丙酮-水化工原理課程設計

.設計方案簡介1.1設計方案的確定本設計任務為分離丙酮—水混合物提純丙酮，采用連續(xù)精餾塔提純流程。設計中采用泡點進料，將原料液通過預熱器加熱至泡點后送入精餾塔內。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲罐。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)冷卻后送至儲罐。1.2操作條件和基礎數(shù)據(jù)進料中丙酮含量（質量分率）35%；產(chǎn)品中丙酮含量（質量分率）99%；塔釜中丙酮含量（質量分率）不大于0.04；進料量F=2000kg/h；操作壓力塔頂壓強為常壓進料溫度泡點；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量MA=58.08kg/kmol水的摩爾質量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)（見下表1），繪出平衡線，如下圖所示。表1丙酮—水系統(tǒng)t—x—y數(shù)據(jù)沸點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線圖由，得由表計算得：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=泡點進料，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、液相負荷Lkmol/hVkmol/hLkmol/hVkmol/h3.1.3求操作線方程精餾段操作線方程為y提餾段操作線方程為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塊所以加料板可設在第10塊。3.2求取塔板的效率用奧康奈爾法()對全塔效率進行估算：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設丙酮為A物質，水為B物質所以第一塊板上：xA=0.81xB=0.19可得：(加料板)xF=0.143yF=0.541假設物質同上：yA=0.541xA=0.143yB=0.459xB=0.857可得：(塔底)xW=0.013yW=0.085假設物質同上：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，μ水=0.469mPa·sμ丙酮=0.231mPa·s所以查85時，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3.3求實際塔板數(shù)由得，實際塔板數(shù)為30塊精餾段實際板層數(shù)N，取22塊提餾段實際板層數(shù)N，取9塊

4.精餾塔的工藝條件及有關物性數(shù)據(jù)的計算4.1操作壓力計算塔頂操作壓力：；每層塔板壓降：；進料板的壓力：；塔底的壓力：（1）精餾段平均壓力：（2）提餾段平均壓力：4.2操作溫度計算塔頂溫度進料板溫度塔底溫度（1）精餾段平均溫度為：（2）提餾段平均溫度為：4.3平均摩爾質量的計算塔頂平均摩爾質量：由，查平衡曲線（x-y圖），得進料板平均摩爾質量：由，查平衡曲線（x-y圖），得塔底平均摩爾質量：由，查平衡曲線（x-y圖），得（1）精餾段平均摩爾質量：（2）提餾段平均摩爾質量：4.4平均密度的計算4.4.1氣相平均密度計算由理想氣體狀態(tài)方程計算，（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液相平均密度計算液相平均密度依下式計算，即塔頂液相平均密度：由，查表2得，進料板液相平均密度：由，查表2得，進料板液相的質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算液相平均表面張力依下式計算，即塔頂液相平均表面張力：由，查表2得，進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液體平均黏度計算液相平均粘度依下式計算，即塔頂液相平均粘度：由，查表2得，解出進料板液相平均粘度：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算5.1塔徑的計算5.1.1精餾段塔徑的計算精餾段的氣、液相體積流率為m3/sm3/s由式中C由式計算，式中C20由圖3（史密斯關系圖）查得，圖3史密斯關系圖圖的橫坐標為取板間距，板上液層高度，則查圖（史密斯關系圖）得取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為m/sm按標準塔徑圓整后為D=0.4m塔截面積為m2實際空塔氣速為m/s5.2精餾塔有效高度的計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精餾塔的高度計算實際塔板數(shù)進料板數(shù)；由于該設計中板式塔的塔徑，無需設置人孔進料板處板間距；；為利于出塔氣體夾帶的液滴沉降，其高度應大于板間距，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算6.1溢流裝置計算因為塔徑0.4m，一般場合可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。各項計算如下：6.1.1堰長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】驗算液體在降液管中停留的時間，即故降液管設計合理。6.1.4降液管底隙高度ho取則故降液管底隙高度設計合理。選用凹形受液盤，深度6.2塔板布置6.2.1塔板的選取因為，故塔板采用整塊式。6.2.2邊緣區(qū)寬度確定取，6.2.3開孔區(qū)面積計算開孔區(qū)面積按下式計算，即其中故0.09m26.2.4篩孔計算及其排列本次所處理的物系無腐蝕性，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為個開孔率為氣體通過閥孔的氣速為m/s

7.篩板的流體力學驗算7.1塔板降7.1.1干板阻力hc計算干板阻力hc由下式計算，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氣體通過液層的阻力hl計算氣體通過液層的阻力hl由下式計算，即圖6充氣系數(shù)關聯(lián)圖查圖6（充氣系數(shù)關聯(lián)圖）得：故m液柱7.1.3液體表面張力的阻力hσ計算液體表面張力所產(chǎn)生的阻力hσ由下式計算，即氣體通過每層塔板的液柱高度hp可按下式計算，即氣體通過每層塔板的壓降為（設計允許值）7.2液面落差對于篩板塔，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算，即故故在本次設計中液沫夾帶量eV在允許范圍內。7.4漏液對篩板塔，漏液點氣速可由下式計算，即實際孔速穩(wěn)定系數(shù)為故在本次設計中無明顯漏液。7.5液泛為防止塔內發(fā)生液泛，降液管內液層高Hd應服從下式的關系，即丙酮-水物系屬一般物系，不易發(fā)泡，故安全系數(shù)取，則而板上不設進口堰，hd可由下式計算，即故在本次設計中不會發(fā)生液泛現(xiàn)象。

8.塔板負荷性能圖8.1漏液線由得整理得在操作范圍內，任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結果列于表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，如下圖所示。8.2液沫夾帶線以為限，求Vs—Ls關系如下：由故整理得在操作范圍內，任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結果列于表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，如下圖所示。8.3液相負荷下限線對于平直堰，取堰上液層高度作為最小液體負荷標準。則取，則據(jù)此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限線3。8.4液相負荷上限線以作為液體在降液管中停留時間的下限，由下式可得，即故據(jù)此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷上限線4。8.5液泛線令由聯(lián)立得忽略，將與，與，與的關系式代入上式，并整理得式中將有關的數(shù)據(jù)代入，得故或在操作范圍內，任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結果列于表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，如下圖所示。根據(jù)以上各線方程，可作出篩板塔的負荷性能圖，如下圖所示。在負荷性能圖上，作出操作點A，連接OA，即作出操作線。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.主要接管尺寸計算9.1塔頂蒸汽管的管徑計算由于塔頂操作壓力為4kpa，故選取，則圓整直徑為9.2回流液管的管徑計算冷凝器安裝在塔頂，故選取，則圓整直徑為9.3進料液管的管徑計算由于料液是由泵輸送的，故選?。贿M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.塔板主要結構參數(shù)表所設計篩板的主要結果匯總于表10。表5篩板塔設計計算結果參數(shù)表序號項目數(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lW，m堰高hW，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負荷上限負荷下限液沫夾帶eV，（kg液/kg氣）氣相負荷上限Vs，max，m3/s氣相負荷下限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.設計過程的評述和有關問題的討論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)點有：結構簡單，易于加工，造價較低；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，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；操作彈性相對較小。本次設計中的物系是丙酮—水體系，故選用篩板塔。11．2進料熱狀況的選取本次設計中選用泡點進料，原因是泡點進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計中，回流比的選取是最小回流比的1.1~2.0倍。本次設計中，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，本次設計中采用梯級圖解法求取理論塔板數(shù)。利用求得的精餾段操作線、提餾段操作線及q線，由捷算法求得理論塔板數(shù)，由此也得到了最佳進料位置。本次設計中求取到的理論塔板數(shù)為14塊，進料板是第10塊。11．5操作溫度的求解本次設計中，為計算方便，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計中，由于塔徑為0.4m，不超過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，塔板效率較高，塔板結構簡單，加工方便。11．7篩板的流體力學驗算結果討論本次設計中，氣體通過每層塔板的壓降：；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)：降液管內液層高度：綜上數(shù)據(jù)表明，本次設計的結果塔板壓降合理、液面落差的影響極小、液沫夾帶量在允許范圍內、不會發(fā)生漏液及液泛現(xiàn)象。11．8塔板負荷性能圖結果討論由本次設計所得的數(shù)據(jù)計算得出的塔板負荷性能圖中A點為本次設計中精餾塔的操作點。由圖中可看出，操作點在理論范圍內，但偏邊界位置，即該操作點并非最佳操作點，可能由于回流比取值的大小有關。

12.參考文獻[1]何潮洪、馮霄化工原理（第二版）上冊北京：科學出版社，2007[2]馮霄、何潮洪化工原理（第二版）下冊北京：科學出版社，2007[3]板式精餾塔的設計，太原理工大學化工學院：化工教研室

電化學技術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,人類就為改善生存條件和促進社會經(jīng)濟的發(fā)展而不停地進行奮斗.在這一過程中,能源一直扮演著重要的角色.從世界經(jīng)濟發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀來看,能源問題已成為社會經(jīng)濟發(fā)展中一個具有戰(zhàn)略意義的問題,能源的消耗水平已成為衡量一個國家國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的重要標志,能源問題對社會經(jīng)濟發(fā)展起著決定性的作用.2.能源的種類2.能源的種類大自然賦予人類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.常規(guī)能源包括煤炭,石油,天然氣和水能,而新能源有生物質能,核能,風能,地熱能,海洋能,太陽能和氫能等.其中煤炭,石油,天然氣被成為化石能源,水能,生物質能,風能,太陽能和氫能等是可再生能源.3.化石能源的問題(1)化石能源的短缺化石能源的短缺能源是人類賴以生存和社會發(fā)展的重要物質基礎,是國民經(jīng)濟發(fā)展的命脈,但目前主要使用的化石能源的儲量不多.據(jù)2002年世界探明的化石能源的儲量和使用量統(tǒng)計,世界上煤,石油和天然氣的儲采比分別為204,40和60年,中國的情況更為嚴峻,據(jù)2002年統(tǒng)計,中國煤,石油和天然氣的儲采比只有82,15和46年.這表明在人類歷史的長河中,只有很短的一段時間能使用化石能源.隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)高速增長,對能源的需求也持續(xù)攀升.我國一次能源消費總量從1978年的5.3億噸標準煤,上升到2002年的14.3億噸.據(jù)估計,我國在2004,2020和2050年的石油消費量達3,4.5和6億噸,其中進口量分別為1,2.7和4億噸.4億噸的進口量相當于目前美國的石油進口量,這不但會制約我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,而且對國家的安全也十分不利.(2)化石燃料造成嚴重環(huán)境污染和氣候異常化石燃料造成嚴重環(huán)境污染和氣候異常化石燃料的使用引起的環(huán)境污染,排放的CO2會造成溫室效應,使全球氣候變暖.有關機構已向聯(lián)合國發(fā)出警告,如再不對CO2的排放采取嚴厲措施,在10年內,世界的氣候將產(chǎn)生不可逆轉的變化.我國的環(huán)境污染問題更是日趨嚴重,目前,我國CO2排放量占世界總排放量的14%,在美國之后位居第二,估計到2025年,將位居第一.在本世紀初聯(lián)合國關于環(huán)境污染的調查中,發(fā)現(xiàn)在世界上十個環(huán)境污染最嚴重的城市中,七個在中國.它們是太原,北京,烏魯木齊,蘭州,重慶,濟南和石家莊.4.21世紀世界能源發(fā)展趨勢世紀世界能源發(fā)展趨勢(1)節(jié)能技術將備受重視節(jié)能技術將備受重視節(jié)能就是提高能源利用率,減少能源的浪費.目前節(jié)能技術水平已是一個國家能源利用情況的綜合性指標,也是一個國家總體科學技術水平的重要標志.許多研究報告指出,依靠節(jié)能可以將能源需求量降低2530%.我國在能源利用方面的效率很低,我國的能耗很高,是世界平均水平的2倍,發(fā)達國家的5-10倍,因此更應重視節(jié)能技術,我國應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)預測,20世紀形成的以化石燃料為主的世界能源系統(tǒng)將在21世紀轉換成以可再生能源為主的新的世界能源系統(tǒng).在20世紀末,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(WEC)和國際應用分析系統(tǒng)研究所的研究報告認為,在20世紀上半葉,化石燃料仍將是世界一次能源的主體,但到21世紀下半葉,太陽能,生物質能,風能等新能源將占世界能源的50%左右.(3)煤炭將作為過渡能源而受到重視煤炭將作為過渡能源而受到重視由于石油和天然氣的儲量較少,而煤炭儲量相對較多,因此煤炭將作為一種過渡能源而在21世紀上半葉受到重視.主要發(fā)展的技術是潔凈煤技術,煤液化和汽化技術.(4)新化石能源的開發(fā)將得到強化新化石能源的開發(fā)將得到強化近年來發(fā)現(xiàn),在海洋300米深處有甲烷水合物存在.目前,甲烷水合物的開發(fā)已經(jīng)受到特別的關注.據(jù)估計,世界甲烷水合物的儲量可能超過石油,天然氣和煤炭儲量的總和.因此,甲烷水合物作為儲量巨大的未開發(fā)能源開始受到世界各國的高度重視.(5)核能的利用將進一步得到重視核能的利用將進一步得到重視據(jù)國際原子能機構統(tǒng)計,在20世紀末,全世界運行的核電站有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個國家,近年來,由于擔心核電站運轉的安全性,核廢料對環(huán)境的影響和核技術擴散對世界安全性的影響,核能的發(fā)展在發(fā)達國家已有下降趨勢,但在亞洲地區(qū)仍有強勁的增加趨勢,我國準備在今后幾年內建造4座核電站.受控核聚變是一直受人們關心的技術,因為在海水中大約有23.4億萬噸氘,如受控核聚變技術在21世紀能得到應用,在21世紀末,核能可望占世界一次能源的30%左右.(6)可再生能源的開發(fā)將越來越受到重視可再生能源的開發(fā)將越來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重的環(huán)境污染和氣候異常,人們對新能源的開發(fā)越來越重視.其中水力能,地熱能,海洋能和風能的可利用資源有限,因此,太陽能,生物質能和氫能的利用將倍受關注.二.生物質能的利用1.生物質能的優(yōu)點.(1)生物質來源豐富地球上每年生長的生物質總量約14001800億噸,相當于目前世界總能耗的10倍,我國的生物質能也極為豐富,可作為能源開發(fā)的生物質能總量可達4.5億噸標準煤.加上生物質能可再生.因此,生物質能的高效,規(guī)模化利用可有效緩解世界能源供需矛盾.(2)生物質能可多途徑利用(a)直接燃燒.其熱能和蒸汽可發(fā)電,技術成熟,但效率低.(b)生物轉化.包括制沼氣和水解發(fā)酵制取醇類.生物質制甲醇和乙醇技術基本成熟,但生產(chǎn)成本較高.生物質制沼氣技術相當成熟.2002年全國已建1300多萬個沼氣池.(c)光熱轉化.通過氣化,裂解,光催化等技術,獲得氣,液體燃料來發(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.(3)生物質能利用的環(huán)境污染少由于生物質利用過程中釋放的CO2是其生長過程通過光合作用從環(huán)境吸收的,所以生物質能的利用過程不排放額外的CO2,而對環(huán)境污染少.生物質能的利用還能降低污染.如可利用生物質熱解汽化技術處理生活垃圾等,可得到以甲烷為主的燃氣,實現(xiàn)垃圾的減量化,無害化,資源化.2.生物質能利用的問題2.生物質能利用的問題生物質能利用的缺點主要是生物質分布廣,大面積收集成本高,經(jīng)濟的收集半徑在50公里以內,只適合建立小型,分散的生物質能利用系統(tǒng).而小型轉換系統(tǒng)的效率低,不提高生物質能的利用效率就不能獲得好的經(jīng)濟效益,這是生物質能至今未能實現(xiàn)規(guī)?；瘧玫年P鍵問題之一.因此,如何在小型,分散體系實現(xiàn)能量的高效,清潔及規(guī)模化利用是迫切需要解決的問題.三.太陽能的利用1.太陽能的優(yōu)點太陽能的優(yōu)點(1)太陽能來源豐富太陽能來源豐富太陽能來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.太陽內部不停地進行熱核反應,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能至少有6×1017千瓦小時,相當于74萬噸標準煤的能量.其中被植物吸收的僅占0.015%.可見,開發(fā)太陽能利用的潛力很大.(2)太陽能的使用沒有污染問題太陽能的使用沒有污染問題這也是眾所周知的,太陽能的使用基本上沒有污染問題.(3)太陽能可多途徑利用太陽能可多途徑利用(a)太陽能的熱利用.如太陽能熱水器,太陽灶,太陽能蓄熱池發(fā)電等.(b)太陽能發(fā)電.如太陽能電池和光電池.(c)光催化和光電催化制氫.主要用這兩種技術從水或生物質中制得氫氣.2.太陽能利用的概況太陽能利用的概況近年來,太陽能的利用發(fā)展很快,據(jù)1997年的數(shù)據(jù),全球太陽能發(fā)電量已達800兆瓦.到2000年,日本已有7萬個住宅用上太陽能電池,美國和歐盟計劃在2010年前安裝100萬套太陽能電池.特別是把太陽能電池與屋頂瓦結合成光電發(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)不但可供應清潔能源,而且美觀耐用,壽命可達25年.太陽能的熱利用發(fā)展更快.特別在我國,太陽能熱水器的年產(chǎn)值已達60多億元,居世界首位.3.太陽能利用的問題太陽能利用的問題開發(fā)太陽能利用的主要問題是如何提高太陽能的轉換效率,其次是降低成本,這對我國特別重要,目前我國生產(chǎn)太陽能電池的能力已達幾百兆瓦,但由于價格高,基本上都銷往國外.第三,一些技術,如光催化和光電催化制氫技術還沒成熟,沒有達到實用化的階段,應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)點氫能的優(yōu)點(1)氫是自然界儲量最豐富的元素.(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,可通過燃燒發(fā)電,通過燃料電池發(fā)電等.2.對氫能利用的重視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.2003年在華盛頓召開15個國家和地區(qū)參加的"國際氫能經(jīng)濟合作伙伴"會議.冰島計劃用40年時間將冰島建成"氫社會".布什將投資120億美元來促進氫能源的發(fā)展.過去5年,工業(yè)化國家在氫能開發(fā)領域的投入年均遞增20.5%.氫將取代天然氣,油和煤而成為未來世界的主要能源,進入氫能時代已成為近年來的熱門話題,21世紀將是氫能世紀.布什舉著使用氫燃料的照相機我國對發(fā)展氫能經(jīng)濟也開始重視,參加了2003年在華盛頓召開的有15國家參加的"國際氫能經(jīng)濟合作伙伴"會議.2004和2005舉辦了兩次關于氫能經(jīng)濟的中美雙邊會議.今年一月,中國科學院院士局召開了關于"石油替代能源"的研討會,主要討論石油資源可持續(xù)性分析,石油的替代能源,氫能燃料和我國的石油替代能源.并要組織人員進行軟課題研究.3.氫能的問題3.氫能的問題(1)氫的價格氫的制備,儲存和運輸中的價格問題,是影響走進氫能時代的很關鍵的問題.要降低其價格,必須形成氫的制備,儲存和運輸?shù)木W(wǎng)絡.(2)廉價清潔的制氫技術問題(2)廉價清潔的制氫技術問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)模的廉價清潔的制氫技術是各國科學家共同關心的問題.(a)化石燃料制氫:目前,96%氫從化石燃料制備,技術成熟,但要造成環(huán)境污染.(b)電解水制氫:技術成熟,但耗能多,價格高.一般每生產(chǎn)1立方米的氫氣,需要消耗4.2-6度的電能,其能量轉化率不到32%.(c)生物質制氫:有可再生,產(chǎn)量大,可儲存,碳循環(huán)等優(yōu)點,從中長期看是最有前途的制氫方式.目前生物質制氫效率低.(d)生物制氫:國內外在選育高效產(chǎn)氫菌株工作進展不快,制氫效率低.(e)風能制氫:用風能發(fā)電來電解水產(chǎn)生氫,技術上沒有問題,降低成本和風能發(fā)電量少是主要的問題.(f)太陽能制氫:該法還處在基礎研究階段,離商業(yè)化還有較遠的距離.(3)氫的儲運問題(3)氫的儲運問題氫的儲運技術主要解決儲運的安全性和成本,現(xiàn)在由于儲運技術不過關,因此浪費了許多氫.許多工業(yè)過程,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,只是由于儲運技術的問題而不能被利用.我國每年放空和燒掉的氫氣至少在1010標立方米以上.因此解決氫的儲運問題也是走進氫能時代的一個很關鍵的問題.目前氫的儲運還有很大問題.(a)高壓儲氫:儲氫量少,只有1%左右,還有不安全的問題.(b)液氫儲氫:很不方便,儲氫設備大,蒸發(fā)損失大.(c)吸附儲氫:這是目前的研究熱點,但儲氫容量還較低,一般不超過2%.鎂合金儲氫在3%,但儲放不可逆.熱門一時的納米碳管儲氫也已沒有了希望,最終的儲氫量也只有1%左右.(e)化合物儲氫:放氫不容易.(4)燃料電池還沒有商品化用氫作燃料的燃料電池的出現(xiàn)是促進氫能利用的重要原因.近年來,由于化石燃料資源短缺和環(huán)境污染日趨嚴重,各國對燃料電池的研究十分重視.美國《時代周刊》把燃料電池列為21世紀十大高新科技之首,燃料電池已被認為是21世紀極具應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,而且燃料電池的發(fā)展已有100多年的歷史,但至今還沒有一種燃料電池已經(jīng)真正商品化,因此,燃料電池何時才能商品化是一個與氫能利用密切相關的問題.4.反對氫能的意見4.反對氫能的意見(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)氫的泄漏會改變氣候.氫不可避免泄漏,泄漏量可達15%.泄漏的氫會在大氣形成水霧,它會象二氧化碳一樣,使天氣變暖.(c)現(xiàn)在一般用高壓氫作燃料電池燃料,氫的泄漏會產(chǎn)生很大的不安全性,手機等的火花就會使泄漏的氫發(fā)生爆炸.(d)冰島能做的,其他國家不一定能做,冰島的氫都是電解水制得的,因該國70%的電是由地熱和水電站產(chǎn)生的.(5)氫的清潔生產(chǎn)要用風能和太陽能.據(jù)估計,如用風能發(fā)電制氫,當風能發(fā)電量達到美國6%的用電量,風能發(fā)電機要占的面積要有半個加州那么大.(6)布什承諾投資120億美元用于氫能的研究是一個微不足道的投資.美國去年用于核能和礦物質燃料方面的研究經(jīng)費大于氫燃料的研究經(jīng)費.美國推行"健康婚姻"的預算就有150億美元.美國用于伊拉克戰(zhàn)爭的經(jīng)費每月390億美元.(7)氫燃料電池價格昂貴.目前內燃機成本為每千瓦50美元,而氫燃料電池為800美元.估計大量使用后,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.(1)燃料電池是一種高效清潔的能量轉換系統(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轉化產(chǎn)生的氣,液物質和氫作燃料,因此,能促進氫能的利用.(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實現(xiàn)高效發(fā)電,適合于生物質分散性的特點.2.燃料電池定義燃料電池是一種不經(jīng)燃燒直接以電化學反應的方式將燃料的化學能轉變成電能的裝置,只要連續(xù)供應燃料,燃料電池就能連續(xù)發(fā)電.3.原理陽極反應:H2=2H++2e陰極反應:1/2O2+2H++2e=H2O總的反應:H2+1/2O2=H2O4.燃料電池分類堿性燃料電池(AFC)(1)堿性燃料電池(AFC)陽極: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:航天器和潛艇的動力源優(yōu)點:比能量和比功率高缺點:對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動力源優(yōu)點:穩(wěn)定性好,已有商品生產(chǎn)缺點:用貴金屬作催化劑,價格高.(3)質子交換膜燃料電池(PEMFC)質子交換膜燃料電池(PEMFC)陽極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:含水的質子交換膜工作溫度:60-80oC用途:汽車和潛艇等的動力源優(yōu)點:比能量和比功率高,壽命長,應用范圍廣缺點:對CO敏感,價格高,800美元/千瓦,而內燃機50美元/千瓦.氫源問題.(4)直接甲醇燃料電池(DMFC)直接甲醇燃料電池(DMFC)陽極:催化劑:Pt合金,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:含硫酸的質子交換膜工作溫度:60-80oC用途:可移動的小型電子儀器設備動力源優(yōu)點:比能量高,體積小問題:Pt對甲醇氧化電催化效率低,易被甲醇氧化中間產(chǎn)物毒化,甲醇會透過質子交換膜.(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:反應溫度高,不需貴金屬催化劑.可用含CO的燃料氣.壽命長.能量轉換率高,可達80%.問題:高溫下,電解液會腐蝕電極材料.壽命2萬小時,商業(yè)上要4萬小時.(6)固體氧化物燃料電池(SOFC)固體氧化物燃料電池(SOFC)陽極: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:不需貴金屬催化劑.壽命長.可用各種燃料氣.抗中毒能力強.能量轉換率最高,可達80%以上.問題:高溫下,密封困難,放大困難.價格高.5.PEMFC發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀(1)世界各國對世界各國對PEMFC的重視世界各國對的重視近十年來,近十年來,PEMFC技術的研究開發(fā)受到技術的研究開發(fā)受到許多國家的政府和跨國大公司的極大重視,許多國家的政府和跨國大公司的極大重視,已出現(xiàn)許多PEMFC電動車樣車.電動車樣車.已出現(xiàn)許多電動車樣車我國計劃,年奧運會期間,我國計劃,到2008年奧運會期間,將有我年奧運會期間國生產(chǎn)的燃料電池電動車會小批量,國生產(chǎn)的燃料電池電動車會小批量,示范性地行駛在街頭.性地行駛在街頭.年世博會期間,輛