化学工业与我们的生活-2能源与化学PPT

化学工业与我们的生活徐培泽第四章化学与能源

概述煤石油天然气化学电源核能清洁能源一、基本概念能量形式:机械能(风能、水能等)、电磁能、热能、化学能、原子能、光能。能源:自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。能源种类：按生成方式分:天然(一次)能源和人工(二次)能源按原始来源分:地内能源和地外能源以及相互作用能源。按对能源的认识过程分：常规能源和新能源。天然(一次)能源和人工(二次)能源4.1概述二次能源：它是指经过消耗一次能源加工转化而产生的诞生能源。如电能、热能、煤气、柴油、氢能、焦炭、沼气等。

非再生能源：石油、天然气、原煤、核燃料等一次能源

再生能源：太阳能、风能、水能、海洋能生物质能地内能源：地热能(地下蒸气、温泉、火山)、核能地外能源：主要来自太阳，包括由太阳能转变来的风能、水能、矿物燃料(煤，石油等)，及少量宇宙辐射能相互作用能源：主要指潮汐能。常规能源：已被广泛利用的能源，如煤、石油、水力、电能新能源：原子能、太阳能(对发展中国家而言)、雷电能、宇宙射线能、火山能、地震能等。二、能源问题能源模式的演变：木材→煤→石油→核能或多种形式能源目前人类使用的能源储量和分布

非再生能源:石油、天然气、煤炭和裂变核燃料约占能源总消费量的90%左右;再生能源:水力、植物燃料等只占10%左右再生能源分布:太阳能占99.44%,水能、风能、地热能、生物能等不到1%在非再生能源中，太阳能(聚变核能)几乎占100%，煤炭、石油、天然气、裂变核燃料加起来也不足千万分之一。所以，人类使用的能源归根到底要依靠太阳能，太阳能是人类永恒发展的能源保证。世界能源储量分布与利用世界非再生能源储量分布:美国开采策略、渤海湾污染、康菲石油，美国的污染赔偿中东地区:石油储量最多,占56.8%；伊拉克、利比亚战争欧洲:天然气和煤炭储量最多,各占54.6%和45%，沙特生活亚洲、大洋洲:煤炭各占18%，石油、天然气只有5%我国能源资源地区分布不均衡煤炭，主要集中在华北和西北石油、天然气，主要分布在黑龙江、辽宁、河北、河南、山东、四川、甘肃和新疆等省区内可开发水力资源有，主要集中在西南太阳能和风能资源丰富，有很大利用潜力。我国能源资源丰富煤炭资源(探明储量)和水力资源均居世界第一位；石油资源占世界第十一位；天然气资源占世界第十四位；太阳能资源居世界第二位；潮汐、地热、风力和核燃料资源都很丰富。人均占有量很少，只有世界平均水平的一半。利用能源的过程直接污染地球环境。主要来源：1)煤、石油等燃料的燃烧废气；2)汽车排放的废气；3)工业生产(化工厂、炼焦厂等)过程中产生的废气。大气污染：1)酸雨问题；2)温室效应；3)臭氧层破坏。能源问题即环境与能源关系问题

联合国提出可持续发展概念，即要满足当代人的需要，又要考虑不损害后代的需要。因此,今后的能源战略是多元结构的能源系统和高效清洁的能源技术。三、我国能源的现状和未来1、能源总量丰富、人均不足煤炭探明储量1.5Tt(Tt=1012t)，居世界第一位；石油7.0Gt（Gt=109t），第十一位；天然气33.3Tm3,第十四位；水力资源及水电第一位。

G千兆，109；T兆兆，1012商品能源人均耗量800kg标准煤，仅为世界平均值的1/3。而单位国民生产总值能耗则是世界最高的国家之一。造成能源短缺，利用率低、浪费严重、污染成害。2、改善能源结构、提高能源利用率煤炭和石油是我国的主要能源，民用煤的利用率只相当发达国家的四分之一，石油大部分依赖进口。能源生产和使用面临经济发展需求和环境质量改善的双重压力，能源短缺和浪费同时存在。能源政策重点：改善能源结构、增加清洁能源比重，提高煤炭转换成电能的比重。加快水电和核能的建设，开发太阳能、风能、地热能、潮汐能和生物能等清洁能源，加强对煤的综合利用，大力提倡节约能源。地球煤开采只能维持200年左右；石油天然气只能维持50年左右。4.2煤

矿物燃料/化石燃料

按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可供人类使用的时间大约还有：储量有限的化石燃料一、煤的燃烧煤的形成：煤主要是由古代植物在地下隔绝空气的条件下，经过数亿年的地热高温、高压和细菌作用，而形成的一种由有机物和无机物所组成的复杂的混合物。根据煤化程度不同，可分为泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤。煤的主要成分是碳、氢、氧，还含有氮、硫、磷等元素，以及泥、沙等矿物质和水分。煤的燃烧大致经历热干燥、挥发份析出、着火燃烧、剩余焦炭的着火和燃烧等过程。无烟煤泥煤褐煤煤的开采按含硫质量分数分为：低硫煤（小于1.5%）、中硫煤（1.5%-2.5%）、高硫煤（2.5%-4.0%）、富硫煤（大于4%）。用途……

二、煤的气化煤的气化反应是指用氧、空气、水蒸气等氧化剂与高温煤层或煤粒相互作用，使煤中有机物在氧气不足的情况下进行不完全氧化，转化成含有氢气、甲烷、一氧化碳等的可燃性混合气体的过程。煤的高温干馏将煤在隔绝空气的条件下，加热到600-800℃，煤中的有机物受热分解，生成焦炭和主要含甲烷、挥发性有机物的焦炉煤气。煤的发生炉气化将空气通入高温煤层，得到含二氧化碳、一氧化碳、氢气、氮气的空气煤气。热值不高煤的水煤气化将水蒸气通入高温煤层使之煤气化，产生的气体是水煤气。（主要成分是CO和H2）热值较高半水煤气干馏产品主要成分用途出炉煤气焦炉气氢气、甲烷、乙烯、一氧化碳气体燃料、化工原料粗氨水氨、铵盐氮肥炸药、染料、医药、农药、合成材料煤焦油苯、甲苯、二甲苯酚类、萘染料、医药、农药、合成材料沥青筑路材料、制碳素电极焦炭碳冶金、合成氨造气、电石、燃料干馏产品及主要用途煤的加氢气化将煤先转化成煤气，然后将煤气转变成富含甲烷的干净煤气。热值极高合成气将纯氧和水蒸气在加压下通入高温煤层，煤中的苯酚等挥发出来，生成含氢气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳的气态混合物燃料，称混合气。煤气的用途：用作燃料；化工原料；煤气化联合循环发电。三、煤的液化直接液化：在高温和高压下，将煤粉碎与溶剂混合，通入氢气和催化剂，进行加氢裂化。间接液化：将煤先气化，然后在较低的压力和温度下反应。据催化剂和反应条件不一样，最终产物可为石蜡、烯烃类、醇类。替代石油四、水煤浆将煤炭、水、部分添加剂，磨碎后成为一种类似于石油的可以流动的煤基流体燃料。优点：燃烧效果好；环保效果明显；工艺上具有许多优越性；4.3石油石油是多种碳氢化合物的混合物，主要是烷烃、环烷烃、芳香烃、烯烃、少量有机硫化物、有机氧化物、有机氮化物。一、石油的成因现在观点，大多数石油是由埋藏在地下沉积层中的有机物经过几百万年在75～200℃的温度下形成的。微生物将地表以下的有机物转化为碳氢化合物，剩下的埋藏在深层地底(通常具有商业价值的油田都位于地表以下500米－700米深处，最深的油井在约6公里深的地底)的有机物则在温度和压力下经过分解及复杂的化学反应生成石油。二、石油化工的作用

1．石油化工是能源的主要供应者

石油化工，主要指石油炼制生产的汽油、煤油、柴油、重油以及天然气是当前主要能源的主要供应者。

2.石油化工是材料工业的支柱之一

金属、无机非金属材料和高分子合成材料，被称为三大材料（塑料、橡胶、纤维）。除合成材料外，石油化工还提供了绝大多数的有机化工原料。

3．石油化工促进了农业的发展

农业是我国国民经济的基础产业。石化工业提供的氮肥占化肥总量的80，农用塑料薄膜的推广使用，加上农药的合理使用以及大量农业机械所需各类燃料，形成了石化工业支援农业的主力军。

4．各工业部门离不开石化产品

现代交通工业的发展与燃料供应息息相关，可以毫不夸张地说，没有燃料，就没有现代交通工业。金属加工、各类机械毫无例外需要各类润滑材料及其它配套材料，消耗了大量石化产品。

建材工业是石化产品的新领域，如塑料关材、门窗、铺地材料、涂料被称为化学建材。轻工、纺织工业是石化产品的传统用户，人们的衣食住行，无不有石化产品的身影。三、石油化工的概念

是化学工业的重要组成部分，在国民经济的发展中有重要作用，是我国的支柱产业部门之一。石油化工指以石油和天然气为原料，生产石油产品和石油化工产品的加工工业。石油产品又称油品，主要包括各种燃料油（汽油、煤油、柴油等）和润滑油以及液化石油气、石油焦碳等。生产这些产品的加工过程常被称为石油炼制，简称炼油。石油化工产品以炼油过程提供的原料油进一步化学加工获得。第一步是对原料油和气（如丙烷、汽油、柴油等）进行裂解，生成以乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯为代表的基本化工原料。第二步是以基本化工原料生产多种有机化工原料（约200种）及合成材料（塑料、合成纤维、合成橡胶）。四、石油产品：石油产品可分为：石油燃料、石油溶剂与化工原料、润滑剂、石蜡、石油沥青、石油焦等6类。其中，各种燃料产量最大，约占总产量的90％；各种润滑剂品种最多，产量约占5％。

1、汽油是消耗量最大的品种。汽油主要用作汽车、摩托车、快艇、直升飞机、农林用飞机的燃料。无色至淡黄色的易流动液体。石油中的轻油馏分：石油常压蒸馏40℃至200℃馏分。抗爆性：指汽油在各种使用条件下抗爆震燃烧的能力。车用汽油的抗爆性用辛烷值表示。辛烷值高，抗爆性好。原油储罐异丙苯生产装置夜景海南炼化远眺油品罐区压缩机汽油的牌号：通常按辛烷值划分，其数值与辛烷值相同，有90#、93#、97#等。国III、国IV

安定性：指汽油在自然条件下，长时间放置的稳定性。用胶质和诱导期及碘价表征。胶质越低越好，诱导期越长越好，碘价表示烯烃的含量。2、煤油沸点范围为180~310℃，主要供照明、生活炊事用。要求火焰平稳、光亮而不冒黑烟。目前产量不大。但我国民用航空事业发展较快，航空煤油市场增加较快。3、燃料油

用作锅炉、轮船及工业炉的燃料。4、石油溶剂

用于香精、油脂、试剂、橡胶加工、涂料工业做溶剂，或清洗仪器、仪表、机械零件。5、润滑油

从石油制得的润滑油约占总润滑剂产量的95％以上。除润滑性能外，还具有冷却、密封、防腐、绝缘、清洗、传递能量的作用。产量最大的是内燃机油（占40％），其余为齿轮油、液压油、汽轮机油、电器绝缘油、压缩机油，合计占40％。6、润滑脂

俗称黄油，是润滑剂加稠化剂制成的固体或半流体，用于不宜使用润滑油的轴承、齿轮部位。7、石蜡油

包括石蜡（占总消耗量的10％）、地蜡、石油脂等。石蜡主要做包装材料、化妆品原料及蜡制品，也可做为化工原料产脂肪酸（肥皂原料）。8、石油沥青

主要供道路、建筑用。9、石油焦

用于冶金（钢、铝）、化工（电石）行业做电极。除上述石油商品外，各个炼油装置还得到一些在常温下是气体的产物，总称炼厂气，可直接做燃料或加压液化分出液化石油气，可做燃料或化工原料。炼油厂提供的化工原料品种很多，是有机化工产品的原料基地，。常压下的气态原料主要制乙烯、丙烯、合成氨、氢气、乙炔、碳黑。液态原料（液化石油气、轻汽油、轻柴油、重柴油）经裂解可制成发展石油化工所需的绝大部分基础原料（乙炔除外），是发展石油化工的基础。炼油厂还是苯、甲苯、二甲苯等重要芳烃的提供者。

4.4天然气

主要成分是甲烷，少量乙烷及其他碳氢化合物，着火点为810-2010K，爆炸范围是5-14%。家用天然气液化天然气可燃冰：天然气水合物（NaturalGasHydrate），是一种白色固体物质，外形像冰。北极，深海，机器人5000米可燃冰是天然气分子（烷类）被包进水分子中，在海底一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、PH值等）下结晶形成的。一旦温度升高或压强降低，甲烷气则会逸出，固体水合物便趋于崩解。（1立方米的可燃冰可在常温常压下释放164立方米的天然气及0.8立方米的淡水）易燃气体的安全使用瓦斯：英文Gas。主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数。瓦斯爆炸：瓦斯浓度在5-16%之间，浓度为9.5％时其爆炸威力最大当爆炸混合物吸收一定能量（通常是引火源给予的热能）后，反应分子的链即行断裂，离解成两个或两个以上的自由基。在适合的条件下，每一个游离基又可以进一步分解，再产生两个或两上以上的游离基。这样循环不已，游离基越来越多，化学反应速度也越来越快，最后就可以发展为燃烧或爆炸式的氧化反应。所以，瓦斯爆炸就其本质来说，是一定浓度的甲烷和空气中的氧气在一定温度作用下产生的激烈氧化反应。天然气：主要成分是甲烷。比空气轻。爆炸极限5-15%水煤气：主要成分是氢气、一氧化碳、二氧化碳、微量硫化氢。比空气轻。爆炸极限为4.5-40%液化石油气：主要成分是丙烷、丁烷等。比空气重。爆炸极限2-9%。可燃气体燃烧与爆炸危险性评价爆炸极限可燃物质(可燃气体、蒸气和粉尘)与空气(或氧气)必须在一定的浓度范围内均匀混合，形成预混气，遇着火源才会发生爆炸，这个浓度范围称为爆炸极限，或爆炸浓度极限可燃性混合物能够发生爆炸的最低浓度和最高浓度，分别称为爆炸下限和爆炸上限。在低于爆炸下限时不爆炸也不着火，这是由于可燃物浓度不够，过量空气的冷却作用，阻止了火焰的蔓延；在高于爆炸上限不会发生爆炸，但会着火，这是由于空气不足，导致火焰不能蔓延。

爆炸极限气体或蒸气的爆炸极限的单位，是以在混合物中所占体积的百分比(％)来表示，可燃粉尘的爆炸极限是以混合物中所占体积的质量比g／m3来表示

最小点火能是指能引起爆炸性混合物燃烧爆炸时所需的最小能量。

闪点在稳定的空气环境中，可燃性液体或固体表面产生的蒸气在试验火焰作用下被闪燃时的最低温度叫闪点。可燃液体挥发的蒸汽与空气混合达到一定浓度遇明火发生一闪即逝的燃烧，或者将可燃固体加热到一定温度后，遇明火会发生一闪即灭的闪燃现象，叫闪燃。物质名称最小点火能mJ氢气0.019甲烷0.25乙烷0.25环氧乙烷0.065乙烯0.096

爆炸压力可燃气体、可燃液体蒸汽、可燃粉尘与空气的混合物，爆炸物品在密闭容器中着火爆炸时所产生的压力称爆炸压力爆炸压力的最大值称最大爆炸压力。名

称爆炸极限（体积%）最大爆炸压力㎏／㎝2爆炸危险度下限（L）上限(U)标准汽油1.17.08.55.4氢4.075.67.417.9甲烷5.015.07.22.0液化石油气（概略值）1.89.08.64.0义马煤制气（焦炉煤气与此类似）4.9(5)35.6(35)7.06.4乙炔

1.582.010353.74.5化学电源化学电源：利用化学反应把化学能转化成电能的装置。一、化学电源的原理及特点Zn→Zn2++2eCu2++2e→Cu（-）Zn∣ZnSO4‖CuSO4∣Cu（+）化学能直接转化成电能的必要条件：在化学电源中发生的化学过程是有电子得失的氧化还原过程给予适当的装置使反应分别在两个电极上进行，电子必须通过外线路做功电池一般由正极、负极、电解质、容器、隔膜等组成。化学电源的特点：化学能的利用率高容易提高比能量比能量：单位电源设备总质量所输出的总能量，W·h·Kg-1易小型化：功率、体积碱性MnO2、ZnCl2、NH4Cl、H2O碳（石墨）正极Zn负极中性二、常用化学电池1.一次电池--原电池只能使用一次的化学电源放电容量大小主要与电极活性物质有关（1）中性锌-二氧化锰电池（-）Zn∣ZnCl2，NH4Cl（糊状）∣MnO2（石墨）（+）

电池电动势为1.5V（2）碱性锌-二氧化锰电池（-）Zn∣KOH，[Zn（OH）4]2-∣MnO2（+）电容量较中性干电池大3-5倍。（3）锌-氧化汞电池（-）Zn（Hg）∣KOH（糊状，含饱和ZnO）∣HgO（Hg）（+）绝缘体钢套的锌壳多孔隔离物Zn（OH）2和HgO在KOH溶液中的糊状物汞或汞齐2.二次电池--蓄电池放电后可以充电再用的化学电源充电和放电蓄电池一次放电的容量取决于电池内部所含电极活性物质的量和利用率充放电循环次数取决于电极的可逆性及隔膜和结构材料等在充放电循环过程中的稳定性（1）铅-酸蓄电池正极：活性物质二氧化铅负极：海绵状铅电解液：硫酸水溶液PbO2+Pb+2H2SO4→PbSO4+2H2O2.06-2.08V；廉价；比能量低；自放电大。（2）碱式镉-镍电池负极：金属镉正极：氧化镍电解液：KOH或NaOH水溶液（-）Cd∣KOH（或NaOH）∣NiOOH（+）1.2V；使用寿命长，自放电小，低温性能好（3）银-锌蓄电池（-）Zn∣KOH（40%）∣Ag2O（Ag）（+）工作电压稳定，约1.5V；比能量高；内阻小；价格贵，循环寿命短，低温性能较差。（4）氢-镍电池正极：镍化氢负极：氢电池电解液：KOH7mol/L和LiOH15g/L放电：MH+NiOOH→M+Ni（OH）2M为储氢合金，MH为吸附了氢原子的储氢合金。常用储氢合金为LaNi5循环寿命长；承受过充电和过放电的能力强；初始成本高；自放电速度较大（5）锂电池正极材料常选用MnO2或CuO选用非水电解液可以制成一次电池，也可制成二次电池比能量高，使用温度范围宽，体积小，电压随放电时间缓慢下降，可预示电池使用寿命。短路或某些重负荷条件下有发生爆炸的可能性3.燃料电池燃料电池的概念是1839年G.R.Grove提出的，至今已有大约160年的历史。燃料电池是一类连续地将燃料氧化过程的化学能直接转换为电能的电化学电池。以如氢、肼、烃、天然气等燃料作为负极活性物质以氧气、空气等氧化剂作为正极活性物质。4.6核能19世纪末英国物理学家汤姆逊发现了电子。1895年德国物理学家伦琴发现了X射线。1896年法国物理学家贝克勒尔发现了放射性。1898年居里夫人发现新的放射性元素钋。1902年居里夫人经过4年的艰苦努力又发现了放射性元素镭。1905年爱因斯坦提出质能转换公式。1914年英国物理学家卢瑟福通过实验，确定氢原子核是一个正电荷单元，称为质子。1935年英国物理学家查得威克发现了中子。1939年德国科学家奥托哈恩用中子轰击铀原子核，发现了核裂变现象。1942年12月2日美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆。1945年8月6日和9日美国将两颗原子弹先后投在了日本的广岛和长崎1954年苏联建成了世界上第一座核电站--奥布灵斯克核电站。核能：是指原子核里的核子（中子或核子）重新分配和组合时释放出来的能量。核裂变能：重元素（如铀、钚等）的原子核发生裂变时释放出来的能量核聚变能：轻元素（氘、氚）的原子核在发生聚变反应时释放出来的能量核能的优点：核能是高度浓集的能源，又是地球上储量最丰富的能源核电是清洁能源核电的经济性优于火电以核燃料代替煤和石油，可将煤和石油完全作为化工原料，有利于资源的合理利用。一、原子核的结构和核能1.原子核的结构核子核力质量亏损原子核的结合能每个核子的平均结合能（比结合能）核力核力是使核子组成原子核的作用力核力属于强相互作用力的一类。原子核中有中子、质子，质子是带正电的，所以质子之间会互相排斥，是非常强大的核力将它们吸引在一起，使它们在非常小的区域形成原子核。核反应核衰变：自发过程核裂变核聚变2.核裂变用中子轰击较重原子核，使之分裂成较轻原子核的反应。如U235、U238、Pu239等例：1g铀235释放出的能量为，相当于3吨以上的煤燃烧所释放的能量。链反应裂变临界能和临界体积原子弹3.核聚变核聚变是使很轻的原子核在异常高的温度下合并形成较重的原子核的反应。又称热核反应。1g核燃料产生的能量为3.37×108KJ氢弹二、核能的开发和利用1.核电站反应堆是核电站的核心。反应堆由堆芯、冷却系统、控制保护系统、反射层、屏蔽系统等几部分构成原子核反应堆可分为热中子反应堆堆芯内有慢化剂，如水、铍、石墨、重水等。沸水堆、压水堆、重水堆、石墨堆核燃料的利用率很低快中子增值堆使反应堆中的铀238转变为钚239废料的处理、燃料初装量大、倍增时间长可控聚变堆必要条件：反应温度达一亿摄氏度，并且此时处于高温等离子态的反应物不能与器壁碰撞；等离子体约束时间要达到1s；等离子体密度要达到每立方厘米500万亿个。目前还处于基础研究阶段1954年，前苏联建成世界上第一座核电站；现在世界上有30多个国家的400多座核电站在运行，占世界总电力的20%左右；我国秦山核电站、大亚湾核电站已建成和正式发电，秦山二期、三期核电工程、岭澳核电工程、连云港核电工程也将于近年内建成发电。核电站的安全性一般来说，如果防范措施得当，核电站是很安全的。历史上曾发生过两次核电站核泄露事故：一次是1979年3月18日，美国三里岛核电站堆芯熔毁；另一次是1986年4月26日，前苏联切尔诺贝利核电站4号反应堆发生爆炸。日本地震核事故核电站的主要问题是放射性核废料的处理、储存和最终处置。秦山核电站(30万千瓦)，1991年12月15日并网发电大亚湾核电站(2×90万千瓦)台湾6座,40％。压水堆核电站发电原理2.核武器原子弹：重核裂变铀235、钚239氢弹：轻核聚变氘、氚、氘化锂-6中子弹：中子和γ射线3.核潜艇：以压水堆作为核动力装置4.原子核反应堆燃料的制备和处理丰度：铀235为0.714%，铀238为99.28%，铀233为0.006%破碎的矿石用硫酸或碳酸钠等溶剂将铀浸出→萃取、离子交换、焙烧→八氧化三铀（黄饼，70-90%）→转化为UF6→浓缩（气体扩散法、气体离心法、激光法）掌握核武器的国家，为什么掌握不了，原料、技术核不扩散，使用次数为什么要掌握核武器，朝鲜、伊朗、伊拉克4.7清洁能源一、太阳能1.光-热转换：用集光器或集热器将太阳辐射能转换成热能。太阳