• Nem Talált Eredményt

Az iparban használt energiaféleségek

Többször említettük az alapfogalmak tárgyalása kapcsán a hőtés és főtés folyamatát, gépek, készülékek üzemeltetését, stb. Egy technológia mőködtetésében jelentıs hányadot képeznek az energiafelhasználás költségei.

Na de mi is az ENERGIA? A változásokat idézi elı. Olyan hajtóerı, mely mozgatja a testeket, segítségével gyártási folyamatok hajthatók végbe, elıidézi az élılények növekedését, szaporodását, mozgását, az emberi gondolkodást. A tudósok szerint az energia MUNKAVÉGZİ KÉPESSÉG. Az energiának különbözı megjelenési formáival találkozunk, de általánosan két nagy csoportba osztható: potenciális és kinetikus (mechanikai) energiára.

A potenciális energia fajtái

A potenciális energia tárolt energiaformákat jelent, magában foglalja a helyzeti- és gravitációs energiát. Fajtái:

- Kémiai energia: az atomok és molekulák kötéseiben tárolt energia. Ez az energia tartja össze a részecskéket. A biomassza, a kıolaj, a földgáz jó példái a tárolt kémiai energiának.

- Tárolt mechanikai energia: Bizonyos erık alkalmazásakor a tárgyakban tárolt energia. Az összenyomott rúgó, a kinyújtott gumiszalag jó példák a tárolt mechanikai energiára.

- Nukleáris energia: Az atomok magjában tárolt energia, mely az atommagokat alkotó nukleonokat tartja össze. Ez az energia szabadul fel, ha atommagok kapcsolódnak, vagy hasadnak. A jelenleg üzemelı atomerımővekben az urán atommagjait hasítják (hasadási energia), a napban és a jövı fúziós erımőveiben a hidrogén izotópjai egyesülnek (fúziós energia).

- Gravitációs energia: Ez a helyzeti, vagy pozíciós energia. A hegytetın lévı szikla a hegylábához képest gravitációs energiával rendelkezik. A magasan fekvı duzzasztó gát mögött lévı víz jó példája a helyzeti, vagy gravitációs energiának.

30 A kinetikus energia fajtái

A kinetikus (mechanikai) energia a mozgási energia, a hullámok, elektronok, atomok, molekulák, anyagok és tárgyak mozgásából adódó energia. Fajtái:

- Elektromos energia: Az elektronok mozgásából adódó energia. Világunk anyagai atomokból épülnek föl. Az atomokat protonok, neutronok és elektronok alkotják. Erı hatására az elektronok mozognak. A vezetıkben mozgó elektronokat elektromos áramnak nevezzük. Az elektromos áram energiáját sok helyen, így többek között a világításban, főtésben, mozgatásban használjuk föl.

- Sugárzási energia: olyan elektromágneses energia, mely a transzverzális hullámokban terjed.

Magában foglalja a látható fény, a röntgensugárzás, a gamma sugárzás és a rádióhullámok tartományát. A napsugárzás a sugárzási energia jellemzı példája.

- Termikus energia: Más néven hıenergia, mely az anyag belsı energiája és az anyagban lévı atomok és molekulák rezgési és mozgási energiáját jelenti.

- Mozgási energia: Az anyag és a tárgyak mozgását jelenti egyik helyrıl a másik helyre. A tárgyak és anyagok mozognak, ha a newtoni törvények szerint erı hat rájuk. A szél jó példája a mozgási energiának.

- Hangenergia: Az energia az anyagban longitudinális hullámokban (sőrősödés és ritkulás) terjed. Hang keletkezik, ha erı hatására egy anyag vagy tárgy rezgésre kényszerül, a hangenergia az anyagban hullám formájában terjed.

A különbözı energiaformák egymásba történı átalakulásának néhány esetét szemléletesen tünteti fel az 1.9. ábra.

1.9. ábra: Néhány energiaforma egymásba történı átalakítási lehetısége

31 A vegyipar leggyakrabban alkalmazott energiái a hı-, elektromos-, mechanikai-, kémiai- és fényenergia. Az elsı hármat közvetlen vagy közvetett úton különbözı energiaforrásokból nyerik, amelyek közül fontosabbak a vízesések, a szilárd-, cseppfolyós- és gáznemő tüzelıanyagok, a radioaktív anyagok és a Föld nagy hımérséklető mélységi rétegei.

A hıenergiát a kémiai folyamatok nagy többségénél alkalmazzák a folyamat lejátszódását biztosító hımérséklet eléréséhez (endoterm folyamatokhoz szükséges hıközlés vagy exoterm folyamatok hıelvonása). A fizikai alapmőveletek nagy része is tekintélyes mennyiségő hıenergiát igényel: melegítés, elpárologtatás, desztillálás, szárítás, gızelıállítás stb. A hıenergiát leggyakrabban a különbözı tüzelıanyagok elégetése útján nyerik, máskor viszont az elektromos energiát alakítják át hıenergiává. Nem lebecsülendı a kémiai reakciók által termelt hımennyiség sem. Több olyan exoterm folyamatot ismerünk, amelyben a reakcióhı biztosítja a gyártási folyamathoz szükséges hıt (ezeket un. autoterm folyamatoknak hívjuk: ammónia szintézise, kén-dioxid oxidációja kén-trioxiddá, pirit pörkölés).

Az elektromos energia ott alkalmazható, ahol ez fizikailag lehetséges és gazdaságos megoldásnak tekinthetı. Elınye, hogy szállítása és más energiaformává való átalakítása könnyen megvalósítható, tiszta munkafeltételeket biztosít, stb. Az elektromos energiát közvetlenül használják nagyszámú készülék üzemeltetéséhez, az automata rendszerek mőködtetéséhez, és különbözı elektrokémiai folyamatok (konyhasó elektrolízise, timföld elektrolízise, galvanizálás, stb.) megvalósításához. Alkalmazzák metallurgiai és más típusú kemencék főtésére, az ércek elektromágneses úton való dúsítására, igen elterjedt elektromos szőrık különféle típusainak mőködtetésére stb.

A közvetlen fogyasztók általában 220-, 380- vagy 500 V feszültségő egyen- vagy váltóáramot használnak. Nagyobb fogyasztók a gazdaságosabban szállítható 3-, 6-, 10-, esetleg 15 kV-os áramot alkalmazzák. Leggyakoribb a 380 V-os, háromfázisú, 50 Hz frekvenciájú váltóáram. Váltóáramból egyenirányítók segítségével nyerhetı az egyenáram, melyet fıleg az elektrokémiai folyamatok végrehajtására és az egyenáramú motorok üzemeltetésére használnak. (egyenirányítás). Az elektromos energia nagy távolságokra nagy feszültséggel szállítható, mivel így kisebb a veszteség.

A nagyfeszültségő hálózatok általában 100-, 250-, 300- és 400 kV-osak. A feszültség csökkentése vagy növelése a különbözı távolságokon megépített transzformátorállomásokon található transzformátorokkal történik. A magas elektromos energia igényő és sok gızt fogyasztó termelıegységek közelébe érdemes hıerımővet építeni, mivel ilyen feltételek mellett az elektromos energia elıállítása gazdaságos. A hıerımővek leegyszerősített mőködési elve, hogy a fosszilis tüzelıanyagokkal (ásványi szenek, szénhidrogének: kıolaj, földgáz) főtött gızkazánokban gız

32 termelıdik, mely egy gızturbinát hajt meg, ami egy hozzákapcsolt villamos generátor útján elektromosságot fejleszt. Az elektromos energiaszolgáltatásnak folyamatosnak kell lennie, mivel csak így biztosítható a készülékek, gépek és berendezések zavartalan mőködése. Az áramszolgáltatásban elıálló kisebb megszakítások jelentıs zavart okozhatnak a termelésben. Egy rövidebb termeléskieséssel is jelentıs gazdasági veszteség társítható, míg egyes esetekben a berendezések súlyos károsodását idézheti elı egy áramkimaradás.

A mechanikai energiát, melyet a különféle motorok szolgáltatnak, igen elterjedten használják a fizikai mőveletek elvégzéséhez (szőrés, keverés, centrifugálás, osztályozás, zúzás stb.).

A kémiai energia különbözı reakciókban keletkezik (oxidáció -beleértve a tüzelıanyagok égetését is-, polimerizáció, különbözı anyagok bomlása stb.) és használódik el.

A fényenergia elısegíti a fotokémiai folyamatokat, foto-elektromos cellákban elektromos energiává alakítható, míg a Nap sugárzó energiájából hıenergiát nyerünk. Számítások szerint a Nap

által kisugárzott hı csaknem végtelen mennyiségőnek tekinthetı; évi mennyisége 1.17⋅1031 kJ.

Ennek a Föld felé irányuló része 5.86⋅1021 kJ/év, s ebbıl a Föld felszínére jut 2.51⋅1021 kJ/év.

Érdemes rámutatni arra is, hogy a Föld összes ásványi szén-, kıolaj- és földgáz tartalékának

elégetése útján csupán 3,35⋅1019 kJ nyerhetı. Ezzel szemben a Föld urán és tórium készletébıl

6,07⋅1020 kJ hıenergia fejleszthetı, ami lényegesen nagyobb, mint a Föld tüzelıanyag-készletébıl

nyerhetı mennyiség. Ez érthetıvé teszi azt a világviszonylatban jelentkezı általános törekvést,

33 hogy atomerımővek segítségével minél több energiát termeljenek. Nem elhanyagolható az a szempont sem, hogy 1 kg urán 235-ös izotópból ugyanannyi hı fejleszthetı, mint amennyi 3000000kg jó minıségő kıszén elégetése során szabadul fel (1 kg U235 izotópból kb. 23 millió kWh energiát lehet nyerni, míg 1 kg kıszénbıl 8.1 kWh-t). Ezt leegyszerősítve, ha urán szállítása esetén 1 darab vasúti kocsira van szükség, kıszén esetében 3 millió vasúti kocsit kell felhasználni [4].

Érdekességként említjük csak meg, hogy tekintélyes mennyiségő természetes eredető hı nyerhetı termálvizek felhasználásával, vagy geotermikus központok építésével. Ilyenkor a Föld mélyében rejlı hıenergiát egy energiahordozó segítségével (például vízzel) hozzák a felszínre, sokszor 100 méternél is nagyobb mélységbıl. Ez a módszer különösen az aktív vulkánokhoz közelálló területeken alkalmazható jó eredménnyel. Az így nyert hıt (rendszerint meleg víz vagy vízgız alakjában) helyiségek főtésére, növényházak melegítésére stb. használják. Az említett természetes energiaforrásokon kívül jelentıségük van még azoknak, amelyek kinetikai energiát tartalmaznak.

Jelentıs mozgási energiával rendelkezik például a szél-, tenger- és folyóvíz. Ezek esetében a kinetikai energiát elıbb mechanikai energiává alakítják át, majd ezt munkavégzésre használják, vagy ha szükséges megfelelı generátorok segítségével villamos energiatermelésre használják. A kinetikus energiaforrásokat felhasználó erımővek közül a legnagyobbak és a legtöbb mechanikai-, illetve villamos energiát a vízerımővek termelik.

34 2. A KÉMIAI TECHNOLÓGIAI FOLYAMATOK MEGISMERÉSE

Miután megismerkedtünk azokkal a legjellemzıbb alapfogalmakkal, amelyek gyakran használatosak a mindennapokban egy teljes vegyipari technológia mőködését illetıen, tovább építjük e gondolatmenetet. Az alábbiakban bemutatatjuk, hogy milyen módszerekkel lehet a technológiai folyamatokat ábrázolni, kiemeljük az anyag- és energiamegmaradás törvényének vegyipari technológiákban való érvényesülésének fontosságát, majd ismertetjük a technológiai folyamatok gazdaságosságával kapcsolatos fogalmakat. Egy vegyipari technológia gazdaságos mőködése szempontjából kiemelt jelentıségő a mőveleti egységben lejátszódó kémiai reakció ideje, illetve a kémiai reakció sebessége. Ugyan a kémiai reakciók sebességével a reakciókinetika foglalkozik, mely a fizikai kémia tárgyát képezi, de ebben a fejezetben is felelevenítjük a témához kapcsolódó legfontosabb ismereteket. Említést teszünk a szerkezeti anyagokat érintı káros folyamatról, a korrózióról is. Végül próbálunk rávilágítani a vegyipari folyamatok sokszínőségére, melyek segítségével használati termékek széles spektruma állítható elı.