沒(méi)有達(dá)到實(shí)用化的階段,應(yīng)該抓緊這方面的研究和發(fā)展.四.氫能的利用1.氫能的優(yōu)點(diǎn)氫能的優(yōu)點(diǎn)(1)氫是自然界儲(chǔ)量最豐富的元素.(2)氫是除核燃料外發(fā)熱量最大的燃料.(3)氫燃燒生成水,是世界上最清潔的燃料.(4)燃燒性能好,可燃范圍大,燃燒速度快.(5)氫可用多種方法大規(guī)模生產(chǎn).(6)氫的利用形式多,可通過(guò)燃燒發(fā)電,通過(guò)燃料電池發(fā)電等.2.對(duì)氫能利用的重視2002年加拿大舉辦了以"氫行星"為主題的第14屆世界氫能源大會(huì).2003年在華盛頓召開(kāi)15個(gè)國(guó)家和地區(qū)參加的"國(guó)際氫能經(jīng)濟(jì)合作伙伴"會(huì)議.冰島計(jì)劃用40年時(shí)間將冰島建成"氫社會(huì)".布什將投資120億美元來(lái)促進(jìn)氫能源的發(fā)展.過(guò)去5年,工業(yè)化國(guó)家在氫能開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的投入年均遞增20.5%.氫將取代天然氣,油和煤而成為未來(lái)世界的主要能源,進(jìn)入氫能時(shí)代已成為近年來(lái)的熱門(mén)話(huà)題,21世紀(jì)將是氫能世紀(jì).布什舉著使用氫燃料的照相機(jī)我國(guó)對(duì)發(fā)展氫能經(jīng)濟(jì)也開(kāi)始重視,參加了2003年在華盛頓召開(kāi)的有15國(guó)家參加的"國(guó)際氫能經(jīng)濟(jì)合作伙伴"會(huì)議.2004和2005舉辦了兩次關(guān)于氫能經(jīng)濟(jì)的中美雙邊會(huì)議.今年一月,中國(guó)科學(xué)院院士局召開(kāi)了關(guān)于"石油替代能源"的研討會(huì),主要討論石油資源可持續(xù)性分析,石油的替代能源,氫能燃料和我國(guó)的石油替代能源.并要組織人員進(jìn)行軟課題研究.3.氫能的問(wèn)題3.氫能的問(wèn)題(1)氫的價(jià)格氫的制備,儲(chǔ)存和運(yùn)輸中的價(jià)格問(wèn)題,是影響走進(jìn)氫能時(shí)代的很關(guān)鍵的問(wèn)題.要降低其價(jià)格,必須形成氫的制備,儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)木W(wǎng)絡(luò).(2)廉價(jià)清潔的制氫技術(shù)問(wèn)題(2)廉價(jià)清潔的制氫技術(shù)問(wèn)題目前制氫效率很低,氫的制取要消耗大量的能量,因此尋求大規(guī)模的廉價(jià)清潔的制氫技術(shù)是各國(guó)科學(xué)家共同關(guān)心的問(wèn)題.(a)化石燃料制氫:目前,96%氫從化石燃料制備,技術(shù)成熟,但要造成環(huán)境污染.(b)電解水制氫:技術(shù)成熟,但耗能多,價(jià)格高.一般每生產(chǎn)1立方米的氫氣,需要消耗4.2-6度的電能,其能量轉(zhuǎn)化率不到32%.(c)生物質(zhì)制氫:有可再生,產(chǎn)量大,可儲(chǔ)存,碳循環(huán)等優(yōu)點(diǎn),從中長(zhǎng)期看是最有前途的制氫方式.目前生物質(zhì)制氫效率低.(d)生物制氫:國(guó)內(nèi)外在選育高效產(chǎn)氫菌株工作進(jìn)展不快,制氫效率低.(e)風(fēng)能制氫:用風(fēng)能發(fā)電來(lái)電解水產(chǎn)生氫,技術(shù)上沒(méi)有問(wèn)題,降低成本和風(fēng)能發(fā)電量少是主要的問(wèn)題.(f)太陽(yáng)能制氫:該法還處在基礎(chǔ)研究階段,離商業(yè)化還有較遠(yuǎn)的距離.(3)氫的儲(chǔ)運(yùn)問(wèn)題(3)氫的儲(chǔ)運(yùn)問(wèn)題氫的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)主要解決儲(chǔ)運(yùn)的安全性和成本,現(xiàn)在由于儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)不過(guò)關(guān),因此浪費(fèi)了許多氫.許多工業(yè)過(guò)程,如煉油,煉焦,氯堿,合成氨,合成甲醇及煤氣制造等多有大量的副產(chǎn)品氫氣,只是由于儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的問(wèn)題而不能被利用.我國(guó)每年放空和燒掉的氫氣至少在1010標(biāo)立方米以上.因此解決氫的儲(chǔ)運(yùn)問(wèn)題也是走進(jìn)氫能時(shí)代的一個(gè)很關(guān)鍵的問(wèn)題.目前氫的儲(chǔ)運(yùn)還有很大問(wèn)題.(a)高壓儲(chǔ)氫:儲(chǔ)氫量少,只有1%左右,還有不安全的問(wèn)題.(b)液氫儲(chǔ)氫:很不方便,儲(chǔ)氫設(shè)備大,蒸發(fā)損失大.(c)吸附儲(chǔ)氫:這是目前的研究熱點(diǎn),但儲(chǔ)氫容量還較低,一般不超過(guò)2%.鎂合金儲(chǔ)氫在3%,但儲(chǔ)放不可逆.熱門(mén)一時(shí)的納米碳管儲(chǔ)氫也已沒(méi)有了希望,最終的儲(chǔ)氫量也只有1%左右.(e)化合物儲(chǔ)氫:放氫不容易.(4)燃料電池還沒(méi)有商品化用氫作燃料的燃料電池的出現(xiàn)是促進(jìn)氫能利用的重要原因.近年來(lái),由于化石燃料資源短缺和環(huán)境污染日趨嚴(yán)重,各國(guó)對(duì)燃料電池的研究十分重視.美國(guó)《時(shí)代周刊》把燃料電池列為21世紀(jì)十大高新科技之首,燃料電池已被認(rèn)為是21世紀(jì)極具應(yīng)用前景的一種新型能源系統(tǒng).雖然燃料電池有很誘人的優(yōu)點(diǎn),而且燃料電池的發(fā)展已有100多年的歷史,但至今還沒(méi)有一種燃料電池已經(jīng)真正商品化,因此,燃料電池何時(shí)才能商品化是一個(gè)與氫能利用密切相關(guān)的問(wèn)題.4.反對(duì)氫能的意見(jiàn)4.反對(duì)氫能的意見(jiàn)(a)氫以化合物形式存在,制氫要消耗能源.它不是一種能源,而是能源的流通手段.(b)氫的泄漏會(huì)改變氣候.氫不可避免泄漏,泄漏量可達(dá)15%.泄漏的氫會(huì)在大氣形成水霧,它會(huì)象二氧化碳一樣,使天氣變暖.(c)現(xiàn)在一般用高壓氫作燃料電池燃料,氫的泄漏會(huì)產(chǎn)生很大的不安全性,手機(jī)等的火花就會(huì)使泄漏的氫發(fā)生爆炸.(d)冰島能做的,其他國(guó)家不一定能做,冰島的氫都是電解水制得的,因該國(guó)70%的電是由地?zé)岷退娬井a(chǎn)生的.(5)氫的清潔生產(chǎn)要用風(fēng)能和太陽(yáng)能.據(jù)估計(jì),如用風(fēng)能發(fā)電制氫,當(dāng)風(fēng)能發(fā)電量達(dá)到美國(guó)6%的用電量,風(fēng)能發(fā)電機(jī)要占的面積要有半個(gè)加州那么大.(6)布什承諾投資120億美元用于氫能的研究是一個(gè)微不足道的投資.美國(guó)去年用于核能和礦物質(zhì)燃料方面的研究經(jīng)費(fèi)大于氫燃料的研究經(jīng)費(fèi).美國(guó)推行"健康婚姻"的預(yù)算就有150億美元.美國(guó)用于伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)的經(jīng)費(fèi)每月390億美元.(7)氫燃料電池價(jià)格昂貴.目前內(nèi)燃機(jī)成本為每千瓦50美元,而氫燃料電池為800美元.估計(jì)大量使用后,也要300美元.另外所有的加油站改成加氫站也要花費(fèi)大量的資金.五.燃料電池加速氫能利用1.燃料電池的優(yōu)點(diǎn).(1)燃料電池是一種高效清潔的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng),可降低環(huán)境污染和氣候異常.(2)燃料電池能高效利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的氣,液物質(zhì)和氫作燃料,因此,能促進(jìn)氫能的利用.(3)燃料電池的發(fā)電效率不受體系規(guī)模限制,小型燃料電池同樣能夠?qū)崿F(xiàn)高效發(fā)電,適合于生物質(zhì)分散性的特點(diǎn).2.燃料電池定義燃料電池是一種不經(jīng)燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)的方式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置,只要連續(xù)供應(yīng)燃料,燃料電池就能連續(xù)發(fā)電.3.原理陽(yáng)極反應(yīng):H2=2H++2e陰極反應(yīng):1/2O2+2H++2e=H2O總的反應(yīng):H2+1/2O2=H2O4.燃料電池分類(lèi)堿性燃料電池(AFC)(1)堿性燃料電池(AFC)陽(yáng)極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Ag,氧化劑:氧電解液:30%KOH隔膜:石棉膜工作溫度:60-80oC用途:航天器和潛艇的動(dòng)力源優(yōu)點(diǎn):比能量和比功率高缺點(diǎn):對(duì)CO2敏感,不宜地面使用(2)磷酸燃料電池(PAFC)磷酸燃料電池(PAFC)陽(yáng)極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:98%磷酸工作溫度:200oC用途:家庭住宅能源和汽車(chē)動(dòng)力源優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定性好,已有商品生產(chǎn)缺點(diǎn):用貴金屬作催化劑,價(jià)格高.(3)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)陽(yáng)極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:含水的質(zhì)子交換膜工作溫度:60-80oC用途:汽車(chē)和潛艇等的動(dòng)力源優(yōu)點(diǎn):比能量和比功率高,壽命長(zhǎng),應(yīng)用范圍廣缺點(diǎn):對(duì)CO敏感,價(jià)格高,800美元/千瓦,而內(nèi)燃機(jī)50美元/千瓦.氫源問(wèn)題.(4)直接甲醇燃料電池(DMFC)直接甲醇燃料電池(DMFC)陽(yáng)極:催化劑:Pt合金,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:含硫酸的質(zhì)子交換膜工作溫度:60-80oC用途:可移動(dòng)的小型電子儀器設(shè)備動(dòng)力源優(yōu)點(diǎn):比能量高,體積小問(wèn)題:Pt對(duì)甲醇氧化電催化效率低,易被甲醇氧化中間產(chǎn)物毒化,甲醇會(huì)透過(guò)質(zhì)子交換膜.(5)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)陽(yáng)極:催化劑:Ni,燃料:氫陰極:催化劑:NiO,氧化劑:氧電解液:熔融碳酸鹽(NaCO3-LiCO3)工作溫度:600oC用途:發(fā)電站優(yōu)點(diǎn):反應(yīng)溫度高,不需貴金屬催化劑.可用含CO的燃料氣.壽命長(zhǎng).能量轉(zhuǎn)換率高,可達(dá)80%.問(wèn)題:高溫下,電解液會(huì)腐蝕電極材料.壽命2萬(wàn)小時(shí),商業(yè)上要4萬(wàn)小時(shí).(6)固體氧化物燃料電池(SOFC)固體氧化物燃料電池(SOFC)陽(yáng)極:催化劑:NiZrO2,燃料:甲烷,氫陰極:催化劑:NaCrO4等,氧化劑:氧電解液:ZrO2,CeO2等工作溫度:900oC用途:發(fā)電站優(yōu)點(diǎn):不需貴金屬催化劑.壽命長(zhǎng).可用各種燃料氣.抗中毒能力強(qiáng).能量轉(zhuǎn)換率最高,可達(dá)80%以上.問(wèn)題:高溫下,密封困難,放大困難.價(jià)格高.5.PEMFC發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀(1)世界各國(guó)對(duì)世界各國(guó)對(duì)PEMFC的重視世界各國(guó)對(duì)的重視近十年來(lái),近十年來(lái),PEMFC技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)受到技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)受到許多國(guó)家的政府和跨國(guó)大公司的極大重視,許多國(guó)家的政府和跨國(guó)大公司的極大重視,已出現(xiàn)許多PEMFC電動(dòng)車(chē)樣車(chē).電動(dòng)車(chē)樣車(chē).已出現(xiàn)許多電動(dòng)車(chē)樣車(chē)我國(guó)計(jì)劃,年奧運(yùn)會(huì)期間,我國(guó)計(jì)劃,到2008年奧運(yùn)會(huì)期間,將有我年奧運(yùn)會(huì)期間國(guó)生產(chǎn)的燃料電池電動(dòng)車(chē)會(huì)小批量,國(guó)生產(chǎn)的燃料電池電動(dòng)車(chē)會(huì)小批量,示范性地行駛在街頭.性地行駛在街頭.年世博會(huì)期間,輛