CC BY
77
УДК 543.226:541.123.7
А. С. Трунин, Т. В. Кастерина, И. В. Юлина Самарский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОДОНИТРАТНЫХ СИСТЕМ КАК КОМПОНЕНТОВ АЛЬТЕРНАТИВНЫ1Х ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ
Во все времена человечество сталкивалось с проблемами, решение которых требовало от него принципиального изменения в подходах к своему образу жизни. В конце 20-го и начале 21-го века перед человечеством встала задача обеспечить устойчивое развитие своих территорий (стран, регионов). К этому времени люди (Homo sapiens) давно перестали быть малым возмущением в природе, но только-только начали это понимать.
Понятие «устойчивое развитие» многоаспектно: его определяют как «экологически устойчивое экономическое развитие» и как «достижение высокого качества окружающей среды и здоровой экономики, экономического развития, безопасного для окружающей среды». Для человечества, все существование которого построено на потреблении в том или ином виде энергии, понятие «устойчивое развитие» должно в первую очередь означать «устойчивое обеспечение своих энергетических потребностей». С каждым годом уровень потребляемой энергии заметно растет, в то время как запасы органического топлива сокращаются. В первобытные времена человечество потребляло около 5 млн МВт • ч/год. Энергопотребление удваивалось каждые 15-20 лет за счет роста энергопотребления на душу населения и демографического роста. За исторический период оно выросло более чем в 30 000 раз, продолжает расти приблизительно на 2-3 % в год и составляет сейчас около 120 млрд МВт • ч/год [1].
Возникает принципиально важный вопрос, от решения которого во многом будет зависеть будущее: какой путь будет выбран - наращивание энергетических мощностей за счет развития атомной энергетики и использования ископаемых ресурсов или развитие энергосбережения и использование возобновляемых источников энергии? В соответствии с прогнозами, доля нефти в структуре мирового потребления с 1997 по 2020 г. сократится с 40 до 38 %, а к 2050 г. - до 25 %, однако она останется основным энергоносителем в мире. Ожидается, что к 2020 г. объём мирового потребления нефти составит 110 млн баррелей в сутки [2]. Однако «нефтяные войны» скорее доказывают все возрастающий дефицит «жидкого золота».
С такими темпами освоения природных ресурсов век топливной энергетики недолог. По различным оценкам, мировые ресурсы нефти составляют 300-370 млрд т, газа - 220 трлн м3. Разведанные запасы нефти составляют 137 млрд т, газа - 142 трлн м3. При современном уровне потребления энергоресурсов нефти должно хватить на 35-50 лет, а природного газа - на 50-73 лет [3].
Уменьшает энергетический век нефти и то, что она является исходным сырьем для химической промышленности. По мере истощения нефти химики начнут выражать тревогу, предложат более высокие цены. Кроме того, существуют еще военные и химические расходы. Если предположить, что до 2100 г. на производство масел, пластмасс, резины, битума, растворителей и т. д. понадобится ежегодно 1 млрд т нефти, то окажется, что нефти для энергетики уже не осталось и сейчас сжигается химическое сырье ближайших поколений [4]. Оптимистичен прогноз руководства нефтегазовой компании "Shell", второй в мире по объемам производства, согласно которому нефть перестанет пользоваться спросом задолго до того, как иссякнут ее запасы. Нефть - один из самых «милитаризованных» продуктов: боеприпасы современных армий не смогут применяться, если не будет нефти. Это самое массовое оружие поражения, и перед окончательным истощением нефти произойдет самая жестокая схватка за энергоресурсы. Именно поэтому любые перспективные энергоисточники не только желательно, но и просто необходимо внедрить до истощения ресурсов нефти.
Производство и использование энергии всегда сопровождались экологическим ущербом, в этом энергетическая отрасль была и до сих пор остается «лидером» среди остальных отраслей производства. В «букете» экологических проблем любого города, промышленного района или страны энергетика занимает значительное место. Экологический ущерб от энергетики носит комплексный характер: загрязняются воздух, вода, почва, отчуждаются земли под шахты, электростанции, хранилища радиоактивных отходов и т. д. В докладе Программы ООН по окружающей среде (ЮНЕП) 2001 г. отмечается, что загрязнение воздуха, которое, по оценкам экспертов, приводит к смерти 500 000 человек ежегодно, в значительной степени обусловлено сгоранием на электростанциях, в промышленных печах и автомобильных двигателях ископаемого топлива. Кроме того, загрязнение воздуха является причиной от 4 до 5 млн новых случаев хронического бронхита, а также миллионов случаев возникновения других серьезных заболеваний [5]. Влияние ухудшения экологической ситуации на здоровье населения становится все заметнее. Снижение продолжительности жизни в России - не однозначный, но сильный пример. Стабилизационные модели требуют до половины вырабатываемой энергии тратить на цели экологии [4]. В действительности развитые страны на экологию расходуют до 3 % энергии, а Россия - 0,5 %. К этому добавляются кислотные дожди, озоновые дыры, обеслесивание, опустынивание, окисление озер и гибель животных и растений, зависящих от сохранения местообитаний. Только этих фактов достаточно для того, чтобы начать поиск новых источников энергии и изменение системы ее использования. Однако до сих пор не известно ни одного экологически безвредного способа получения энергии, даже солнечные станции и ветровые установки оказывают
воздействие на окружающую среду (шум, отчуждение земель и пр.). Тем не менее экологический ущерб от возобновляемых источников энергии многократно меньше, чем от традиционных источников, и переход на них в перспективе безальтернативен [6].
В ходе последних исследований было установлено, что некоторые многокомпонентные физико-химические системы типа горючее-
окислитель с элементами органических и неорганических соединений вступают в экзотермическое взаимодействие (без доступа кислорода воздуха), выделяя при этом значительное количество нейтральных газов (рабочих тел), способных к эффективной работе расширения. В рамках поставленной задачи был произведен анализ перспективных горючих - во-дородоносителей на основе соединений, содержащих водород, азот, кислород и др. Эти вещества являются перспективными синтетическими азотоводородными монотопливами, назначение которых - механическая работа [7]. Основными компонентами являются нитрат аммония (недефицитный окислитель) и карбамид (восстановитель) с добавлением других веществ. Энергосодержащие композиции из них относятся к возобновляемым источникам топлива. Необходимо осуществить замену нефти как дорогого, невозобновляемого природного ископаемого.
В рамках поиска пути решения поставленной задачи (нахождения компонентов и смесей как ингредиентов альтернативного топлива) был выполнен анализ некоторых перспективных систем, их физико-химических свойств, а также изучены гетерогенные равновесия ряда актуальных двухкомпонентных и трехкомпонентных систем в растворах и расплавах.
Целью исследования явилось изучение физико-химических свойств и гетерогенных равновесий систем: карбамид-нитрат калия-вода, карба-мид-аммиачная селитра-вода, аммиачная селитра-нитрат калия-вода. Ингредиенты и композиции этих систем могут быть использованы для разработки альтернативных энергоносителей.
Методы исследования
Исследования проводили с помощью визуально-политермического анализа [8]. Сущность визуально-политермического метода определения температуры кристаллизации (плавления) заключается в визуальном наблюдении температуры появления первых кристаллов, которые выделяются при медленном охлаждении и энергичном размешивании раствора, и температуры исчезновения кристаллов при нагревании.
Температуру кристаллизации каждого раствора определяли неоднократно до получения воспроизводимых результатов. Теоретически температура кристаллизации должна совпадать с температурой плавления раствора при охлаждении и нагревании системы соответственно. Практика показала, что удобнее всего регистрировать температуру кристаллизации. Эти данные обладают наибольшей сходимостью и увеличивают точность и достоверность эксперимента. По совокупности данных о температуре кристаллизации (плавления) раствора, полученных при последовательном
изменении состава, строят диаграмму состав-температура кристаллизации (плавления). В качестве охлаждающей среды использовали криогидрат-ную смесь Н20 (лед)-КаЄІ при 30 % последнего [9]. Она обеспечивает охлаждение исследуемых растворов до -21 °С. Равновесную температуру кристаллизации (плавления) определяли с помощью большого психометрического термометра с диапазоном температур от -30 до +50 °С и точностью до 0,2 °С. Составы выражали в процентах по массе, температуру -в градусах стоградусной шкалы и шкалы Кельвина.
Моделирование элементов фазового комплекса системы
На основе метода, предложенного Н. С. Мартыновой и М. П. Суса-ревым, разработан алгоритм расчёта характеристик трёхкомпонентной эвтектики. Созданный программный комплекс [10] включает в себя базы данных элементов огранения трёхкомпонентных систем - одно- и двухкомпонентных систем. Возможность отказаться от эксперимента вообще или уменьшить его объём представляется особенно примечательной, т. к. даже единичный эксперимент по-прежнему является самой трудоемкой составляющей исследования и требует существенных затрат времени.
Апробация предложенного метода компьютерного моделирования показала, что при достаточной точности вводимых данных об элементах огранения погрешность моделирования эвтектик не превышает экспериментальной: в среднем по составам - не более 3 % , по температуре - менее 2 %. Данные моделирования подтверждались экспериментально - визуаль-но-политермическим и дифференциально-термическим анализом. В табл. 1 приведены характеристики исходных компонентов.
Таблица 1
Исходные компоненты и их температура плавления
Вещество Температура плавления Литература
оС К
Аммиачная селитра 169,6 442,6 [11]
Карбамид 132,7 405,7 [9]
Нитрат калия 306,5 579,5 [12]
Вода 0 273 [9]
В табл. 2 приведены данные по двухкомпонентным системам.
Таблица 2
Двухкомпонентные эвтектические системы
Система г, °С Т, К % масс. Литература
СО(МН2)2-Н2О -11,4 261,6 31,5 (С0^Н2)2) [13]
КМ03-Н20 -3,4 269,9 10,5 (КШ3) [14]
ад N03-^0 -16,9 256,1 42,7 (т, N03) [15]
С0(МН2)2-КМ03 110,1 383,1 24,6 ^N03) [16]
NН4 N03^0^2)2 41 314 56 ^Н4 N03) [17]
NН4 N03-^03 157 430 11 ^N03) [17]
Моделирование характеристик трёхкомпонентной эвтектики
С использованием программы [18] рассчитаны характеристики тройной эвтектики, которые представлены в табл. 3. Данные подтверждены экспериментально.
Таблица 3
Характеристики тройных эвтектик
Система Т емпература эвтектики, °С Состав, % масс.
C0(NH2)2-KN03-H20 -11,6 CO(NH2)2 31,18 KNO3 1,1 Н2О 68
NH4 N0b-C0(NH2)2-H20 -21 CO(NH2)2 25,15 NH4 NO3 32 Н2О 42,85
NH4 NO3-KNO3-H20 -19,6 KNO3 2,1 NH4 NO3 16,2 Н2О 81,7
Выводы
1. Получены характеристики эвтектик трёхкомпонентных систем: карбамид-нитрат калия-вода -11,6 °С; карбамид-аммиачная селитра-вода -21 °С; аммиачная селитра-нитрат калия-вода -19,6 °С.
2. При кристаллизации расчётного состава были получены единичные пики, свидетельствующие об отсутствии других фаз, кроме эвтектической.
3. Погрешность моделирования температуры и составов тройных эвтектик относительно эксперимента не превышает 2-3 % по данным [18].
4. Полученные экспериментальные данные являются этапом изучения систем с азотосодержащими компонентами. Планируется создание базы данных для последующего моделирования эвтектических точек многокомпонентных систем по данным об элементах огранения. Последние являются основополагающими в разработке наиболее приемлемых неуглеводородных источников энергии.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Конторович А., Коржубаев А., Лившиц В. Сколько топлива нужно 21 веку? // Нефть России. - 1999. - № 11. - С. 25-29.
2. Галаджий И. Что нас ждет за горизонтом // Нефть России. - 1999. - № 12. -С. 50-54.
3. Подгорный И. Альтернативные источники энергии / Сетевой проект «Остров Крым в океане Всемирной паутины», 2000.
4. Иванов Г. Котлы для «энергетического рая» // Нефть России. - 2001. - № 3. -С. 30-32.
5. Molly O. Mearea Sheehan. State of the Word 2001 / ИСАР-Сибирь // Медвежий угол. - 2001. - № 6-7.
6. Мазут М. Глоток из «возобновляемого источника» // Нефть России. - 1999. -№ 11. - С. 72-75.
7. Макаров А. Ф., Трунин А. С. Альтернативные азотно-водородные топлива и окислители // Изв. СНЦ РАН. Спец. вып. «Химия и химическая технология».
- Самара, 2004. - С. 230-242.
8. Трунин А. С., Петрова Д. Г. Визуально-политермический метод. - Куйбышев: КПТИ, 1977. - 39 с.
9. Краткая химическая энциклопедия / Под. ред. И. Л. Кнунянц. - Т. 5. - М.: Сов. энцикл., 1967. - С. 42.
10.Автоматизация математического моделирования характеристик нонвариант-ных эвтектических точек трехкомпонентных систем методом Мартыновой -Сусарева / А. С. Трунин, А. В. Будкин, Е. Ю. Мощенская и др. // Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. - 2004. - № 26. - С. 159-164.
11. Глушко В. П. Термические константы веществ. - Вып. 3. - М.: ВИНИТИ, 1968.
- Табл. 21. - С. 30.
12. Глушко В. П. Термические константы веществ. - Вып. 10, ч. 1. - М.: ВИНИТИ, 1968. - Табл. 101. - С. 170.
13. Система карбамид-вода / А. С. Трунин, Е. А. Андреев, И. В. Юлина, О. Е. Моргунова // Актуальные проблемы современной науки: Тр. 5-й Между-нар. конф. молодых ученых. - Самара, 2004. - С. 139-140.
14. Трунин А. С., Починова Т. В., Андреев Е. А. Исследование двухкомпонентной системы нитрат калия-вода // Актуальные проблемы современной науки: Тр. 5-й Междунар. конф. молодых ученых. - Самара, 2004. - С. 142-143.
15. Трунин А. С., Починова Т. В., Андреев Е. А. Система аммиачная селитра-вода // Актуальные проблемы современной науки: Тр. 5-й Междунар. конф. молодых ученых. - Самара, 2004. - С. 136-138.
16. Трунин А. С., Климова М. В., Мурашов Б. А. Исследование системы карбамид-нитрат калия // Актуальные проблемы современной науки: Тр. 5-й Междунар. конф. молодых ученых. - Самара, 2004. - С. 148-149.
17.Диаграммы плавкости солевых систем: Справ. / Под. ред. В. И. Посыпайко, Е. А. Алексеевой. - М.: Металлургия, 1977. - 415 с.
18. Св-во об офиц. регистрации программы для ЭВМ «Моделирование нонвари-антных точек трёхкомпонентных эвтектических систем» № 2005611159 от 19.05.2005 / А. С. Трунин, Е. Ю. Мощенская, А. В. Будкин, О. Е. Моргунова, М. В. Климова.
Получено 23.06.2006
THE STUDY OF WATER-NITRATE SYSTEMS AS COMPONENTS OF ALTERNATIVE ENERGY CARRIERS
A. S. Trunin, T. V. Kasterina, I. V. Yulina
Urgent energy problems of our modem world make us pay attention to alternative sources of energy. The study of combustible hydro-supports containing hydrogen, nitrogen, oxygen and other elements is a perspective direction. Features of eutectics of ternary water-nitrate systems are studied by means of visual-polythermic method of the analysis. Single peaks testifying to the absence of other phases except eutectic have been received at crystallization of the design composition. The experimental data are only a stage of the study of the systems with components containing nitrogen. The creation of a database for the following modeling of eutectic points of multicomponent systems due to the date of cutting elements is planned. These elements are basic in the development of the most acceptable nonhydrocarbon sources of energy.
