ENERGIJA I GORIVA - · PDF fileObnovljivi izvori energije 1. NEOBNOVLJIOVI OBNOVLJIVI Fosilna goriva." Ugalj Nafta Zemni gas Uljni škriljci Drvo i otpaci Biomasa i biogas

ENERGIJA I GORIVA

■ Energija je sposobnost da se obavi rad.■ Energija je svojstvo i vrsta sposobnosti sistema da proizvede aktivnost (Max

Planck).Da bi se rad ostvario potrebno je dovesti toliko energije koliko iznosi obavljeni rad, odnosno, u telu bi morala da bude akumulirana najmanje tolika količina energije koliko iznosi izvršeni rad.Za potrebe održavanja života i podizanja materijalnog blagostanja, čovek iz svoje okoline uzima supstancu i energiju i izgrađuje materijalni sistem u kome i pomoću koga živi i stvara. Da bi mogao da koristi energiju iz prirodnih izvora čovek je prevodi u oblike pogodne za korišćenje i doprema ih do mesta upotrebe.

■ Energija je prirodna sila koja transformisana u neki oblik služi za obavljanje industrijskih i drugih procesa i radova.

G lobalni izvori energije

• Energija koju stvara Sunce• Kroz proces fotosinteze (rastinje, hrana, fosilna goriva)• Kroz proces strujanja (vetar, struje, talasi)• Neposredna energija sunčevog zračenja• Kroz proces isparavanja (vodne snage)

• Energija koju poseduje Zemlja• Nuklearno gorivo• Geotermička energija• Vrući izvori

• Energija od gravitacije• Energija plime i oseke

Prirodni (primarni) oblici energije

■ Neobnovljivi izvori energije■ Obnovljivi izvori energije

1

NEOBNO VLJIO VI OBNOVLJIVIFosilna goriva.

" Ugalj■ Nafta■ Zemni gas■ Uljni škriljci

Drvo i otpaciBiomasa i biogasVodne snageEnergija Sunčevog zračenjaEnergija vetra

Nuklearna goriva Energija morskih struja i talasaUnutrašnja toplota zemlje (geotermalna energija)----------------------- ►

Energija plime i oseke

Komunalni otpad?Alternativni izvori energije (neboldirani)

Energy Supply by Fuel Type 1998

Rtnevmblt 12%

2

Potrošnja primarne energije u SAD 2003.

Nuclear 8%Natural Gas

23%

Petroleum 40%

Solarna ispod 1% Geotermalna 4,5% Biomasa 45,5% Vetar 2%Hidroelektrična 47%

Coal 23%

Od ukupno utrošene energije u EU 1995. godine:■ 32% potrošeno je u transportu■ 28% u industriji■ 40% u zgradama (2/3 na grejanje i hlađenje)

Neravnom eran razmeštaj i potrošnja energije u svetu25% svetskog stanovništva koristi 70% proizvedene energije u svetu

3

Fosilna goriva učestvuju sa 80-90% u proizvodnji energije u svetu Fosilna goriva tj. fosilne energetske sirovine

a) Ugalj- Treset- Lignit- Mrki ugalj- Kameni ugalj- Antracit

b) Sirova naftac) Prirodni gas ( metan)d) Uljni škriljci

Za najveći broj hemijsko-tehnoloških i metalurških procesa neophodna je toplotna energija. Jedan od izvora toplotne energije su goriva čijim se sagorevanjem oslobađa energija u obliku toplote.

G ORIVA su materije koje se pri zagrevanju u prisustvu kiseonika intenzivno oksidišu uz oslobađanje velike količine toplote koja se može ekonomično koristiti bilo za zagrevanje, bilo za proizvodnju mehaničke i električne nergije. Najveći značaj za industriju i proizvodnju energije imaju goriva sa velikim sadržajem C i H. SAGOREVANJE ili gorenje je hemijska reakcija između goriva i kiseonika koja oslobađa energiju u obliku toplote (a ponekad i svetlosti). Sagorevanje je u stvari pretvaranje hemijske energije goriva u toplotnu energiju.

Gorivo je materija koja pri spajanju sa kiseonikom oslobađa konačnom brzinom izvesnu količinu energije koja se okolini predaje u vidu toplote. Ova hemijska reakcija se zove sagorevanje, a obično je praćena plamenom.Pri sagorevanju se, osim toplotne energije, dobijaju i male količine elektromagnetne energije (svetlost), električne energije (slobodni joni i elektroni) i mehaničke energije (buka).Molekuli goriva pre reakcije imaju u sebi izvesnu količinu energije (vrsta unutrašnje energije), kojom se atomi odrzavaju u određenom poretku. Posle završene reakcije, atomi u novim molekulima zahtevaju manju količinu energije za odrZavanje u novom poretku. Razlika ovih količina energije je oslobođena toplota. Energija potrebna za odrZavanje atoma u određenom poretku se naziva hemijska energija goriva.Gorivo je materija koja postoji u prirodi u velikim količinama, relativno je jeftina, sposobna za transport i uskladištenje, pali se na relativno niskoj temperaturi, sagoreva uz pomoć kiseonika iz vazduha, a gasoviti produkti sagorevanja i čvrsti ostaci nisu preterano škodljivi.Prema agregatnom stanju goriva mogu biti (1) čvrsta, (2) tečna i (3) gasovita, a prema postanku (a) prirodna i (b) veštačka.

U sastav konvencionalnih ugljovodoničnih goriva najčešće ulaze: ugljenik (C), vodonik (H), sumpor (S), azot (N), kiseonik (O), mineralni nesagrorljivi sastojci ili pepeo (A) i voda-vlaga (W).

4

Pod Rorivora sct [?o dcJmicgi, sm&traju sve matcrije kfrja Pii hemijskiiii reakcija- nia sagodrevaiijaihnLikleainograspadadaju dovogne fcoiićuie toplotg da aMnoau koristiti kao izvor eaergge.

j agorgvanjs ie po osnovnim hemijskim rcakcijama kojc sc pri rijcmu odvijaiu proces oksidaciic. Mcdutim* da bi ac naka materija koriitfla i smatrala gorivom nije dovoljno samo da pri saaorevanju daje veliku količinu toolote.

Postojl veliki broj matenja koje ori reakcgaina oksidacije raavijaju znatnc kolidi- ne topiotc aii se nakoriste kao gortya. Primera radi elementami sumpor nri ok$idadii ra- zviia veliku količtnu toplote. Međutinrv produkti njcgove oksidacjjc su otrovpi pa se ni sumpor ni njefiov oksjd SO-s- ne smatraju gorivima. Fotjebno ie znadi da PioduktJ oksi- daciie ne budu otrovni i agre sivni.

Prcma poreklu goriva se dele na prirodna i prirodna fosilna. O prirođna goriva Spada drvo, a u prirodna fosUna sve vrate ugfjeva, nafta, prirodni gas, bituminozni £kriljci. Pnrodna i prirodna fosilna goriva, koja se Cetto nazivaju primama, ne odgovaraju uvek po svoiu kvalilcLu potrebama lriduatrije pa sc stoga podvrgavaju specijabiiin procesima prerade u kojima se poboljSavgu njihove osobine. Goriva dobijena preradom primarnih goriva često se nazivaju vešladka Ui sekundarua.U ovu grupu apadaju koks, drveni ugalj.benzol, aikohol, gas iz ugfja, derivati nafte, itd.

NajopStija klarifikacija goriva možc da &e izvrši prcma fiziCkini osobinama tj. prema agTCgatnijn staiijima. Po ovoj klasirikaciji goriva se dele na Cvrsta, tečna i gaitovita. Najveći znaiaj za industiij sku primenu od čvrstih goriva imaju ugljevi, od tećnih nafta i njeni derivati, a od gasovitih prirodm gaskoji se p reteino saitoji od metana i nešto drugib ugljovodonikj. Gasovita goriva imaju niz prednosti nad čvrstim i teCnim gorivom pa se često vrši gasifikacija ovih,

NjjvažiJje karakteristike goriva su slcdećc: hemijski sastav, topJotna moć, tom-

petalura sagorevanja i kaiakter promena ii toku prccesa zagrevatija.

H em ijski sastav gorivaToplotna moć, temperatura sagorevanja i karakter promene goriva u toku zagrevanja zavise u prvom redu, od njihovog hemijskog sastava.

Klasična goriva se sastoje iz dve osnovne vrste sastojaka: sagorljivih inesagorlji- vih. Odnos i sastav ovih sastojaka je veoma različit kod pojedinih vrsta goriva. Najčešćc je organski deo goriva sagorljiv a neoraanski nije i on čini balast u procesu sagorevania.U neoreanski đeo goriva spadaju vlaga i mineralne materije, Pri tome ie količina vlage prisutne u gorivu zavisna ne samo od vrste goriva već i od načina skladištenia i eksploatacije goriva.

Mineralni deo goriva čine silikati, karbonati, fosfati i sulfidi sledećih elemenata: gvožđa, kaicijuma, magneziiuma, aluminijuma, kaiijuma, natrijuma i drugih. Pri sagorevanju i gasifikaciji mineralni đeo gortva prelaziu pepeo. U procesima suve đestila- cije goriva ovaj deo ulazi u sastav čvrstog produkta destilaciie: koksa ili drvenog ugtja.

Organski deo goriva se sastoji uglavnom iz sledećih elemenata: ugljenika, vodonika i kiseonika, amože pored njih da sađrži i azot i sumpor. Odnosi pojedinih elemenata odreduiu svoistva goriva.

5

Isparijivu materiju u čvrstim gorivima čine gasni i tečni orodukti koji se đobiiaju pri zagrevanju goriva bez prisustvavazduha,tj. pri suvoj destilaciji. Zagrevanjem određe- ne kolićine goriva bez prisustva vazduha do temperature od 850°C određuje se količina isparliive materije u njemu. Od pri tom nastalog gubitka mase oduzima se sadržaj vlage u gorivu da bi se dobio sadržaj isparljive materije. Sadržaj isparljivih materija ie veoma važan u gorivu, na osnovu njega se ocenjuje pogodnost čvrstog goriva za proces suve destilacije.

Od svih nečistoća u gorivu najmanje je poželjan sumpor jer on nepovoljno utiče na kvalitet samog goriva i produkata koji se dobijaju njegovom prerađom. Sumpor se ja- vlia u gorivu u obliku sulflda, sulfata ili organ&kih jedinjenia. U procesima sagorevanja i gasifikacije sulfidni i organski sumpcr se oksiđiše do SOa , a sulfatni sumpor ostaje u pe- pelu. Pri suvoj destilacî goriva sumpor pielazi u gasovite i tećne produkte a znatna ko- lična zaostaje i u čvrstom ostatku posle destilacije.

Zavisno od sastava i svojstva čvrstog goriva biraiu se i metode njegove dalje pre- rađe kao i način primene goriva. Ove karakteristike čvrstog goriva određuju količinu i kvalitet pfoizvoda koji se iz njega đobijaju u hemijskoj prerađi goriva,

U gasovitim gorivima sagorljivi sastojci su samo oni koji nisu potpuno oksidisani, a to su: CO, H2 i CH4, a nesagorljivi N2, C 02 i vodena para.

U Tablici IH.2 prikazan je hemijski sastav različitih čvrstih prirodnih goriva, kao i njihove toplotne vrednosti.

Tablica III .2 Hemijski sastav i toplotna vrednost prirodnih goriva

GorivoOrganski deo, a u njemu

Vla

ga(%

)

Pepe

o(%

)Su

mpo

r(%

)

Ispa

rljiv

am

ater

ija(%

)

Gom

ja to

plot

navr

edno

st(k

J/kg

)£o

S?ffi (0

+N)(

%)

Drvo 44,0 6,0 50,0 30—40 0,4 0,0 70 18 850Treset 59,0 6,0 35,0 25 4,5 0,4 70 23 900Mrki ugalj 70,0 5,5 24,5 do 50 4,0 2 -3 4 5 -5 5 25 550Kameni ugalj 82,0 5,0 13,0 3 -8 6,0 2 -6 8 -5 0 33 920Antracit 95,0 2,0 3,0 1,3 6,0 1 -2 8 33 500Škriljci 75,0 10,0 15,0 50,0 33 920

Toplotna viednost goriva je utoiiko veća ukoiiko ie sadržaj sagoiliivih elemenata i to: C, H i S, veći a sadržaj isparijivftt materija manji. Zato se goriva sa većim sadržajem

isparljivih materija ne koriste kao takva, već se prerađuju postupcima suve destilacije u cilju dobijanja kvalitetnijih veštačkih goriva sa većim sadržajem ugljenika.

6

Precizna heinijska analiia trebala bi da odgovori na pitanje od kcgih se jedinjenja i u kojim količinania sastoji dato goriyo. Bez obzira na znaCaj ovoga pitanja, do sada no postcgi metoda koga bi n svim slučajevima tnogU da odgovoii na njega. Razvojeni gasne hromatograflje omogućene su kvditarivne i kvantitativne analize razliditih ugljovodonika. Najtadinije se moSe izvišiti analiza gasovitih goriva. Gairahiomatografija omogtićuje da se odrede komponente koje ulaze u sastav tcdnih goriva dobijenih preradom nafte. U^jevi su inože se reći sastavljeni od nepoznatih hernijskih jedinjenja.

Najdešće se za određivanje sastava tefinih i čvrstih goriva koristi elementarna analiza koja omogućuje odredivanje kolitine ugijenika, vodonikas azota, sumpora i kiseonika, minerainih sastojaka (pepela) i vlage . Sastav se obićno izražava u masenim procentima. Elementama analiza pckazuje samo od kajih se elemenata i ukom nieđusobnom odnosu sastoji dato gorivo, ali ne omoguduju da se donese sud onizu osobinagorivakcge su tunkcdja jedinjenja od kq ih se ono sastoji. Tako npr. iako je poznatelementami sastav goriva ntje mogtide bez poznavanja hemifskih jedinjenja od kojih se ono sastofi, tačno iz- raduftati ni njegovu toplotnu moć,

Elementami sastav gorjva se najčeSće izražava na sledeća tri nabina:1. Sastav sagorijivog deia goriva,2, Sastav suve mase goriva, iS. Sastav radnog goriva.

U tabJici 1 pnkazani su na£ini izražavanja elementamog sastava goriva.

TABLlCA 1, — Elementanii sastav goriva

inđekssastavumas. %

C H 0 N S A W

g goriva masas Suva masar radno gorivo

gde j e : A — pepeo, W - vlaga iJi

CE t H g + V NS +Sg - 101®

c 5 + Hs + Os + NS +Ss + A = 100%

Sf + Hr + Or +N f +Sr + A+W -lOOS^

Ovako prikazan sastav naročito je pogodan za čvrsta goriva. Sadržaj pepela ne predstavlja količinu mineralnih materija koje se nalaze u radnom gorivu, već mineralni ostatak posle sagorevanja, pri čemu je izvršena transformacija hemijskih jedinjenja koja ulaze u sastav.

7

Uočena je karakteristična zavisnost između odnosa -brojeva atoma vodonika i ugljernka (H/C) i broja atonta ug ljen ika (C) u (makro) molekulu goriva [s l ik a 6 ) . Veoma je poučna i s l ik a 7 na kojoj je prikazana ka rak te ris tičn a povezanost izmedju odnosa H/C i toplotnfi moći gpriva, Iz ot>e s l ik e zaključujemo da čovek, traZeći gorivo veće toplot- tie moći, u stva ri M ra gorivo sa većim odnosom H/C, odn. i s t o r i j s k i , sa upotrebe č v rs t ih , postepeno se p re laz i na sve veću upotrebu tečnih i gasovitih goriva. Tako s l ik a 5 očigledno opisuje dosada^nji razvoj p r i- mene goriva, kao i savremene tehnoTogije u procesima oplemenjivanja ? (o čeisiu če b it i reci -oiže). Ona najzad ukazuje i na k ra jn ji c i l j , t j . na vodontk. Po svojtm osobinama vodonik će izgieda b it i gorivo bududnosti,■ne samo zbog svoje toplotne moči , nego pre svega zato što on predstavl ja ključ za ostvarenje vodoničnog energetskog c ik lu sa u p rirod i (sTika 8 ) : ibaz narušavanja ravnoteže fotosinteznog c ik lu sa {ćemu' preti današnji tempo korišćenja fo s iln ih g o riv a ), bez zagadjivanja okolirie i bez opas-

_nosti od is c rp lje n ja rezerv i energtje .

Slika 6 Slika 7

8

Toplotna moć (vrednost) gorivaToplotna moć goriva definiše se kao toplota koja se oslobodi pri potpunom sagorevanju jedinice mase ili zapremine goriva. Određuje se eksperimentalno u kalorimetrima. Ona je u stvari jednaka toploti sagorevanja date količine goriva samo se obično uzima sa suprotnim znakom tj. Qg(ili Hg) = AH°C.

Toplotna vrednost čvrstih i tečnih goriva se određuje u kalorimetrima sa kalorime- trijskom bombom pri konstantnoj zapremini, a toplotna vrednost gasovitih goriva i lako isparljivih tečnih goriva ođređuje se u kalorimetrima pri konstantnom pritisku (kalorimetar tipa Junkers). U oba slučaja temperatura reaktanata na početku jednaka je temperaturi prođukata na kraju sagorevanja uzorka goriva. Temperatura u kalorimetrima se obi- čno kreće od (20 do 25°C) od 293 do 298 K.

U zavisnosti od agregatnog stanja vode u produktima sagorevanja razlikuje se gomja i đonja toplotna vrednost goriva. Gomja toplotna vrednost goriva je toplota oslobođena pri potpunom sagorevanju jedinice količine goriva na sobnoj temperaturi kada je voda u produktima sagorevanja u tečnom stanju. Donja toplotna moć se razlikuje od gomje sa-

mo za toplotu isparavanja vode tj. Qg — = 25,01 (9H + W) gđe je H sađržaj vo-donika u gorivu u mas. % i W sadržaj vlage u mas. %.

Toplotna vrednost koja se za datu vrstu goriva određuje u kalorimetru predstavlja osnovnu veličinu, a iz nje se mogu izračunati ostale vređnosti. Za čvrsta i tečna goriva osnovna veličina je gomja toplotna vrednost pri konstantnoj zapremini Q gy , a za gasovita gomja toplotna vrednost pri konstantnom pritisku Qgp. Toplotna vrednost čvrstih i tečnih goriva izražava se u k J/kg , a gasovitih u k J/N m 3.

Toplotna vrednost se može približno izračunati pomoću poluempirijskih formula kada je poznat elementarni sastav goriva. Postoji čitav niz ovakvih formula od kojih ćemo navesti sleđeće:

9

Drvo: Qg == 387,38 C + 1159,74 HMrki ugalj: Qg == 364,25 C + 1092,75 HKameni ugalj: Qg == 357,97 C + 1071,82 HAntracit: Qg == 351,69 C + 1050,89 HMazut: Qg == 371,79 C + 1115,36 H

Toplotna moć goriva se definiše kao odnos oslobođene količine toplote pri potpunom sagorevanju goriva i kolicine goriva iz koje je toplota oslobođena:

QHm,

gdeje:H -toplotna moć goriva, k j/kg,Q -količina oslobođene toplote, k j img -masa goriva, kg,

U opštem sluČaju, gorivo se sastoji od gorivog dela i balasta Cnegorivog dela). Vlaga, zajedno sa mineralnim materijama, čini tzv. spoljnu balast. Vlaga se u gorivu javlja u tri oblika: kao gruba, higroskopna i konstituciona. Vlaga umanjuje toplotnu m oć goriva jer se za njeno isparavanje troši deo toplote nastao sagorevanjem goriva. Shodno tome, razlikujemo gomju i donju toplotnu moć goriva.

Gomja toplotna moć goriva (Hg) je količina toplote koja se oslobodi potpunim sagorevanjem jedinice mase goriva pod sledećim uslovima:

(1) voda iz produkata sagorevanja, koja potice ođ vlage iz goriva i od sagorelog vodonika (H2), prevedena je u tečno stanje,

(2) produkti sagorevanja goriva dovedeni su na tem peratum koju ie gorivo imalo na početku i

(3) sumpor (S) i ugljenik (C) iz gorive materije se nalaze u obliku svojih dioksiđa (SOa i COa), dok do sagorevanja azota (N2) nije došlo.

Donja toplotna moć goriva (Hd) je količina toplote koja se oslobođi potpunim sagorevanjem jedinice mase goriva pod sledećim uslovima:

(1) voda u prođuktima sagorevanja ostaje u parnom stanju,(2) prođukti sagorevanja goriva dovedeni su na tem peratum koju je gorivo

imalo na početku i(3) sumpor (S) i ugljenik (C) iz gorive materije se nalaze u obliku svojih

dioksida (S02 i C()2), dok do sagorevanja azota (N2) nije došlo.

Veza između gomje i donje toplotne moći kod čvrstih goriva može se predstaviti relacijom:

H g = H d + 2 5 (9 H + HV ),

gdeje:Hg -gornja toplotna moć goriva, kj/kg,Hd -donja toplotna moć goriva, kJ/kg,25 -stoti deo zaokmžene vrednosti latentne toplote isparavania

vode, (^ 2 4 5 0 kJ/kg), kJ/kg,w w u -sadržaj ukupne vlage u uzorku goriva, %, jednakoj sumi

sadržaja gmbe i higroskopne vlage:

10

wu=wG+wH,Wg -sadržaj grube vlage, %,Wn -sadržaj higroskopne vlage, % iH -sadržaj vodonika u uzorku goriva, %.9H u jednačini predstavlja kolicinu vode nastalu sagorevanjem

vodonika iz goriva u procentima. Iz stehiometrijske jednačine sagorevanja:2H2+O2 -* 2H20,

pri čemu su molame mase vodonika (H2), kiseonika (0 2) i vode (H20 ) redom 2kg/kmol, 32kg/kmol i i8kg/kmol, sledi da je za potpuno sagorevanje lkg vodonika (H2) potrebno 8kg kiseonika (0 2) i pri tome nastaje 9kg vode (H20). Znači, ako se količina sagorelog vodonika označi sa II, dobijena količina vode će biti 9H.

_ 9H+Wu je ukupna količina vlage u procentima, a 25<9H+Wu) je količina toplote potrebna za isparavanje lkg te vlage u kJ/kg.

Određivanje gornje toplotne moći čvrstih goriva u kalorimetru sa bombom zasniva se na potpunom sagorevanju odmerene količine goriva u atmosferi kiseonika pri povišenom pritisku i stalnoj zapremini (V==const). Toplota nastala sagorevanjem predaje se okolnom medijumu- vodi. Mereći masu vode i porast njene temperature možemo naći količinu oslobođene toplote:

Q ~ mw 1 Cw ■ htw ,

gdeje:Q -količina oslobođene toplote, kJ,mw -masa vode, kg,Cw -specifična toplota vode, čija je vrednost 4,2kJ/(kg°C) i &tw -porast temperature vode, °C.

Na osnovu tako određene količine oslobođene toplote i mase goriva dobija se toplotna moć goriva:

gdeje:H -toplotna moć goriva, kJ/kg,Q -količina oslobođene toplote, kJ img -masa goriva, kg.

l.*M, 9-1, Siblav i [upfaEoi r u i ujljrra

Vrvle u^lja \laj;n uUrd. %

Snîivu mnt,% sr8L&iiLaLOiH£ćTi™ maKi (btrpiptLai vli£c).

C EL O S’ si£]»uhLvj jirnijn !u[Jti(n;i

Li.unili i mrti u^ljcvi K*lilCiu ugljovi

Antridt

5- 15 2-3

Ć0-75 T5-0(l 90 9ii

5

S-S2

3-132-5!-2

ft.S-L.d, ]- 2,7

L1

0,5 fl 0,5-3 3-3

5.50ć -95-4

247(12-2513 !i7ć 3fljfiS_?t75(U

-34351 335«!

11

Slike ispod: Kalorimetar sa bombom (levo) i kalorimetarska bomba (desno)

Levo-kalorimetar sa bombom: (1) kalorimetarska bomba, (2) vodeno kupatilo, (3) postol\e kalorimetarske posude, (4) dovod kiseomka, (5) termometri, (6) mesalica i (7) telo kalorimetraDesmo-kalorimetarska bomba: (1) posuda za uzorak, (2) držač posude za

uzorak, (3) elektroda, (4) žica za paljemje uzorka, (5) dovod kiseomika, (6) poklopac kalorimetarske bombe i (7) telo kalorimetarske bombe

12

Vrste gorivaOsnovna pođela goriva vrši se po njihovom agregatnom stanju i no načinu dobi-

jania. Klasifikacija goriva đata ie u tablici tET.3. Pod veštačkim gorivima podrazumevaju se goriva dobgena preradom prirođnih goriva.

Tablica III .3 Klasifikacija goriva po poreklu i agregatnom stanju

PorekloAgreeatno stanje

čvrsto tečno gasovito

Prirodno ugalj, drvo i bituminozni škriljci

nafta zemni gas

Veštačko koks, polukoks, đrveni ugalj, nukleama eoriva (oksidi i karbidi urana i njihovi kermeti*)

benzin, petroleum, kerozin, mazut, di- zclska ulja

generatorski gasovi, gasovi iz koksnih i visokih peći i aasovi dobijeni pri razlaganju nafte

Pod kermetima se pođiazumeva spoj keramike i metala (npr. UOj-U ili UC—U)

Čvrsta goriva1. Primarna čvrsta goriva

■ Drvo■ Treset■ Razne vrste ugljeva■ Bituminozni škriljci

2. Sekundarna čvrsta goriva■ drveni ugalj (ćumur)■ sušeni treset■ briket■ polukoks, koks i petrol koks

DrvoSadržaj nekih komponenti u nekim vrstama drveta(sušeno na vazduhu i bez sadržaja pepela)Komponenta Vrsta drveta% Bukva Kesten BorVlaga 12,6 12,0 12,9Celuloza (C^HÔ^k 45,5 52,6 53,3Smola+vosak 0,4 1,1 1,6U vodi rastvorne materije 2,4 5,4 4,0Lignin (C10H13O3)n 39,1 28,9 28,2Sveže posečeno drvo sadrži oko 50% vlage.

13

■ Toplotna vrednost suvog drveta za navedene vrste: 18,6 kJ/g - 20,9 kJ/g■ Hemijska analiza za drvo ( bez pepela)

C - 49 - 51 %H- 5,9 - 6,2 %O- 42 - 45 % (sadržaj pepela ispod 0,6%)

Karbonizaciia čvrstih goriva - termičko razlaganje bez prisitva kiseonika u cilju povećanja sadržaja ugljenika.

Prooesi karbonizacije čvrstih goriva su u suštini procesi suve đestilacije koji se izvode zagrevanjem goriva bez prisustva vazduha. Naziv karbonizacij a treba da ukaže na cmjemcu da ovako dobijeno veštačko gorivo ima veći sađržaj ugljenika u odnosu na po-

i2 E 12 H.:>rirudno g°rivo- Pri ovini procesima dolazi ne sam čT doT iS dE hprênagoriva: izgleda, boje, gustine, mehaničke čvrstoće i drugih, već i do hemijskih promena unutar same strukture goriva. Razaranjem strukture prirodnog goriva nastaje niz gasovitih, teč- nih i čvrstih produkata, koji su praktično prođukti pirolize čvrstih goriva.

Proces karbonizacije je u suštirii veoma kompleksan proces i sastoji se iz niza pa'- ralelnih reakcija i reakcijakoje slede jedna drugu (konsekutivnih reakcija). Po prirodi to- plotnog efekta ove reakcije su endotermne, znači odvijaju se na visokim temperaturama, pa je za njihovo izvođenje potrebno đovođenje toplote spolia kroz zidove reaktora koji su herm etićki zatvoreni. ~~ ~ " F~ '

Procesi karbonizacije uglja poznatiji su kao procesi polukoksovanja i koksovanja, a procesi karbonizacije drveta kao suva destilacija drveta.

Prođukti suve destilacije drveta su: alkoholi, sirćetna kiselina, ter i drveniugalj. Razvojem organske sinteze proces suve destilacije drveta gubi svoj znaćaj i đanas~šeža đržava samo u zemljama bogatim šumama.

^Danas se od produkata suve destilacije drveta prvenstveno najviše koristi drveni ugalj koji ima raznovrsnu primenu u fabrikama viskoze, u industriji stakla, (kao sredstvo za bistrenje stakla koje ne zagađuje okolinu kao oksidi arsena) u metalutgiji zaj>ro-

u proizvodnji cijanida, kao aktivni M.a£soipc$u (umedicini i industriji) i u domaćinstvima.

Temperatura na kojoj počinje razlaganje osnovne mase drveta kreće se u intervalu od 150-400oC, dok je maksimalna temperatura suve destilacije (karbonizacije) 350oC.

Analiza ćumura:- Ugljenik 85,2%- Vodonik 2,9%- O2 + N 2 3,5 %- Vlaga 5,9%- Pepeo 2,5%

Toplotna vrednost ćumura 31,4 kJ/g

Inače, drvo se kao gorivo ne koristi u razvijenim zemljama jer ono predstavlja dragocenu industrijsku sirovinu. Može da se proizvodi gas (CO+H2 42%, 15m3/kg drveta)

14

TresetTreset je nastao od biljne pramaterije u primarnoj fazi ugljenisanja. To je često zbijena masa sa primesama biljnih vlakana. Čista goriva masa sadrži 59% C i 6% H, ali zbog velike prisutnosti vlage koja može da dostigne vrednost od 90%, to se treset smatra najlošijom vrstom goriva. Sušenjem treseta na vazduhu moguće je smanjiti vlagu na 25-30%, pa se kao takav može koristiti za loženje peći, pa i kotlova. Treset je najmlađe fosilno gorivo i ne može se smatrati ugljem. Toplotna vrednost suvog treseta se kreće u intervalu od 17500-23900 kJ/kg.

UgaliOd primamih čvrstih goriva najveći značaj imaju ugjjevi. Oni su sastavljeni od

složenih hemijskih jedinjenja i mineralnih primesa. Organska masa ugljeva sastoji se od slo- ženih makromolekula. Najpostojaniji i slabo reaktivni deo ovih makromolekula čine pros- tomi pdimeri u vidu razgranatih mreža ugljenika. Struktura raznih vrsta ugljeva vezanaje za genezu i metamorfozu materija od kojih ai nastali, Ovde se nećemo detaljnije upuštati u teorge o postanku uglja već ćemo se zadržati samo na konstataciji da su ugljevi nastali transformacijom organske materije najčešće biljnog porekta. Danas se smatra dokazanim da su ugjjevi nastali prvenstveno od viših biljaka ođ drvećai gigantskih paprati, ali sui biljke nižeS reda aige i gljive, planktoni i dmgi mikroorganizmi učestvovali u njihovom stvaranju.

Prema pramateriji od koje su nastali ugljevi se đele na humusne i sapropelne.

Humusni ugljevi su nastali transformacijom organske materije viših bfljaka, a

sapropelni su se obrazovali pretežno od planktona i mikroorganizama životinjskog porekla.

U tcku procesa transformacije organske materije biljaka razlikuju se dva suk- cesivna stadijuma - biohemijski stadijum i stadijum karbonizacije. U biohemijskom stadijumu preovlađuje dejstvo mikroorganizama na proces raspadanja organske materije biljaka. U ovom stadijumu su nastali debeli slojevi humusa i treseta. Pođ humusom se podrazumevaju produkti raspadanja viših biljaka. Proces pretvaranja biljnih materija u humus i treset odigrava se bez prisustva kiseonika. Zbog postepenog smanjivanja pH usled stvaranja huminskih kiselina uhumusnom slcrju došloje do završetka biohemijskog stadijuma.Posle ovog relativno kratkog perioda usledila je epoha karbonizacije ukojoj se odigravala lagana transformacija organske materije pod dejstvom geoloških faktora - visokog pritiska i temperature. U toku ove epahe nastavlja se proces koncentrisanja ugljenika koji je već započeo u toku stvaraiga humusa i treseta. Obim do koga je karbonizacija napredova- la određuje vrstu uglja.

Proces nastajanja sapropelnih ugljeva je sličan - tj. odigrava se raspadanjem bez prisustva kiseonika izumrlih mikroorganizama i planktona preko biohemijskogstadi- juma i stadijuma karbonizacije. Sapropelni ugljevi se karakterišu visokim sadržajem vodonika (6,4 do 9%) i isparljivih sastojaka.

15

Ugaljevi su najrasprostranjenija i najviše korišćena prirodna čvrsta goriva. To su smeđe, sive do crne sagorljive sedimentne stene sa manje od 50% neorganske materije.Prema stepenu karbonizacije ugljevi se dele na:

■ LigniteMrke ugljeve Kamene ugljeve Poluantracite i Antracite

Slika 1.1. Proraena hemijskog sastava čvrstih goriva u toku procesa karbonizacije.Sastav je dat u mas. %, sračunat na suvu masu goriva bez pepela i sumpora.

Pojavu pojedinih vrsta ugljeva u zavisnosti od uslova pri kojima se vršio proces ugljenisanja (pritisak, temperatura, vreme) prikazan je dijagramom H. Bodea. Granična temperatura između mrkih i kamenih ugljeva leži u intervalu od 300- 320oC. Očigledno je sa ovog dijagrama da sa dužim vremenom ugljenisanja i pri uslovima više temperature i pritiska nastaju kvalitetniji ugljevi - sa većom toplotnom vrednošću.

16

Vrste uglievaLignit i mrki ugljevi, Ovi ugljevi predstavljaju etapu završetka transfprmacije

biljne materije. Karakteriše ih visok sadržaj mineralnih materija (7-40%), vlage (20-60%), i sumpora, kao i velika količina isparljivih sastojaka čiji se sadržaj, sračunato na čistu ugljenu supstancu, kreće ođ 45 do 60%.

Ligmti i mrki ugljevi se koriste kao gorivo u sirovom stanju i daju đug i čađav plamen. Takođe se koriste za gasifikaciju i Često se podvrgavaju nisko temperaturskoj karbonizaciji (550-600° C) pri Čemu se dobija ter i polukoks. Ovako đobijen polukoks je pogodan za sagorevanje i gasifikaciju. Naša zemlja ima velike rezerve lignita i mrkih ugljeva.

Kameni ugljevi — Ovu grupu čine ugljevi sa visokim sadržajem ugljenika koji se sračunato na čistu ugljenu supstancu kreće od 75 do 90%. Količina isparljivih materija varira u širokim granicama (9-50%). Prema sadržaju isparljivih sastojaka i prema osobinama koksnog ostatka, koji može biti praškast (rastresit), slepljen i dobro sinterovan, kameni ugljevi se dele na sledeće podvrste: gasne, masne, koksne i posne kamene ugljeve.

U tablici 1.3. dati su približni podaci o nekim vrstama kamenih ugljeva.

TABLICA 13 — Vrste kamenih ugljeva.

vrstekamenihugljeva

sastav čiste ugljene supstance, mas. %C H 0 + N + S isparlj. sast. Wr>mas. %

gasni 80-85 ~ 5,6 10-15 3245 5-10masni 84-89 5*5,6 5,5-11,0 26-32 ispod 5koksni 88-90 4,5-5,5 5,0-6,5 18-26 ispod 5posni 90-92 44,5 4,04,5 10-20 2-3,0

Kameni ugljevi se koriste kao gorivo, za gasiflkaciju i ođgovarajuće vrste za proizvodnju metalurškog koksa. U zavisnosti od sadržaja isparljivih sastojaka sagorevaju sa dugim ili kratkim plamenom. Posni ugljevi koji su slični poluantracitu i antracitu, sagorevaju skoro bez plamena.

Sastav i toplotna moć ugljeva

VlagaVrste uglja mas. % C H 0 N S isparljivi gomja toplotna

sastojci moć,kl/kg

Ligniti i mrki ugljevi 20-60 60-75 5 16-28 0,6-1,6 0,3-6 45-60 24702-293976Kameni ugljevi 5-15 75-90 4,5-6,5 2-13 1-2,7 0,5-6 9-50 30563-347504Poluantracit 2-3 90-94 3-5 2-5 1 0,5-3 6-9 33494-34331Antracit ispod 5 92-94 2 1-2 1 2-3 3-4 33500

17

Antracit i poluantracit, — Ove ugljeve neki autori uvrštavaju u grupu kamenih ugljeva. Karakteriše ih visok sadržaj ugljenika (90-94%). Kod antiacita je proces karbonizacije praktično završen. Poluantracit sagoreva sa kratkim plavičastim piamenom, a antracit skoro bez plamena. Ovi ugljevi se koriste za sagorevanje i gasifikaciju.

Postupci prerade čvrstih goriva

Rrirodna Čvrsta goriva se pie upotiebe gotovo uvek podvrgavaju postupcima prerade u dlju povećanja sadržaja sagorljivih materija i poboijšanja osobina.

Postupci prerade čvrstih goriva mogu se pođeliti u dve grupe. U prvu grupu spadaju fizičko-mehanički postupci, a u drugu fizičko-hemijski postupci prerade uglja.

1.2.4.1. Fizičko—mehanički postupci prerade

U fizičko-mehaničke postupke prerade ugljeva spada fizičko-mehanfčko ople- menjivanje ugtja, klasiranje komada uglja po velićini i mlevenje. Cilj fizičko-mehaničkog oplemenjivanja uglja je smanjenje sadržaja mineralnih materija (jalovine) u uglju. Ovi postupci su bazirani na razlici nekih fizičkih osobina uglja i jalovine, a pie svega na razlici gustina, sposobnosti kvašenja, oblika i veličine komada i koeficijenta trenja.

Ostranjivanje jalovine iz uglja izvodi se suvim i mokrim putem u postrojenjima različitih konstrukcija. Za povećanje efikasnosti procesa sagorevanja potrebno je komađe ugija klasirati po veličini. U termotehničkim postrojenjima velikog kapaciteta ugalj se sagoreva u vidu prašine što zahteva mlevenje.

U ovu grupu postupaka spađa i mešanje različitih vrsta ugljeva u cilju dobijanja mešavina željenih osobina. Ovaj postupak se naročito primenjuje kod pripreme uglja za koksovanje.

Sušenje ugljeva kao način oplemenjivanja se najviše primenjuje kod vrsta koje imaju znatan sadržaj vlage kao što je lignit (i treset).

Lignit sadrži u zavisnosti od starosti 40-60 mas.% vlage, on se naiviše prerađujesušenjeiti. U toku sušenja iz uglja se odstranjuje ne samo fizička,gruba vlaga već ihigro- skopna, kapilama vlaga. Uklanjaniem vlage povećava se toplotna vrednost uglja i do 50% u ođnosu na prirodni, neoplemenjeni ugalj.-

Osušeni lignit kao i mrki ugalj zbog svoje kapilame strukture je pri stajaniu na

vazduhu sklon jako oksidaciji, odnosno samozapaljivanju naročito u većim, moćniiim

slojevima. Zato se osušeni ugljevi ne drže u slojevima debljine veće od I m i pažljivo se skladište i transportuju. Osušeni lignit se kao takav plasira na tržište.

U fizičko-mehaničke postupke prerade uglja može se uvrstiti i briketiranje. To je postupak pomoću koga se od izmrvljenog i sprašenog uglja razUčitim postupcima pre- sovanja, sa ili bez dodatka vezivnog sredstva, proizvode briketi koji imaju oblik jajeta, ko-

cke.kugle ioblice. Na taj način se povećava količina uglja u komadu željenog oblika i ve- ličine.

Za briketiranje se koriste ligniti, mrlri i kameni ugljevi. Mešavini sprašenog i izmrvljenog uglja, čiji je prečnik čestica manji od 10 mm, po potrebi se dođaje tema smola kao vezivno sredstvo pa se zatim ova mešavina presuje u različitim tipovima hiđrauličnih presa.

18

Briketiranjem se smanjuje razvgenost povišine goriva, a samim tim i mogućnost samoza-

pajjivanja koja kod praskastih materijala uvek postoji.

Imajući u vidu đa se pri proizvodnji, prerađi i transportu uglja dobija oko 2 5 -

- 5 0 mas.% prasine značaj briketiranja je očigledan. Briketirani ugalj se sve vi5e koristi

kao gorivo ne samo u domaćinstvu već i u industriji jer su njegove pređnosti pored gore

nabrojanih i u tome đa zauzima manje prostora u skladištima.

Primenom ovih postupaka ugalj se u prometu javlja u sledećim kvalitetima:

ugalj se u prometujavlja u sledećim kvalitetima:

- kao rovniugalj (oznake R) iz koga ie odstranjena samo najgrubljajalovina,

- kao klasirani ugalj (oznakeA -G ) koiije poveličiniuzoraka razvrstan na sle-

deće klase: komada, kocke, oralia, sitnog uglja, griza i praha pri čemu se di-

menzije za pojedineklase razlikuju za pcjedine vrsteugijeva,

- kao separisani ugalj iz koga je jalovina izdvojena suvim postupkom (oznake S)

fli ispiraniem, mokrim postupkom (oznake SP),

- kao sušeni ugalj, najčešće lignit(oznake SU),

- kao briketirani ugalj (oznake BU).

Hemijska prerada ugljaUgljevi se podvrgavaju hemijskoj preradi radi dobijanja kvalitetnih goriva i sirovina za hemijsku industriju. Tri osnovna procesa hemijske prerade su:

■ Karbonizacija■ Gasifikacija■ Hidrogenacija

Procesom karbonizacije povećava se sadržaj ugljenika, a smanjuje sadržaj H, O, S i N u čvrstom ostatku. Ugljevi se podvrgavaju nisko-temperaturnoj i visoko- temperaturnoj karbonizaciji. Cilj prve, koja se još naziva polukoksovanje, je dobijanje bezdimnog čvrstog ogriva, a cilj druge tj. koksovanja je dobijanje koksa.

Procesi polukoksovanja uglja odvijaju se na temperaturama od 500—700°C. Ko- ksovanje se ođvija na viširn temperaturama i praktično se završava u intervalu temperatura ođ 950-1050°C. Stepen razlaganja uglja, vrste i količine dobijenih produkata su veoma zavisne od visine temperature na kojoj se to razlaganje vrši. Zato se ova dva procesa veoma razlikuju po kvalitetu, količini i vrsti proizvoda.

19

đeće:

Pri zagrevanju uglja dolazi do niza fizičkih i hemijskih transtormacija i to:— do 250°C isparava vlaga i oslobađaju se CO i CO2 (eventualno),— na 300°C počinju da se izđvajaju pare katrana kamenog uglja i nastaje vode-

na para koja nije posleđica sušenja već pirolize goriva,— iznad 350°C ugalj prelazi u plastično stanje,— uintervaluod 500—550°C dolazi do intenzivnog razlaganja plastične mase

uglja uz oslobađanje primamih produkata (gasova i katrana) i njegovog otvr- dnjavanja pri čemu nastaje polukoks,

— dalje povišenje temperature na 700°C vodikarazaranjupolukoksaiizdvajanja novih gasovitih prođukata,

— iznad 700°C počinje izdvajanje koksa. Piroliza se sa povišenjem temperature nastavlja, nastaje kompleksna smeša para koju čine: aromatični ugljovodonici, vodonik, metan. amonijak i druge komponente.

Količine pojedinih produkata u procesu koksovanja i polukoksovanja su sle-

polukoksovanje koksovanje

mas. % mas. %

čvrsti ostatak 75-85 73,5

ter 6 -1 2 3,5

lako ulje 1,0 1,2

voda 2,0-8 ,0 2,8

gas 6 ,0-15 ,0 19,5

- Koks je čvrst, crn i porozan materijal koji nalazi primenu uglavnom u metalurgiji kao tzv. livački i metalurčki koks, kao osnovno redukciono sredstvo pri topljenju rude. Prosečan hemijski sastav sagorljive mase koksa u mas. % je sledeći: C=96%, S=1%, H=0,5%, O=1,5% i N=1%. Proces koksovanja traje od 18-26 sati, zavisno od režima rada koksnih peći. Toplotna vrednost koksa se kreće od 31400-33500 kJ/kg.Neki zahtevi koje koks mora da zadovolji kao gorivo:

- Nizak sadržaj vode i pepela- Koksni gas(4-20 kJ/m3 )- Metalurški koks mora da sadrži ispod 1,5% vlage jer svako

povećanje vlage povećava potrošnju toplote u visokim pećima- Sadržaj pepela mora da je <1% jer će se u visokim pećima

povećavati potrošnja energije- Sadržaj fosfora mora da bude manji od 0,012%- Sadržaj sumpora u koksu koji se primenjuje u metalurgiji

čelika mora da bude ispod 1%

20

- Sastav koksnog gasa mnogo zavisi od dužine procesa koksovanja i on sadrži uglavnom: CO, H2, ugljovodonike CnHm i CH4. Koksni gas nastaje u količinama od 310-340 m /t suvog uglja. Uglavnom se koristi kao gorivo u koksarama ili kao izvor vodonika za razne sinteze u hemijskoj industriji (sinteza amonijaka).- Katran kamenog uglja (ter) sadrži oko 300 različitih supstanci. To je viskozna materija tamnosmeđe boje i karakterističnog mirisa. Najvažniji sastojci katrana su: benzol, toluol, ksilol, fenol, krezol, naftalin, antracen, piridin... Danas se najmanje 60 materija koristi iz katrana kamenog uglja u industriji boja, lakova, insekticida, plastičnih masa, sintetičkih vlakna i dr.

Form koks. - U novije vreme se vrše intenzivna istraživanja u pravcu razvijanja novih, efikasnijih postupaka koksovanja, kao i u pravcu dobijanja kvalitetnog koksa ođ ugjjeva slabijeg kvaliteta. Jedan od novijih postupaka je proizvodnja form koksa.

Form koks se proizvodi u dva stupnja. U prvom stupnju se vrši nisko-tempera- turska karbonizacija ugljeva slabog kvaliteta (do 770 K i sa visokim sadržajem isparljivih sastojaka) pri čemu se izđvaja gas i ter. Ovaj proces se može odigravati u fluidiziranom sloju u struji dimnih gasova Ui u retortama uz zagrevanje spolja, Dobijeni polukoks meša se, još vruć, sa oko 20% uglja koji se dobro koksuje ili sa temom smolom. Od ove mešavine se proizvode briketi presovanjem ili ekstruzijom. Briketi se zatim zagrevaju da se izvrši karbonizacija dođatnog uglja i tera pri čemu se dobija form koks koji može potpuno da zameni metalurški koks đobijen klasičnim postupkom koksovanja.

Proces karbonizacije briketa, u zavisnosti od sirovina i od namene krajnjeg produkta, vrši se na različite načine. Najčešće se koristi neposredno zagrevanje u fluidiziranom sloju ili na rešetki pri čemu gas za zagrevanje dolazi u neposređan kontakt sa briketima. Kao gas za zagrevanje obično služe produkti sagorevanja sa većim ili manjim sađrža- jem kiseonika (od I do 8%). Prisustvo kiseonika u gasu za zagrevanje obezbeđuje oksidad- ju vezivne smole u briketima usled čega dolazi do njene polimerizacije, polikondenzacije i do delimičnog razlaganja usleđ čega se obrazuje čvrsti skelet koji daje mehaničku čvrs- toću form koksu.

Hiđrogenacija uglja. — Maseni odnos ugljenika prema vodoniku kod čvrstih goriva se kreće od 11 kod lignita do 30 kod antracita, dok ovaj odnos kod sirove nafte varira u granicama od 6 do 8. Upoređenje ovih odnosa pokazuje da se ugljevi sastoje od složenih nezasićenih organskih makromolekula. Hidrogenacijom uglja smanjuje se slože- nost makromolekula pri Čemu .se oni zasićuju usled čega opada ođnos C/H u njima. Ka- ko ugljevi sadrže i znatne količine kiseonika u procesu hidrogenacije se on prevodi u vodu.Produkti hidrogenacije su lakša ulja i gasovi, uglavnom metan.

Likvefakcija - prevođenje čvrstih goriva u tečno stanje.

21

Gasifikacija čvrstih gorivaGasifikacija Čvrstih goriva obuhvata niz tennohemijskih pioccsa kojima se uglje-

vi ili koks prevode u gasovita goriva pod dejstvom vazduha, vodene pare, tehničkog ki- seonŠka ili smeše ovih gasova. Pri tome dobijena gasovita goriva sadržekao gorive komponente: CO, H2 i CH4 a kao negorive, inertne komponente: N2 , C 0 2 i H20 (u obliku pare) i druge primese kao što su: H2S, organskajedinjenja sumpora, ter i prašina.

Svi prooesi gasifikacije izvode se u uslovima nedovoljne količine kiseonika kako bi nastah prođukti koji mogu dalje da reaguju sa kiseonikom kao gorive komponente u gasovitom gorivu. Ako je kiseonik u višku u ođnosu na čvrsto gorivo tada dolazi do procesa sagorevanja, a ne gasifikacije i nastaju negorive, inertne komponente u gasovitom gorivu.

Gasovita goriva u odnosu na čvrsta imaju niz pređnosti kao što su: lak transport bez gubitaka, lako doziranje i rukovanje sa njima, mogućnost podešavanja plamena da bude prema potrebi oksidacioni ili redukcioni, mali višak vazduiia potreban za sagorevanje, lakoća paljenja i ravnomemije sagorevanje.

Gasovi dobgeni procesima gasifikacijc mogu da posluže kao sirovina za dmge procese u hemijskoj industriji (sintezuamonijakanaprimer). Osnovne hemijske reakcije kcje se odvijaju pri gasifikaciji čvrstih goriva prikazane su u tablici IH.4.

Tablica III .4. Osnovne hemijske reakcije gasifikacije

Hemijska reakcija Stanđardna promena molame entalpije reakcijeA H °298 (kJ/mol)

L C (s,g ta fit) + H 2 ° ( g ) C O (g) + H 2 (g) 139,82 - C ( s , g r a f i t ) + 2H20 (g)= C 0 2{g) + 2H2(g> 106,93- 2C(S f i , ) + 2H»0 (g, = c 0 1(g) + CH,(g) 32,0

4- C (s,g ia fiO + ° ' 5 ° 2 (g) ~ C 0 (g) - 110,6

5 ' C(s,grafit) + ° 2 (g) = C° 2 (g) -3 9 3 ,8

6’ C(s,grafit) + C ° 2 (g) ~ 2C O (g) 172,6

7' C° ( g ) + 0 j5 ° 2 (g ) = C° 2 (g) - 283,2 .

8 - C 0 ( g ) + H 2 0 ( g ) = C ° ^ ( g ) + H 2 (g) -3 2 ,89.CH4(g) + H2O(g) = C 0(g) + 3H2(g> 214,7

10.CH ,(g) + 2HaO(g) = CO2(g)+ 4H ,(g) 181,8l l .H 2(g) + 0 ,5° 2(g) - H 2° (g) -2 5 0 ,4

1 2 - C H n g ) = C( S,gra f i t ) + 2 H 2 (g) 74,9

U zavisnosti od gasovitog medguma kojim se vrši gasifikacija dobijaju se različitevrste generatorskih gasova i to

pri gasifikaciji sa vazduhom vazdušni generatorski gas, pri gasifikaciji sa vodenom parom vodeni gas,pri gasiflkaciji sa vazduhom i vodenom parom naizmenično mešani gas, i pri gasifikaciji sa tehničkim kiseonikom i vodenom parom oksi-vođeni gas

22

Procesi gasifikacije se izvode u uređajima tzv. gasogeneratorima. Danas se u savremenim postrojenjima za gasifikaciju koriste samo smeša kiseonika i vodene pare jer se tako dobija gas visoke toplotne moći koji ne sadrži azot koji je bio uzrok niske toplotne moći. Zbirna reakcija nastajanja oksivodenog gasa je:3,58 C + 1,58 H2O = 3,58 CO + 1,58 H2Sastav oksivodenog gasa izračunatog po ovoj jednačini je sledeći u zap.%:69,4% CO i 30,6% H2, dok je tolotna moć 12680 kJ/m3.Reakcija gasifikacije je heterogen proces na granici čvrste i gasne faze i brzina ove reakcije zavisi prvenstveno od razvijenosti površine između faza, zatim od brzine difuzije aktivne komponente gasa (kiseonika ili vodene pare) iz medijuma za gasifikaciju do ugljenika u čvrstom gorivu kao i od intenziteta mešanja ove dve faze, čvrste i gasovite.SAGOREVANJE I GASIFIKACIJA

Sagorevanje i gasifikacija prirodnih čvrstih goriva su složeni fizičko-hemijski procesi koji se sastoje od niza sukcesivnih i paralelnih stupnjevakao što su zagrevanje, isparavanje vlage,izđvajanje isparljivih sastojaka, zatim sukcesivno ili istovremeno sagorevanje isparljivih sastojaka i čvrstog ugljenika praćeno sekundarnim reakcijama produkata sagorevanja u zapremini i na površini uglja.

Pored pomenutih stupnjeva procesi sagorevanja i gasifikacije prirodnih Čvrstih goriva praćeni su fizičko-hemijskim promenama mineralnog dela goriva.

Izdvajanje isparljivih sastojaka je posledica termičkog razlaganja organskih jedinjenja koja ulaze u sastav uglja. Ostatak posle izdvajanja isparljivih sastojaka naziva se koks, a sastoji se uglavnom od ugljenika i mineralnihmaterijala.Količina isastavisparljivih sastojaka, a prema tome i količina koksnog ostatka zavise od vrste uglja i od načina zagrevanja.

Od vrste čvrstog goriva zavisi i temperatura na kojoj počinje term ičko razlaganje i izdvajanje isparljivih sastojaka. U tablici 9.1. date su temperature početka izdvajanja isparljivih sastojaka nekih vrsta prirodnih čvrstih goriva.

TABLICA 9.1. - Temperature početka izdvajanja isparljivih sastojaka nekih vrsta prirodnih čvrstih goriva.

Eksperimentalna ispitivanja su pokazala da se termičko razlaganje svih prirodnih čvrstih goriva završava na temperaturama od 1373 do 1473 K.

23

Eksperimenti Tretjakova su pokazali da se prilikom zagrevanja uglja jedan deo isparljivih sastojaka izdvaja veoma brzo pri čemu je brziria izdvajanja jednaka brzini zagrevanja komada uglja, Preostali mali deo isparljivih sastojaka izđvaja se znatno sporije.Da- nas se smatra dokazanim da, u zavisnosti od veličine čestice uglja od relativne brzine kretanja čestice u odnosu na gasnu sredinu i od temperature gasa, procesi izdvajanja i sagorevanja isparljivih sastojaka i sagorevanje koksnog ostatka mogu proticati paraJelno ili sukcesivno. Mnogi autori smatraju da se pri sagorevanju ugljene prašine u ložištima termote- hničkih uređaja navedeni procesi ođigravaju sukcesivno.

U svakom slučaju izdvajanje i sagorevanje isparljivih sastojaka igra važnu ulogu u procesu sagorevanja prirodnih čvrstih goriva. Sagorevanje isparljivih sastojaka dovodi do porasta temperature gasne sređine i do smanjenja koncentracije kiseonika na površini čv- rste čestice.

Zbog prisustva isparljivih sastojaka sagorevanje prirodnih čvrstih goriva se može podeliti u dve faze.

Prvu fazu čini homogeno sagorevanje isparljivih sastojaka, a drugu heterogeno sagorevanje koksnog ostatka. Kod sagorevanja ugljene prašine druga faza započinje pre završetka prve faze mada sagorevanje isparljivihsastojaka oko Čestice uglja otežavapristup kiseonika na njenu površinu.

Pri sagorevanju krupnijih komada uglja najveći deo isparljivih sastojaka sagori pre paljenja koksnog ostatka. Sagorevanje isparljivih sastojaka oko komada uglja zagreva i aktivira koksni ostatak, ali i ometa difuziju kiseonika na njegovu površinn.

Obe faze sagorevanja prirodnog čvrstog goriva jasno se zapažaju na sledećem eksperimentu. Komad mrkog uglja koji sadrži 45% vlage i isparljivih sastojaka unesen je u struju vazduha čija temperatura iznosi 1223 K. U početku zagrevanja uglja izdvaja se vlaga i isparljivi sastojci.

Kada se dostigne dovoljno visoka koncentradja isparljivih sastojaka oko komada uglja i kada je njihova temperatura dovoljno visoka, dolazi do samopaljenja ovako stvorene gorive smeše, pri čemu se oko komadauglja obrazuje oreol plamena.Samkomad uglja u ovom periođu ostaje taman i njegova temperatura ne premašuje 973 K. Kada se završi izdvajanje isparljivihsastojaka iščezavaplamen i time se završavaprvistadijumsago- revanja. Dužina ovog perioda koji se naziva period pripreme zavisi od intenziteta razmene toplote između uglja i vazduha kao i od veličine komada uglja.

Drugi stadijum sagorevanja uglja je sagorevanje koksnog ostatka. Ovaj proces otpočinje neposredno posle završetka sagorevanja isparljivih sastojaka i karakteriše se nag- lim porastom temperature komada uglja iznad temperature okolnog vazduha. Nagli porast temperature pokazuje da je otpočelo sagorevanje koksnog ostatka koje se zatim nastavlja na stacionamoj temperaturi sagorevanja. Međutim, paljenje i sagorevanjeisparljivihsastoja- ka ne mora uvek dovesti do paljenja i sagorevanja koksnog ostatka.

24

Na slici 9.1. prikazana je zavisnost smanjenja mase komada mrkog uglja od vremena kada se komad uglja nalazi u struji vazduha zagrejanog na 1223 K i kada je brzina struje vazduha u odnosu na ugalj 0,27 m/s.

Slika 9.1. Piomena mase i temperature komada uglja sa vremenom u struji vazduha čija tempeiatura iznosi 950 C (1223 K).

Vreme t^ predstavlja period u kome se odigrava sagorevanjeisparljivihsastoja- ka, a vreme t s period sagorevanja koksnog ostakta. Kao što se sa slike 9.1. vidi čak i kod uglja sa visokim sadržajem isparljivih sastojaka (45%) vreme sagorevanja koksnog ostatka ts je mnogo duže od vremena sagorevanja isparljivih sastojaka t^. U slučaju sagorevanja komada mrkog uglja vreme t^ iznosi oko 10% od ukupnog vremena, što pokazuje da je

osnovnistadijumsagorevanjaprirodnog čvrstog goriva heterogeno sagorevanje koksnog ostatka. Pored toga najveći đeo toplote koja se đobija sagorevanjem prirodnih čvrstih goriva je toplota sagorevanja koksnog ostatka.

KINETIKASagorevanje i gasifikacija Čvrstog goriva, kao sve heterogene reakcije koje se

odigravaju na graničnoj površini faza, sastoje se od siedećih stupnjeva.1. - Difuzije reagujućih komponenata iz homogene faze na reakcionu površinu,2. - Ađsorpcije reagujućih komponenata na reakcionoj površini;3. - Hemijske reakcije na površini;4. - Desorpcije produkata reakcije sa površine, i5. - Difuzije produkata reakcije u zapreminu.Brzina ovako složenog heterogenog procesa određena je kombinovanim efekti-

ma pojedinih njegovih stupnjeva. Ako je jedan od ovih stupnjeva mnogo sporiji ođ drugih ondaje brzina celokupnog heterogenog procesa određena brzinom najsporijeg stupnja.

Reaini procesi sagorevanja i gasifikacije čvrstog goriva odigravaju se na visokim temperaturama pri kojima su brzine hemijskih reakcija velike pa su sumame brzine ovih procesa najčešće određene brzinom đifuzije aktivnihkomponenatagasnefaze na reakcionu površinu. Pored prenosa mase kod ovih procesa važnu ulogu igra i prenos toplote, jer su reakcije koje se u njima odigravaju praćene velikim toplotnim efektima egzotermnim ili endotermnim.

Prema tome teorija heterogenog sagorevanja se bazira na teoriji prenosa mase i toplote u prisustvu hemijskih reakcija.

25

MEHANIZAM

Procesi sagorevanja i gasifikacije uglja imaju mnogo zajedničkog. U njima se ođigravaju iste primame i sekundarne reakcije. Suštinska razlika između ova dvaprocesa sastoji se u tome što se u procesu sagorevanja teži da se sva hemijska energija goriva pret- von u toplotu, dokje osnovni cilj gasifikacije prevođenje u što većoj meri hemijske energije goriva u hemijsku energiju gasa. U ovim procesima hemijska energija goriva, koja je jednaka toploti sagorevanja A H prevodi se u fizičku toplotu A ihemijsku energiiu produkata, A H hem,tj.: 112 J

A Hc = A Hfiz + A Hhem (9.59)iJi

A H fiz ( A HhemA H C + A H C = ' '

Odnos A Hfilz/A Hc - +7gag - predstavlja koeflcijent potpunosti sagorevanja i on je jednak jedinici kada se sav ugljenik iz goriva prevede u C02, a sav vodonik u H20 .

Ođnos AHhem/A Hc = r?gas - naziva se koeflcijent korisnog đejstvagasifikacije.U procesima sagorevanja i gasifikacije uglja odigravaju se reakcije oksiđacije ug-

ljenika sa kiseonikom, ugljendioksidom i vodenom parom. U ovim procesima se pored toga odigravaju reakcije oksidacije i konverzije ugljenmonoksida i reakcije sinteze metana.Ove poslednje igraju naročito važnu ulogu u gasiflkaciji uglja.

Sve ove reakcije protiču preko složenih i često neđovoljno poznatih mehani-zama.

Oksidacija ugljenika (preko intermedijera) (Čuhanov)

a) 3C + 2 O2 ^ C3O4 ^ 2CO + COb) C3O4 + C + O2 ^ 2CO + 2 CO 2

c) 2C + O2 1073 g > 2CO

2niže temperature više temperature

Sekundarne reakcije C + CO2 = 2CO

Mehanizam: a) xC + CO2 = xC(CO 2)adsb) xC(CO 2)ads = Cx-lCO + COc) Cx-iCO = Cx-1 + COd) Cx-iCO + CO2 = Cx-2CO + 2CO

Na nižim teperaturama brzina reakcije je kinetički kontrolisana

26

27

TEČNA G ORIVA

Najvažnija sirovina za dobijanje tečnih goriva je nafta. U manjoj meri tečna goriva se proizvode iz bituminoznih škriljaca i preradom tera dobijenog karbonizacijom uglja.

N A FTA (zem no ulje, petroleum , crude oil)Naziv nafta persijskog je porekla, nastao od glagola nafata, znojiti se (znoj zemlje), a petrolej, s istim značenjem, složenica je od grčke rieči petros (kamen) i latinske reči oleum (ulje).Sirova nafta je kompleksna smeša - rastvor tečnih, gasovitih i čvrstih ugljovodonika akumulirana u porama sedimentnih stena (rezervoarima).

Elementarni sastav:

C 82-87

H 11-14

S 0.5-6

N 0.1-2.0

O 0.05-1.5Metali u tragovima ~ 40 (Fe, Al,

Ca, Mg, Ni, V)

Sirova nafta je gusta uljasta tečnost sastavljena od različitih ugljovodonika i organskih jedinjenja koja sadrže kiseonik, azot i sumpor. Postoji više teorija o postanku nafte.

Najpriznatija je teorija po kojoj je nafta postala trulenjem bez prisustva kiseonika organskog mulja obrazovanog taloženjem izumrlog bilja i životinja. Geološke studije pokazuju da se nafta nije stvarala nam estim a gde se đanas nalazi, već je pođ dejstvom vode potiskivana kroz slojeve poroznih stena dok nije došla na mestu opkoljena tvrdim ne- propusnim stenama, i tu ostala. Izgled nalazišta je šematsld prikazan na slici 1.2.

_1 Glavni materijal od kojeg je nastala nafta jesu životinjski i biljni organizmi koji lebdeu

moru, a nazivaju se planktoni. Prema statističkom proračunu godišnje se u svim morima sveti: proizvede dvadeset milijardi tona planktona, a kako je vreme trajanja stvaranja nafte bilo vrio đugoj onda se s pravom može tvrditi da su ogromni ostaci planktona, koji su se taložili na morskomdniij bili osnova za stvaranje enormne količine nafte.

Cena sirove nafte na svetskom tržistu određuje se prema „jedinici” barel, koja je ovoime dobila po bačvi u koju je nafta skupljana pri vađenju iz prvih otkrivenih izvora. Zapremina bareh(ii SAD) = 42 galona (oko 160 litara); galon = 3,7854 litara.

28

Svetska dnevna potrošnja nafte (75Mbl/d)

Neka predviđanja - nafte za još 15 godina

Nafta iz nalazišta izlazi pod dejstvom pritiska koji tamo vlada. Međutim, u toku vremena pritisak može da opadne do te mere da nafta prestane da izlazi. U tom slučaju se primenjuju uređaji za izvlačenje nafte pomoću komprimovanog gasa.

Neposredno posle izlaska iz bušotine nafta prolazi korz separatore gde se raz- dvaja okludovan gas od tečnosti, a zatim se vrši grubo prečišćavanje nafte pri čemu se iz nje uklanja voda i mehaničke nečistoće. Grubo prečišćena nafta se cevovodima transportuje do rafinerija.

29

Sirova nafta je smeša velikog broja razllčitih ugljovodonika koji se mogu svrsta- ti u sledeće grupe: normalne parafine, izoparafine, olefine, naftene i aromate, Osim toga u sastav nafte ulaze i organska jedinjenja koja sadrže sumpor, kiseonik i azot.

Ispitivanjem nafte dobijene iz raznih izvora ustanovljeno je da je elementarni sastav približno konstantan. Sadržaj ugljenika varira u opsegu ođ 82 do 87 mas. %, a vodonika od 10-14 mas %. Sadržaj kiseonika, sumpora i azota se kreće od količina u tragovima do 7 mas. %. U tablici 1.4. prikazan je elementarni sastavnafte iz nekoliko poznatih nalazišta.

TAB LICA 1.4. — Sastav sirove nafte iz poznatih izvora.

I z v 0 rC H O+N S

mas. %Gustina

g /cm 3

Pensilvanija 84.9 13.7 1,4 _ 0,887Ohajo 84.2 13.1 2,7 — 0,887Kalifornija 82,0 10,0 6,9 0,55 0,965Teksas 84,6 10,9 2,9 1,63Meksiko 83,7 10,2 — 4,15Baku 86,6 12,3 1,1 -

Mit\

Podsetimo se iz organske hemijeOPrAHCKA JEAMHdEHjA

AljllKJlMMHA MMKhMHHA(AJllKDATMHHA) ^ ^

KapbopnKmiMHa XeTepo^HKnMHHaHe3acntieHa 3acnheHa

CnMHHO obom o M0JK6M0 M3BpujM™ m no,qejiy m yrn>OBOflOHMKa:

1----- ---------SacuheHM->1 AlJHKnMHHM

.....T- anKaHii

“H' H63aCMtieHM

fVrrbOBOflOHHLlH- anKeHM- anKMHM- flk ieHM

11 -► ApOMaTMHHM

UMKnMHHM 3acwheHM►f AnMLjMKnMHHM I

CH

- LjMKnoanKaHM► He3acMtieHM )

- ijMKnoanKeHM- IjMKnOanKMHM

CHkarbocildično jedinjenje

(benzen)heterociklično jedinjenje

(piridin)

30

ALKANI (PARAFINI) C„H2„+2AjiKaHH, 3acniieHM yrrbOBOflOHHL\n ca MaKCHMariHHM 6pojeM

BOflOHHKOBnx aTOMa. OmuTa cpopMy/ia hm je C,1H2n+2- 36or cBoje cna6e xeMnjcKe peaKTMBHocTM Hoce Ha3MB napacjjHHM (naT. rarum afinis -Mann ac}3HHHTeT). Ca nopacTOM Be/iMHHHe MoneKyna y cepnjn flona3H pp npOMene c()M3hhkmx oco6MHa jeflMhbei-ba.HeKe ocofinHe anKaHa

Ha3MB M o n eK y jiC K a P aflH O H anH a cP k3 h h k o c T a rb e TaH K ac(3opM yna c()opM yna H a25°C K njyH ahba(°C )

MeTaH c h 4 c h 4 T ac -161,SE ia H c zh 4 c h , c h 3 T ac -88,0

r ip o n a H C jH a c h 3c h 2c h , T ac -42,2n-E yT aH C 4H 1(i c h 5c h 2c h 2c h , T ac -0,5

n-rieH T aH C sH ,2 C H 3C H 2C H 2C H 2C H j TeMHOCT 36,0n -X e x c a H C 6H i4 C H 3CH2CH2C H ,C H 2C H 3 T eHHOCT 69,0 .

ALKENI (OLEFINI) CnH2nAriKeHH (onecpnHn) cy He3acntieHn apnKnnHHn yrnbOBOflOHML|M Kojn

caflp>Ke flsa aTOMa BOflOHHKa Mai-be ofl anKana ca mctmm čpojeM C-aTOMa. Kao n anKaHM, anKeHH rpafle xoMonorHn hm3 nnjn ce cyceflHM HnaHOBM pa3nnKyjy 3a jeflHy -CH2- rpyny. OnuiTa 4>opMyna anKeHa je CnH2n. AnKeHM caflp>Ke jeflHy flBOCTpyKy Be3y Koja yjeflHO npeflCTaBrta m HbnxoBy c(>yHKpnoHanHy rpyny. Ca nopacTOM BennnnHe MoneKyna nocTynHo ce Mehbajy m hbMXOBe 4>H3MHKe oco6nHe.

etilen

HeKe o c o 6 n H e a n K e H a

H a 3 K B M o n e K y n c K a P a f ln o H a n H a C tn 3 H H K O C T a t b e T a n K aje ^ K H > e H > a c()opM yna ct>opM ynaH a 2 5 °C K n jy n a h b a (°C)

E T e H C 2H4 c h 2=c h 2 T ac -104,0r ip o n e H c 3h 6 c h 3c h = c h 2 T ac -47,0E y r e H -1 c 4h s C H jC H 2C H = C H 2 T ac -6,0

lle H Te H -1 C 5H i„ C H iC H 2C H 2C H = C H 2 T e H H O C T 30,0

31

ALKINI (ACETILENI) CnH 2„.2

Ajikmhm cy He3acnheHn yrrbOBOflOHML4M Kojki HMajy TpocTpyKy Be3y Koja npeflCTaBrba cj:yHKflMOHariHy rpyny anKMHa. l/lMajy flBa aTOMa BOflOHHKa Mahbe ofl oflroBapajyhnx anKeHa. hbnxoBa onLUTa cj3opMyna je C„H2n.2. HMajy MCTa MMeHa Kao anKann, ann mm ce MMeHa 3aBpiuaBajy Ha -HH.

ripocTM auKMHM ce He Haua3e y npnpofln. hbnxoBe cjDH3MHKe ocočMHe cy spno c/iMHHe oco6MHaMa oflroBapajybMx anKeHa m auKaHa, caMO cy TaHKe KJbynahba HeiuTo BMiue. HepacTBopjbMBM cy y BOflM m y nojiapHMM pacreapaHMMa. PeaKTMBHM cy. CaropeBajy y npMcycTBy KMceoHMKa ,qajytiM yrjbeHMK(IV)-oKCMfl m BOfly.

36or Tora luto caflp>Ke TpocTpyKy Be3y ajiKMHM cy Bpjio peaKTMBHM. PeaKflMje ajiKMHa ce Mory noflejiMTM y flBe rpyne: peaKflnje TpocTpyKe Be3e {aflMflMone peaKflMje) m peaKflHje rpatjehba afleTMJiMfla.

AleKe ocoGnHe ajiKMHa . L _ i . -Ha3nB ’ MojieKyucKa Pa^MbHaJTHa 4>m3hhko CTatfee TanKa

jeflviKbehba __ cj3opHyjta ' $opMyna ' . Ha 25° C KJby4atba (°C)

i e ™ h ’ CiHj : : h o e c h - , rao -84,ortpomiH -' •- C 1H4 ' C H jO C H Tac - -23,0ByrHH-t C<H« CHiCH2CaCH fac , , 9,0 .

CIKLOALKANI (CIKLOPARAFINI) CnH2n - NAFTENI n(CH2)Aliciklična jedinjenja kod kojih su atomi ugljenika vezani prstenastom vezom i koja su jako slična alkanima. Petočlani i šestočlani cikloalkani često se nazivaju nafteni jer su nađeni u nafti.

ApOMaTMHHM yrjbOBOflOHMHM

ApoiviaTKHHM yrrbOBOflOHMflM (apeHM), m yoniUTe apoMaTMHHa jeflMhbehba, caflp>Ke y CBojMM MoneKynMMa noce6Hy rpyny Ofl LuecT aTOMa yrjbeHMKa noBe3aHMX y npcieH KojM Ha3MBaMO 6eH3eHOBo (6eH30jiOBO) je3rpo

Ha3MB apoMaTMHHa jeflMhbehba nOTMHe ofl Tora luto cy npBa jeflMhbehba M3 OBe rpyne, M3onoB3Ha M3 npMpOflHMX npoM3BOfla,MMana npnjaTaH MMpnc (rpn. apoMa = MMpMC).MetjyTMM, flaHac ce apoMaTMHHMM jeflMhbe- ibMMa Ha3MBajy cbm flepMBarM 6eH3eHa, 6e3 o&3Mpa fla nM MMajy mmpmc Mnn He.

32

XoMonorHM pefl 6eH3eH0BHx vrjtoBOflOHHKa

6eH3eH TO/iyeH o-KcnneH Me3HTn/ieH eTMn-6eH3eHC6H6 C sH 5-C H 3 C6H4-CCH3)2 C6H s-(C H 3), c 6h 5-c 2h 5

(MeTnn6eH3eH) (1,2-flMMeTMJi6eH3eH) (1,3,5-TpMMeTMji6eH3eH)

O n u iT a 4 ) o p M y n a : CnH2n.6

Objašnjenje približne konstantnosti elementamog sastava leži u tome što se relativni odnos članova napređ pomenutih homologih nizova koji ulaze u sastav nafte mo- že menjati u širokim granicama, a da se elementami sastav smeše bitno ne menja. Iz raz- ličitih nafti izolovani su članovi koji pripađaju nizovima ugljovođonika ođ ^n^2n+2 do Najvažniji nizovi su parafini (Cn nafteni n (CH2) i aromati(C^H^n.ć)- U sastav nafte ulaze gasoviti, tečni i čvrsti ugljovođonici pri čem u su gasoviti i čvrsti rastvoreni u tečnim .Nafteni koji ulaze u sastav nafte najčešće su derivati ciklopen- tana i cikloheksana. U sirovoj nafti olefina obično ima sarno u tragovima.

Prema dominaciji nekih ugljovodonika sirova nafta se klasifikuje u sledeće vrste:

1) — Parafinska - koja kao ostatak posle destilacije daje parafinski vosak;2) — Asfaltna - čiji se ostatak sastoji uglavnom od asfalta, i3) — Mešana - čiji se ostatak sastoji od asfalta i parafina.

Pored ove podele nafte koje sadrže većekoličine naftena i aromata nazivaju se naftenske i aromatske. U tablici 1,5. dat je sastav frakcije od 523 do 573 K nekih vrsta nafte.

Sumpor koji ulazi u sastav nafte vezan je u vidu organskih jedinjenja kao što su: merkaptani (tioli) opšte formule R-SH (npr. metil-merkaptan ili metan-tiol CH3 - SH) koji su korozivni i vrlo neprijatnog mirisa, organski sulfidi (R-S-R) i heterociklična jedinjenja sumpora (tiofen - C4H4S). Prilikom frakcione destilacije sumpor se neravnomerno raspodeljuje tako da se veći deo sumpora zadržava u ostatku. Kiseonična jedinjenja u nafti mogu biti jako korozivna na višim temperaturama, a prisutni metali u tragovima takođe mogu delovati korozivno i negativno uticati na prinos benzina pri katalitičkom krekingu.

33

TABLICA I.S. — Tipičnisastav frakcija od 523 do 573 K, a za neke vrste nafte.

Vrste nafte

ParafinskaNafte nsko-parafinskaNaftenskaAromatska

Vosak Asfalt Sastav frakcije od 250-300° Cmas. % ipas. %

parafini mas. %

nafteni mas. %

aromati mas. %

1,5-1,0 0,6 46-61 22-32 12-251 - 6 0 6 42-5 38-9 16-20trag. 0-6 15-26 61-76 8-130-0.5 0-20 0-8 57-78 20-35

RAFINACIJA SIROVE NAFTE (PROCESIIPROIZVODIPRERADE NAFTE)Sirova nafta se nikad ne koristi direktno kao gorivo već se prethodno podvrgava

rafinaciji. Rafinacija nafte obuhvata skup operacija koje se mogu pođeliti u sledeće tri grupe:

1. Frakciona destilacija,2. Hemijska prerada, i3. Umešavanje (poboljšanje osobina tečnih goriva).

Frakciorm destilacifa. - Posle uklanjanja vode i grubih nečistoća nafta se podvrgava frakcionoj destilaciji. Broj i osobine frakcija koje se proizvode zavise od zahteva trži- sta. U svakom slučaju najlakše frakcije se izdvajaju radi smanjenja opasnosti ođ eksplozije pri rukovanju i uskladištenju.

Sirova nafta se zagreva u cevnoj peći zračenjem i konvekcijom do oko 600 K. U cevnoj peći nafta se održava u tečnom stanju primenom pritiska, a zatim se uvodi u rekti- fikacionu kolonu koja je podeljena na više podova. Napojni pođ u koji ulazi zagrejana nafta zove se i zona ekspanzije jer tu pritisak opadne do atmosferskog, pri čemu veliki deo nafte prelazi u parnu fazu. Pare nafte se kreću naviše, a deo koji je ostao u tečnom stanju pada na dno kolone. Ovaj deo nafte predstavlja ostatak posle destilacije. On se prema potrebi može dalje podvrgavati procesima prerade. Pare nafte koje se kreću uz kolonuposte- peno se hlade i frakciono se kondenzuju. U svakom podu se kondenzuje određena frakcija a najlakše isparljive frakcije se sa vrha kolone odvođe u kondenzator ili u drugu rektifika- cionu kolonu gde se vrši dalje frakcionisanje. Na taj način sirova nafta je razdeljena na

34

35

1. Prim arni procesi su oni kojima se pri preradi nafte ne mijenjaju ni veličina ni struktura prisutnih ugljikovodika, a čine ih jedinične operacije: destilacije, apsorpcije, adsorpcije, desorpcije, ekstrakcije, kristalizacije, itd.

Destilacija je prvi proces u rafinerijskoj preradi kojim se dobijaju osnovne frakcije koje se pretežito koriste kao sirovine u sekundarnoj preradi nafte. Proces se izvodi u destilacionim kolonama, a razlikuju se:• Destilacija pri atmosferskom pritisku (visina kolone 40m, prečnik 4,5-6m)• Destilacija pri sniženom pritisku - vakuumska destilacija (veće dimenzije, prečnik 8,5m) Atmosferskom destilacijom odvajaju se frakcije s TK do 400°C, je r porastom temperature dolazi do reakcija krekovanja, pa se dalja frakcionacija izvodi vakuumskom destilacijom. Rasponi TK zavise od sastava nafte i željenih osobina proizvoda.

Frakcije atmosferske destilacije:

- laki benzin (<150 °C)- teški benzin (150-200°C)- petrolej (200-260°C)- lako gasno ulje (260-300°C)- teško gasno ulje (300-360°C)- ostatak (>360°C)

Tipične frakcije vakuumske destilacije su:

• Vakumsko gasno ulje - ulje za loženje (350-390°C)

• Vakumski destilati (390-550°C)

2. Sekundarni procesi su konverzioni procesi, odnosno procesi u kojima dolazi do pretvaranja prisutnih ugljovodonika radi povećanja učešća pojedinih, ekonomičnijih proizvoda, te radi povećanja njihovog kvaliteta, najčešće promenom hemijskog sastava. Glavna namena konverzionih procesa je pretvaranje proizvoda više u proizvode niže tačke ključanja (TK).

Za razliku od frakcionisanja koje je fizički proces, postupci sekundarne prerade su hemijski procesi i dele se na sledeće osnovne grupe:

■ Razgradnja ugljovodonika (krekovanje)■ Sinteza ugljovodonika (polimerizacija i alkilacija)■ Konverzija ugljovodonika (reformisanje i izomerizacija)■ Ugradnja vodonika (hidrogenizacija)

Razlaganje viših alkana u alkane manjih molekula u industriji nafte nosi naziv krekovanje (krakovanje)Termičko krekovanje sastoji se u razlaganju viših ugljovodonika (veće TK), koji se nalaze u teškim frakcijama nafte, u ugljovodonike niže TK, na povišenoj temperaturi (450-650oC) i pogodnom pritisku, bez prisustva katalizatora.

Ostatak primarne frakcione destilacije se podvrgava termičkom krekingu pod vakuumom (visbraking).

36

Prođukti term ičkog krekinga se razdvajaju destilacijom pri čem u se dobija srednje 1 težko gasno ulje, a ostatak pređstavlja m azut koji se koristi kao inđustrijsko gorivo. Po potrebi se m azut dalje prerađuje u bitum en i petrol koks.

Ovaj proces se m ože šematski prikazati na sledeći način:

term ičkikreking

Ostatak posle đestilacije

Katalitičko krekovanje je proces krekovanja težih frakcija destilacije u lakše, a izvodi se u

prisustvu katalizatora uglavnom na bazi sintetičkih zeolita. Najzastupljeniji je proces u fluidizovanom

katalitičkom sloju (eng. Fluidized Catalytic Cracking, FCC). Sirovine za procese katalitičkog

krekovanja mogu biti vakuum gasna ulja, teško gasno ulje iz atmosferske destilacije, gasna ulja

dobijena procesima termičkog krekovanja, a dodaju se i manji udeli ostataka destilacije. Proizvodi

procesa su frakcije benzina, tečnog naftnog gasa i cikličnog ulja, a uglavnom se koriste kao

komponente za umešavanje gotovih proizvoda.

Hidrogensko krekovanje je proces krekovanja u prisustvu vodonika na temperaturi od 350-450oC i vrlo

velikom parcijalnom pritisku vodonika (40-60 bara). Kao katalizatori koriste se najčešće zeoliti uz

metalne okside i sulfide (Co-Mo, Ni-Mo). Primenjuje se u cilju konverzije šireg spektra lakih i teških

frakcija u vrednije proizvode, kao npr.:- benzin ^ tečni naftni gas- gasno ulje ^ benzin- destilacioni ostatak ^ dizel gorivo

Katalitičko reformiranje benzina (lat. reč reformo - promeniti) je proces kojim se frakciji benzina s

atmosferske destilacije (primarni benzin) povećava vrednost oktanskog broja. Primarni benzin se

podvrgava procesu katalitičkog reforminga

pri čem u se dobija gas (CH4 + H2 ) i visokooktanski benzin. U procesu reforminga u prisustvu katalizatora (A12 0 3 + 0,1% Pt) stvaraju se aromatski ugljovođonici i odigra-va se izomerizacija parafina. Na taj način se dobija benzin sa visokim oktanskim brojem (98-100). Ovaj proces se m ože pređstaviti na sleđeći način:

kataličkireforming

Primami benzin ——--------------------- >(A12 0 3 +0,1% Pt)

— > CII4 + H2 — > visokooktanski

benzin (98 -100 )

— > ostatak

37

Izomerizacija lakog benzina (preuređenje normalnih nizova molekula u račvaste)Izomerizacija C5-C6 ugljovodonika je poseban proces reformiranja benzina, u kome se n-alkani prevode u izoalkane, tzv. izomerat - benzin koji služi kao komponenta matornog benzina, povećavajući njegov oktanski broj. Sirovina je benzinska frakcija TK do 80°C i sadrži pretežito n- pentan i n-heksan.Polimerizacija i alkilacija su suprotni procesi krekovanju kojim se gasoviti ugljovodonici pretvaraju u benzin visokog kvaliteta, u prisustvu katalizatora (H2SO4, H3PO4) i na visokom pritisku.

Umešavanje (poboljšavanje osobina goriva). ~ Završna faza rafinacije nafte obuhvata operacije u kojim a se podešavaju fiz ičk e i hem ijske karakteristike tečn ih goriva. O vo se postiže m ešanjem frakcija sa različitim intervalim a tem peratura ključanja. Svaka od tih frakcija se sastoji od velikog broja jedinjenja koja spadaju u 5 giavnih vrsta ugljovodonika~ O1001*3!11* parafini, izoparafini, o lefin i, cik loparafin i i arom atl). V ažne karakteristike goriva su npr. oktanski i cetanski broj.

Pri normalnim uslovima (20oC, 101,325 kPa)

■ C1 - C4 gasoviti ugljovodonici

■ C5 - C17 tečni ugljovodonici

■ C18+ polučvrsti i čvrsti ugljovodinici

Frakcije nafte prema p:■ Lake - 0,85g/cm3■ Srednje teške -

0,85-0,93 g/cm3■ Teške - 0,93-100

g/cm3■ Jako teške -

preko 1,0 g/cm3

OTAPALA

. SUMPOR

38

Oktanski broj - benzina je mera njegove tenđencije ka đetonaciji kad sagoreva u klipnom m otoru, Pođ detonacijom se ovđe podrazum eva vrlo nekontrolisano sagorevanje smese goriva i vazduha. Ovakvo sagorevanje izaziva u klipnim m otorim a udare, što šteti mašini i smanjuje efikasnost rađa. Neka tečn a goriva kao npr. izooktan sagorevaju vrlo mi- m o za razliku od goriva sa dužim normalnim nizovim a koja imaju jako izraženu tendenci- ju ka detonaciji. Ova tendencija je naročito velika kod norm alnog heptana (C^Hj 6). Radi

39

upoređivanja tendencije ka detonaciji različitih goriva stvorena je skala oktanskih brojeva u kojoj izooktan ima oktanski broj 100, a normalni heptan 0. Oktanski broj se određu- je sagorevanjem goriva u klipnom motoru pod strogo definisanim uslovima. Vređ o t oktanskih brojeva od 100 do 0 ođređuju se sagorevanjem smeša izooktana i normal v lep- tana, pri čemu oktanski broj odgovara procentu izooktana u ovoj smeši.

Sklonost ka detonaciji raste sa povećanjem dužine niza ugljovodonika k ;ji se sastoji od grupa CH2 , a smanjuje se sa povećanjem broja grupa CH3.

Najveću sklonost ka đetonaciji pokazuju normalni parafini sa brojem ugtjeniko- vih atoma većim od 6, a veliku antidetonacionu sklonost pokazuju izoparafini sa većim brojem grupa CH3 i aromatski ugljovodonici. Nafteni se po sklonosti ka detonaciji nalaze između pomenutih grupa. Oktanski brojevi nekih ugljovodonika dati su u tabeli niže iz koje se vidi kako oktanski broj raste sa račvanjem niza.

Avionski benzin i visokooktanski automobilski benzin se proizvode od primar nog benzina i prečišćenih benzina dobijenih katalitičkim krekingom i reformingom sa do- datkom produkata alkiliranja. Ovakav benzin sadrži veliki procenat izoparafina i aromata, i vrlo malo nezasićenih ugljovodonika. Oktanski broj avionskog benzina je 100.

Automobilski benzin oktanskog broja od 70 do 80 dobija se ugiavnom od produkata katalitičkog krekinga i reforminga pa zato sadrži 20-30% nezasićenih ugljovođo- nika.

40

Mešanjem odgovarajućih ugljovodonika može se dobiti tečno gorivo željenog oktanskog broja. Pored toga oktanski broj benzina se može povećati dodavanjem materija koje imaju antidetonaciono dejstvo kao štoje npr. tetraetilolovo Pb (C2H5)4 •

Srednji elementami sastav benzina je sledeći: 85% C, 14,95% H. 0,05% S i 0,05% (O + H).

U dizei motorima se gorivo ne pripaljuje iskrom nego dolazi do samopaljenja smeše goriva i vazduha usled kompresije. Stoga se za dizel motore koriste goriva sa relativno niskom temperaturom samopaljenja. U motorima sa karburatorima i pripaljivanjem elektrićnom vamicom nasuprot tome, zahteva se da gorivo ima visoku temperaturu samopaljenja, što je slučaj kod visokooktanskih benzina. Optimalna goriva za dizel motore su normalni parafini sa velikim brojem CH2 grupa kao i ciklični i aromatski ugljovodonici sa đugačkim bočnim parafmskim lancima koji takođe imaju veliki broj CH2 grupa.

Cetanski broj — je važna karakteristika dizel goriva. On predstavlja meru zaka- Šnjavanja paljenja goriva u dizei motoru. Normalni parafm cetan (C ieH ^) je uzet kao idealno gorivo za dizel motore i njemu je dat cetanski broj 100, a alfametilnaftalinu (Ci i Hio) dat je cetanski broj 0. Cetanski broj nekog goriva određuje se upoređenjem njegovih karakteristika paljenja sa karakteristikama paljenja smeše cetana i alfametilnaf- talina. Ispitivanja se vrše u standamom motoru sa kompresionim paljenjem. Oktanski i cetanski broj nekog goriva nemaju direktnu korelaciju, ali goriva sa relativno malim oktanskim brojem imaju visok cetanski broj i obmuto.

U grupu operacija umešavanje se može uvrstiti postupak uklanjanja neželjenih sastojaka iz tečnih goriva kao npr. asfalta, sumpomih jedinjenja, itd. Pored toga za speci- fične potrebe vrši se mešanje razhčitih frakcija đa bi se dobila goriva sa ođgovarajućom destilacionom krivom, npr. goriva za mlazne motore koja imaju vrlo širok opseg temperature ključanja dobijaju se mešanjem benzina i kerozina.

Zahtevi za karakterisitikama goriva za mlazne motore su manje strogi nego za goriva klipnih motora. Sagorevanje u mlaznim i raketnim motorima i gasnim turbinama se odigrava pri konstantnom pritisku pa nije potrebno gorivo visokog oktanskog broja. U ovim motorima mogu da sagorevaju benzin, kerozin i lako gasno ulje. Za primenu u avion- skim mlaznira motorima poželjno je gorivo male gustine. Zbog niskih temperatura koje vlađaju na velikim visinama potrebno je gorivo sa niskom temperaturom mržnjenja.Ako se uporede osobine nekog lako isparljivog goriva sa teže isparljivim sa tačke gledi- šta primene u mlaznom motoru, mogu se uočiti prednosti i nedostaci.

Prednosti lako isparljivih goriva su sledeće:1. — lakše paljenje na niškim temperaturama,2. — nešto bolja efikasnost sagorevanja,3. - manje čađenje i stvaranje depozita na zidovima komore sagorevanja i lopa-

ticama turbine.

Zbog štetnosti tetraetilolovo se sve više izbacuje iz upotrebe (zamenjuje se metanolom, etanolom i ugljovodonicima koji sadrže kiseonik). Zemlje EU i SAD su još 1986. počele sa uvođenjem bezolovnog benzina, tako da je on danas izbačen iz upotrebe.

41

Nedostaci lako isparljivih goriva su:

1 veća opasnost od požara,2 . -veća opasnost od stvaranja gasnih mehurova u sistemu đovoda goriva,3 . —veći gubici usled isparavanja na velikim visinama.

OSNOVNE KARAKTERISTIKE TEČNIH GORIVA

Frakcije sirove nafte Broj atoma ugljenika Tačka ključanja, oCRafinerijski gas C i - C4 < 20Benzin C4 - C10 15 - 200Kerozin C11 - C12 200 - 260Gasna ulja C14 - C17 260 - 332Laki destilati C18 - C25 230 - 305Ulja za podmazivanje C26 - C35 332 - 421Ostatak (asfalt, bitumen i dr.) > C35 405 - 515

Đenzin — je smeša tečnih ugijovodonika sa opsegom temperatura ključanja ođ 333 do 473 K (60-200° C). On se sastoji od ugljovodonika sa brojem ugljenikovih atoma od 5 do 12, a po nekim osobinama se može uporediti sa C8HX 8 . Gustina benzina iznosi 0,73 g /cm 3 , a donja toplotna vrednost oko 43 .900 kJ/kg. Koristi se kaogorivo zakli- pne motore sa paljenjem električnom vamicom.

Za avionske Iđipne motore koristi se benzin sa opsegom temperatura ključanja od 323 do 443 K (50-170°C). Gustina avionskog benzina iznosi 0,72 g /cm 3, anjegova temperatura mržnjenja ne sme biti viša od 213 K (— 6 0 °C).

Radi poboljšanja osobina benzina đobijenog direktnom frakcionom destilacijom iz nafte, posebno radi povećanja oktanskog broja, dodaju mu se frakcije dobijene ka- taličkim reformingom, termičkim krekingom, izomerizacijom i alkUacijom parafina.

Benzin sa širokim opsegom temperatura ključanja od oko 333 do 513 K (60 — 240° C), koristi se kao gorivo za mlazne motore vojnih aviona. Ovaj benzin ima gustina 0,77 g /cm 3 i donju toplotnu moć 43.400 kJ/kg. Po osobinama je sličan Ci 0H2 2 .

Kerozin - je smeša tečnih ugljovodonika sa opsegom temperatura ldjučanja od 423 do 523 K (150-250°C ). Gustina kerozina iznosi 0.8 g /cm 3 , a donja toplotna moć 43.400 kJ/kg. Prema opštim karakteristikama kerozin se vrlo gmbo može uporediti sa C12H20 i Ci 3H28 ■

Kerozin se koristi kao gorivo za avionske mlazne motore, za osvetljenje, za grejanje i za pogon traktora.

Zbog male isparljivosti kerozin se najčešće sagoreva raspršen u fine kapljice. Avionski kerozin stoga treba da ima odgovarajući viskozitet. Sadržaj aromata je ograničen zbog njihove sklonosti ka čađenju i stvaranju depozita na zidovima komore sagorevanja 1 na lopaticama turbina. Niske temperature koje vladaju na visinama ograničavaju maksima- Inu temperaturu mržnjenja.

Gasno ulje — predstavlja frakciju nafte sa opsegom temperatura ključanja od 453 do 533 K (180-360° C) koji se đelimično preklapa sa opsegom kerozina. Gustina gasnog ulja iznosi 0,84 g /cm 3 , a donja toplotna vrednost 42.500 kJ/kg.

42

Gasno ulje se koristi kao gorivo za đizel motore i za centralno grejanje.Đizel gorivo — obuhvata nešto teže frakcije nego gasno ulje. Gustina đizel gori-

vaiznosi 0,87 g/cm 3, a toplotna vrednost 41.900 kJ/kg. Koristi se u velikim dizci motorima (brodskim) i u stacionarnim postrojenjima za proizvodnju električne energije.

Ulje za loženje (mazut) — se sastoji od teških frakcija nafte i sađrži veliki procenat ostatka od destiladje. Gustina mazuta iznosi 0,95 g/cm3, a donja toplotna moć 40.000 kJ/kg.

Osobine i hemijski sastav mazuta zavise ođ sastava sirove nafte i samog tehnolo- škog procesa njene prerade. Najveći deo smole koja se nalazi u sirovoj nafti prelazi u mazut. Sadržaj vodonika u mazutu je niži od njegovog sadržaja u sirovoj nafti dok je nasup- r°t tome sadržaj ugljenika viši. Mazut je takođe obogaćen sumporom u ođnosu na sirovu naftu, jer se prilikom đestilacije nafte jeđinjenja koja sadrže sumpor koncentrišu u ostatku. Mazut obično sadrži 25-50% više sumpora nego nafta od koje je dobijen. Gustina i viskozitet mazuta su znatno viši, nego kod sirove nafte. Raspršivanje mazuta zahteva smanjenje viskoziteta što se postiže predgrevanjem.

Zbog različitih karakteristika postrojenja u kojima se odvija sagorevanje, proizvodi se nekoliko tipova mazuta koji se međusobno razlikuju po viskozitetu, toplotnoj moći i temperaturi zapaljivosti i paljenja. Prema sađržaju sumpora mazut se deii u dve grupe. sa malirn sađržajem sumpora (od 0,5-2,0% S) i sa visokim sadržajem sumpora (od 2-3,5% S). Mazut sadrži i nešto mineralnih materija koje pri sagorevanju daju pepeo. Sadr- žaj pepela nije veliki i kreće se u granicama od 0,1 do 0,4%. Osnovnu masu mineralnih sastojaka mazuta čini vanađijum kpji se uglavnom nalazi u smoli i asfaltenima. Prilikom sagorevanja mazuta vanadijum deluje katalitički na oksidaciju stvorenog S02 u S03. U tablici 1.7. date su neke karakteristike mazuta.

TABLICA 1.7. — Elementami sastav i toplotna moć mazuta

Mazut W% A % Sastav gorive mase mazuta

cg H« ° g +Ng s8- Q

kJ/kg

sa malim sađržajem 0 0 3 88,4 10,4 0,7 0,5 40.200sumpora 3 03 39.000

6 03 37.7009 0 3 36.400

sa visoldm sadržajem 0 03 86,2 10,3 0,5 3,0 39.600sumpora 3 0 3 38.400

6 0 3 37.3009 0 3 36.000

Mazut se koristi kao gorivo u industrijskim pećima i pamim kotlovima.Teški ter sa velikim sadržajem ugljenika, koji se dobija u procesima hemijske

prerade ugjja takođe se koristi kao gorivo u inđustrijskim pećima. Gustina tera kreće se od 1 do 1,2 g/cm , Ovaj ter ima neke pređnosti nad mazutom zbog manjeg sadižaja sumpora i vanađijuma. Međutim, ter nna i određene neđostatke. Iz njega se lako izdvajaju lakše frakcije koje predstavljaju opasnost od požara.

43

NAFTA KAO HEMIJSKA SIROVINAOđ 1945. gođine je otpočela da se povećava proizvodnja hemikalija iz nafte i prirod-

nog gasa. Danas je prozvodnja ovih organskih supstanci za industrijske potrebe toliko narasla đa u industrijski najrazvijenijim zemljama prelazi 70% proizvodnju svih hemikalija. Zato one nose nazivp e tro h e m ik a lije . Poznato je preko 3 000 proizvoda koji se dobiva- ju polazeći od nafte kao osnovne sirovine. Od njih se proizvode, na primer: veštački kaučuk, plastične mase, lekovi, tekstilna vlakna, boje, detergenti, eksplozivi, insekticidi, lakovi, kozmetički preparati, rastvarači itd. Najpoznatija fabrika u našoj zemji za dobivanje hemikalija iz nafte nalazi se u Pančevu.

N a fta j e o sn o v n a s ir o v in a v e lik o g d e la h em ijsk e in d u s tr ije č ija s e u p o tre b a iz god in e u g o d in u p o v e ć a v a .

OSTALI IZVORI TEČNIH GORIVAPod ostalim izvorima tečnih goriva ovde se podrazumevaju bituminozni-uljani-parafinski škriljci, ter dobijen preradom uglja, hidrogenizacija uglja, sinteza alkohola (metil- i etil-alkohol) i biodizela.

P a r a fin s k i (u ljanij škriljci (b i.tum eni) predstavljaju adsorbovanu naftu u glini, a n a laze se u prirodi u velikoj k o lič in i i m ogu se upotrebiti za dob ivanje raznih tečn ih goriva.U našoj zem lji im a o v ih škriljaca na n ek o lik o m esta. N a prim er u se lu S u b otincu k od Alek- sin ca . Z asad s e d osta radi na ekstrakciji i preradi nafte iz ov ih važn ih prirodnih proizvoda č ije su rezerve u sv e tu , prem a najnovijim p od acim a, znatno v e ć e o d rezerv i nafte.

Bituminozni škriljci su sedimentne stene sa većim ili manjim sadržajem organske materije raspršenu u obliku mikroskopskih čestica.Škriljce karakteriše visok sadržaj mineralnih materija (oko 50%), sadržaj ugljenika sračunat na gorivu supstancu kreće se oko 60-70%, a vodonika oko 8-10%. Zagrevanjem bituminoznih škriljaca izdvaja se ulje koje je pretežno parafinskog sastava. Dalje se ovo ulje prerađuje na isti način kao i primarni produkti destilacije nafte. Destilacijom ulja iz škriljaca dobija se samo 15% lakih frakcija sa temperaturama ključanja do 450 K.

44

Naziv parafini za alkane ne treba mešati sa parafinom koji zaostaje kao čvrsta masa nakon vakuumske destilacije nafte vodenom parom iznad 400oC. Parafin predstavlja smešu ugljovodonika čiji molekuli sadrže 18-35 C-atoma, a topi se na 50-55 oC i koristi se u proizvodnji sveća.

Prednosti tečnih u odnosu na čvrsta goriva

- Tečna goriva mogu da se čuvaju kompaktnije nego čvrsta goriva (~5 puta kompaktnije),- Lakše rukovanje ( pumpe, cevi,..),- Visoka toplotna vrednost (40.000 kj/kg),- Sagorevanje tečnih goriva se reguliše lakše,- Tečna goriva mogu da gore sa većom brzinom sagorevanja,- Tečna goriva su mnogo uniformnija po sastavu nego što je ugalj,- Sa sagorevanjem ulja nema prašine u izlaznim gasovima,- Tečna goriva sadrže veoma male količine pepela. Nema gubitaka toplote s pepelom i nema

problema oko odlaganja pepela,- Ugalj je podložan spontanom sagorevanju i pogoršavanju za vreme stokiranja, dok ulje nije

podložno ovim teškoćam,- Sadržaj sumpora u tečnim gorivima sa malom gustinom je mali.

Prednosti uglja nad tečnim gorivima

- Nije potrebno pripremiti specijalne kontejnere za čuvanje- Pepeo ugljeva ne sadrži komponente vanadijuma kao što je to slučaj sa uljima

koja grade depozit pri čemu korodiraju topli delovi bojlera- Ugalj je u mnogim zemljama domaća sirovina

SAGOREVANJE TEČNIH GORIVA

Najvažnija tečna goriva su, kao što je već istaknuto u poglavlju 1, produkti pre-

rade nafte. Lakše frakcije - (benzin i kerozin). Koriste se za pogon klipnih, mlaznih i ra- ketnih m otora, a za zagrevanje industrijskih peći koristi se isključivo m azutkoji predsta-

vlja ostatak nafte posle izdvajanja lakših frakcija.U zavisnosti od isparljivosti tečnog goriva razlikuju se dva principijelno različita

načina sagorevanja.Lako isparljiva tečna goriva prethodno se prevodeuparnostanjeuspecijalnim

uređajima (karburatorima) gde se obrazuje smeša para i vazduha. Ovako obrazovana sme- ša ulazi u komoru za sagorevanje. Proces sagorevanja smeše pare tečnog goriva i vazduha se ne razlikuje od sagorevanja gasovitog goriva. Sagorevanje benzina u klipnom m otom je

karakterističan primer ovakvog sagorevanja.Teže isparljiva tečna goriva moraju se prethodno raspršiti u fine kapljice da bi

se povećala povrsina isparavanja i obezbedilo mešanje raspršenog tečnog goriva sa vazdu-

hom.

45

MEHANIZAM

Sagorevanje tečnog goriva odigrava se samo u parnoj fazi što dokazuje činjenica da je temperatura samopaljenja tečnih goriva uvek viša od temperature ključanja (TKmaks za benzin je oko 220oC, a temperatura samopaljenja 410-500oC). Zato je sagorevanje tečnog goriva s jedne strane homogen hemijski proces čija brzina zavisi od brzine homogenih hemijskih reakcija, a s druge strane to je heterogen fizički proces čija je brzina određena brzinom isparavanja. Brzina isparavanja, sa svoje strane, zavisi od brzine dovođenja toplote na površinu tečnosti.Prilikom zagrevanja para tečnih goriva, koje se najčešće sastoje od termički nestabilnih ugljovodonika dolazi do njihovog termičkog razlaganja. U zavisnosti od temperature zagrevanja para ugljovodonika i brzine dovođenjakiseonika stvaraće se različiti produkti ter- mičkog razlaganja i parcijalne oksidacije

U procesu termičkog razlaganja ugljovodonika bez prisustva kiseonika stvaraju se lakši i teži ugljovodonici od početnih, a takođe i čađ. Stvoreni teški ugljovodonici i čađ mogu biti uzrok nepotpunog sagorevanja.U reakcijama oksidacije ugljovodonika koje se odigravaju pre paljenja, kao što je napred istaknuto, stvaraju se alkoholi, peroksidi i aldehidi, koji se đalje oksiđišu do formaldehida:

CH3OH + 0 2 ---------- ► HCHO + H20

CH3 CHO + 0 2 ---------- HCHO + CO + H20acet-aldehid form-aldehid

Kada se u prethodnim reakcijama oksidacije stvori formaldehid proces sagorevanjaproti- Če bez stvaranja teških ugLjovodonika i čađi. Stvoreni formaldehid u zavisnosti od količi- na prisutnog kiseonika može da reaguje na sledeća tri načina:

1. HCHO ---------- > CO + H2

12 . HCHO + ----- 0 2 ----------- ► H2 0 + CO

23. HCHO + 0 2 ---------- ► H2 0 + C 02

46

M ehanizam sagorevanja tečnog goriva sa slobodne površineSagorevanje tečnog goriva sa slobodne površine tečnosti može da posluži kao

dokaz da se proces sagorevanja tečnog goriva odigrava u parnoj fazi. Kada se izvrši paljenje tečnog goriva koje se nalazi u otvorenom sudu, iznađ površine tečnosti se obrazuje plamen koji je šematski predstavljen na sl. 8.1. Ubrzo posle paljenja uspostavlja se stacio-narni režim sagorevanja koji se karakteriše konstantnom brzinom opadanja nivoa tečnosti.

Kako se hemijske reakcije u plamenu zbog visokih temperatura odigravaju velikom

a

brzinom, proces sagorevanja sa slobodne_poyn šine ograničen je brzinom isparavanja kao naj- sporijim stupnjem. Stoga je, u stacionarnom re: žimu sagorevanja sa slobod_nc površine tečno_sti brzina sagorevanja jednaka. brzini ispaiavanja. * Pri stacionarnom režimu sagorevanja održava se stacionarna raspodela temperature po debljird sloja tečnosti. U tankom sloju neposredno uz površinu temperatura odgovara srednjoj temperaturi ključanja, a sa rastojanjem od površine brzo opada. Već na dubini od 30 do 60 mm od površine ona je jednaka početnoj temperaturi tečnosti.

Sagorevanje sa slobodne površine te- čnosti odigrava se u difuzionoj oblasti za koju

Slika 8.1. Sagorevanje sa slobođne površinc tečnog goriva:

1. - zona dogorevanja; 2. - front plamena;3. - zona para i produkata termičkog razlaganja; 4. - fconvektivno kretanje; 5. - zone predgrevanja.

je karakteristično obrazovanje smeše para goriva i vazduha u toku samog procesa, pri če- mu konvektivno kretanje, kako je na sl. 8 .1 . prikazano, igra važnu ulogu.

Zbog difuzionog režima sagorevanja plamen je jako lum iniscentan pa se toplota ođ njega na površinu tečn osti prenosi uglavnom zračenjem . Prenos top lote provođenjem otežan je usled kretanja para goriva navtše.

Toplota koja se od plamena prenese na površinu troši se na zagrevanje tečnosti do temperature ključanja i na isparavanje, 1j.

q = Ct (Tk - T 0) + L 1 (8 .1)

gde je q - količina toplote koja se od plamena preda jedinici površine tečn osti u jedinici vremena, - brzina isparavanja po jedinict površine tečn osti; Ct - top lotn i kapacitet te- čnosti; Tk - temperatura ključanja; T - početn a temperatura i L - latentna top lota isparavanja.

Jednačina (8 .1 ) pokazuje da brzina isparavanja, koja je kao što je napred reče- n o , jednaka brzini sagorevanja, zavtsi od p očetn e temperature tečn osti, tem perature klju- čanja, specifične top lote, latentne toplote isparavanja i od brzine dovođenja top lote na površinu tečn osti. Brzina dovođenja toplote sa svoje strane, najviše zavisi od intenziteta zračenja plamena.

Bizina sagorevanja se m ože odrediti merenjem brzine opadanja nivoa tečnosti.

47

Sagorevanje kapi tečnog ogrivaSagorevanje teže isparljivih tečnih goriva u vidu fino raspršenih kapljica je veoma složen proces koji zavisi od kretanja i sagorevanja pojedinačnih kapljica, njihovog uzajamnog dejstva i dr. faktora. Zato se posmatraju zakonitosti sagorevanja pojedinačne kapi tečnosti da bi se došlo do zaključka o ponašanju mlaza raspršenog tečnog goriva.

Čak i ovaj najprostiji slučaj tj. sagorevanje jedne kapi tečn og goriva je složen proces u kom e su isparavanje i sagorevanje faze koje neposredno slede jedna za drugom.

Kada se sferna kap tečn og goriva unese u prostor ispunjen zagrejanim vazduhom ok o kapi se obrazuje sloj pare tečn og goriva pri čem u koncentracija pare opada sa rastojanjem od površine kapi.

Na sl. 8 .2 . šematski je predstavljena kap tečnog goriva koja sagoreva u m im om vazduhu. Neposredno uz površinu kapi obrazuje se sloj pare u koji je prodifundovala mala količina vazduha; iza ovog sloja dolazi sloj smeše pare i vazduha čije konture odgovaraju koncentracionim granicama paljenja. Unutrašnja kontura odgovara gom joj, a spolja- šnja donjoj granici. Iza ovoga sloja koncentracija para tečn og goriva je manja od donje koncentracione granice paljenja.

Ako je temperatura vazduha viša od temperature samopaljenja na spoljašnjoj konturi pom enutog sioja, đolazi do samopaljenja smeše pare i vazduha, pri čem u se plamen prostire ka unutrašnjoj konturi ovog sloja.Dalje prostiranje plamena prema kapi oije m o- guće zbog nedovoljne koticentracije kiseonika, pa se na rastojanju od centra kapi, koje je pri- bližno jeđnako 10 njenih poluprečnika, obrazuje sferni front plamena. Ovakva slika sagorevanja kapi tečnog goriva ostvamje se u mi- m om vazđuhu ili u stm ji vazđuha koji se kreće zajedno sa kapi istom brzinom. Sagorevanje kapi tečnog goriva u mirnom vazduhuje tipičan difuzioni proces koji se sastoji od sleđećih sukcesivnih stupnjeva:

1. - isparavanje kapi;2. - difuzija para od površine i obra-

zovanja gorive smeše;3 . - sagorevanje smeše pare i vazduha.

8 .2 .2 .1 . Sagorevanje kapi potpuno isparljivih tečnih goriva

Proces sagorevanja kapi tečnog gorivaje veoma složen i brzinu sagorevanja jedne kapi nije moguće tačno izračunati, a još manje mlaza.

Teže isparljiva tečna goriva efikasno sagorevaju u vidu fino raspršenih kapljica. Celokupni proces sagorevanja sastoji se od sledećih sukcesivnih stupnjeva:

1. - raspršivanja (atomizacije) tečnih goriva;2. - mešanje kapljica goriva sa vazduhom;3. - isparavanja kapljica, i4 . - sagorevanja obrazovane gorive smeše.

Efikasnost celokupnog procesa sagorevanja u velikoj meri zavisi od kvaliteta ra- spršivanja, jer što je finije raspršeno tečno gorivo veća je površina isparavanja, a samim tim se intenzivnije odvijaju svi pomenuti stupnjevi.

povrSina

Slika 8 .2 . Sem atski prikaz kapi teč n o g goriva koja sagoreva u m im om vazduhu;a) - sloj pare sa m alim prim esam a vazduha;b) - smeša pare i vazđuha.

48

Tečna goriva su najčešće smeše različitih ugljovodonika od kojih svaki ima od- ređenu hemijsku formulu, relativnu molamu masu ihemijske i fizičke osobine. Za izraču- navanje stehiometrijski potrebne količine vazduha za sagorevanje ovakve smeše ugljovodonika nije potrebno poznavanje hemijskih formula pojeđinih komponenata kcrje ulaze u sastav tečnog goriva niti poznavanje njihovih međusobnih odnosa, već je đovoljno samo poznavanje elementamog sastava smeše.

Za stehiometrijski proračun sagorevanja najzgodnije je hemijski sastav goriva predstaviti u vidu hemijske formule. Iz poznatog elementarnog sastava smeše ugljovodonika može se izračunati prosečna hemijska formula u obliku CnHm, gde je n = %C/12, a m = %H/1. Ovako izračunata hemijska formula se ne može koristiti za izračunavanje srednje relativne molarne mase niti za određivanje bilo kakvih hemijskih i fizičkih karakteristika goriva, već samo za postavljanje stehiometrijske jednačine, tj. zaproračun odnosa vazduh—gorivo i sastava produkata sagorevanja.

Kako se prosečna hemijska formula određuje iz procentnog sastava smeše raz- ličitih ugljovodonika ona se odnosi na 100 masenih jedinica goriva, pa se i stehiometrijski proračun obično vrši za 100 masenih jedinica goriva.

Stehiometrijska jednačina za sagorevanje tečnog goriva čijaje prosečna hemijska formula CnHm može se napisati u sledećem obliku:

2.1.2. Stehiometrijski proračuni sagorevanja tečnih goriva

m mCnHm + ( 1 + ® (n + — ) 0 2 +(1 + jS) (n + — ) ■ 3,76 N2 = aa aaa 4 4

( 2. 1)m m m

= n C02 + — H20 + j3 (n + ------ ) 0 3 + (1 + 0) ( n + ---- ) Na2 4 4

gde je: 0 — višak vazduha, a (1 + 0) = a koeficijent viška vazduha, tj. odnos stvame koii- čine vazduha prema teorijski potrebnoj količini. U slučaju kada je 0 = 0 sagorevanje se odvija sa teorijski potrebnom količinom vazduha, a kadaje 0 > 0 sagorevanje se odvijau višku, a za 0 <C 0 u nedostatku vazduha,

Iz jednačine (2.1) može se izračunati odnos vazduh—gorivo i količina i sastav produkata potpunog sagorevanja određene količine tećnog goriva poznatog elementamog sastava.

Maseni odnos vazduh—gorivo iznosi:

(1 + 0) (n + m /4) 32 + 3,76 (1 + 0) (n + m/4 ) 28V

G n ■ 12 + m - 1(2.2)

Ukupna količina produkata sagorevanja iznosi:

m m mN = n + — + 0 (n +----- ) + (1 + 0) (n + — ) 3,76

2 4 4(2.3)

a ukupna količina suvih produkata sagorevanja je:

m_ T ,N’ = N (2.4)

49

G ASO VITA GORIVA

Gasovita goriva važna za upotrebu uključuju: prirodne ugljovodonične gasove, gasove proizvedene namenski da se koriste kao goriva i gasove dobijene kao međuproizvode od neke industrije.

Niz prednosti koje poseduju gasovita goriva nad čvrstim i tečnim m ogu se ukra- tko rezimirati na sledeći način. Gasovita goriva sagorevaju bez obrazovanja dima i pepela Sto obezbeđuje veliku čistoću u prostoru za sagorevanje, a i zagađenje okoline je svedeno na najmanju meru.

Menjanjem odnosa gas-vazđuh kao i menjanjem načina njihovog m eđusobnog mešanja moguće je u širokim granicama regulisati temperaturu i đužinu plamena. Iz gasa se relativno lako uklanjaju sum pom a jedinjenja pa prođukti sagorevanja ne sadrže okside sumpora. Osim toga menjanjem odnosa gas-vazduh m ože se u peći održavati oksidaciona ili redukciona atmosfera.

Gasovita goriva se gasovodima m ogu vrlo ekonom ično transportovati na velikarastojanja.

Gas može da sagoreva sa malim viškom vazduha (5-10%), dok je kod uglja ova vrednost preko 30%. Gas sagoreva veoma ujednačeno i sa kompletnom automatskom kontrolom dok je to otežano kod čvrstih goriva. Nije potrebno stokiranje i gas se dostavlja sa definisanim kvalitetom (toplotna vrednost i čistoća). Za ugalj je potrebno imati mesto za skladištenje.

Sva gasovita goriva koja se koriste kao izvor energije dele se prema izvoru na sledeće vrste:

50

1. - prirodni gas,2. - rafinerijski gas,3. - koksni gas — gas iz postrojenja za karbonizaciju uglja,4. - gas dobijen gasifikacijom uglja,5. - gas iz visoke peći, i6. - gas dobijen bakterijskim razlaganjem otpadaka.

1.4.1. Prirodni gas

Prirođni gas je nastao u procesima stvaranja nafte i uglja pa se i on često nalazi akumuliran u gomjem delu nalazišta nafte i rastvoren u njoj, kao i u nalazištima uglja.Radi smanjenja opasnosti pri rukovanju naftom, neposredno posle vađenja iz bušotine izdvaja se rastvoreni gas primenom smanjenog pritiska. U nalazištima gasa vlada visoki pritisak što omogućuje njegovo transportovanje na velika rastojanja gasovođima bez utroška energije.

Prirodni gas se pretežno sastoji od metana (oko 90%) i nešto viših gasovitih ugljovodonika (od 5-6% etana, propana i butana) uz male količine C 02, N2 i H2 S. Me- đutim, sađižaj C 02, N2 i H2S u prirodnom gasu iz nekih nalazišta može dostići visoke vrednosti (od 20-50%).. Prve dve od ovih komponenata snižavaju kaloričnu moć gasa, a treća je nepožeijna jer kao produkte sagorevanja daje toksične i korozivne okside sumpora. Gas sa visolđm sadržajem navedenih komponenata mora se prethodno podvrgnuti pre- čišćavanju radi smanjenja sadržaja C 02 i N2 i potpunog uklanjanja H2 S.

Zbog visoke kalorične vrednosti i relativno niske cene prirodni gas je veoma traženo gorivo. Neke zemlje poseduju velike rezerve gasa pa ga čak i izvoze. SSSR na primer snabdeva gasom veliki deo Srednje Evrope. Iz Alžira se gas izvozi u tečnom stanju pomoću brodova cistemi snabdevenih mašinama za hlađenje. Rezerve prirodnog gasa u na- šoj zemlji nisu velike.

1 . 4 . 2 . Rafinerijski g a s

Rafinerijski gas se sastoji od lakih ugljovodonika kpji se dobijaju u procesu prerade nafte. Sastoji se pretežno od gasovitih ugljovodonika (CH4, C2H6, C3H8 i C4H10) i vodonika. Propan i butan se najčešće izdvajaju. Proces razdvajanja gasova vrši se najče- šće apsorpcijom u ulju, a zatim frakcionom desorpcijom zagrevanjem ulja do različitih temperatura, pri čemu se najpre izdvaja metan pa zatim postepeno etan, propan i butan.Ceo proces se odigrava na povišenom pritiskU (oko 3 MPa). Gas koji sađrži pretežno metan transportuje se gasovodom do potrošača, a propan i butan se u tečnom stanju ubacuju u rezervoare i zatim razlivaju u boce. Boce se obično pune smešom propana i butana čiji se odnos podešava prema klimatskim uslovima.

Prirodni (zemni) gas kao smeša ugljovodonika, pretežno metana, pod normalnim uslovima se nalazi u gasovitom stanju. Temperatura potrebna da se metan iz gasnog stanja prevede u tečnost iznosi -125oC na atmosferskom pritisku ili -46 oC na pritisku od 2,7 bara. Transport gasa od mesta eksploatacije do potrošača vrši se cevovodima u gasnom stanju ili u posebno izrađenim cisternama u tečnom stanju.

- gasni aranžman sa Rusijom -

51

U različitim postrojenjima za karbonizaciju uglja kao sporedni produkt stvara se gasovito gorivo. Gas iz postrojenja za karbonizaciju uglja sadrži visok procenat vodonika i inetana. Toplotna moć ovoga gasa je visoka i iznosi oko 16.500 k J /m 3. Zbog relativno male proizvodnje ova vista gasa nema veliki značaj.

Gas iz visoke peći se pretežno sastoji od ugljenmonoksida, ugljendioksida i azota. Toplotna moć gasa iz klasičnih visokih peći je mala (oko 3300 k J /m 3) zbog visokog sa- držaja azota. U visokim pećima novih konstrukcija koristi se vazduh obogaćen kiseonikom u smeši sa vodenom parom pa se dobija gas sa smanjenim sadržajem azota i povećanim sa- držajem vodonika, Ovakav gas imaznatno veću toplotnu vrednost.

U tablici 1,8. dati su sastavi i toplotne moći nekih vista gasovitih goriva.

1.4 3 . Ostali izvori gasovitih goriva

TABLICA 1.8. — Tipični sastav i toplotne moći gorivih gasova.

Vrsta gasaSastav gasa, zapr. % Donja top-

lotna moć k J /m 3h 2 CO CII4 CnHm co2 o 2 n 2

Prirodni gas:

Mokrin 92,10 4,85 0,48 2,57 36.250Pitsburg — 83,40 15,80 — — 0,80 40.626Saratovskaoblast ___ 92,20 3,90 0,1 _ 3,80 33.556

R afineri/ski gas: 8 — 10,00 75 — — H2 S=7 52.000K oksn i gas 54 7,5 28 2,5 2,5 0,5 6 16.740Gas iz visoke pedi 1 27 — — 1 — 65 3.350Vazdušni gas 1 33 0,5 — 5 — 65 3.770Mešani gas 12 29 2,5 0,4 4 — 52 5.600Vodeni gas 49 41 1 — 5 0,5 5 10.400Lurgi gas (ispran) 50 19 22 1 7 — 16.740

V odonik,Za iiidustrijske svrhe vodonik se dobiva na više načina:

‘.'■® provodenjem vodene pare kroz usijane cevi napunjene sSlNenini opiljcima:

3 Fe +4 (f20 Fe30 4 + 4 H 2

2, provođenjem vodene pare kroz sloj zalarenog koksa:C + H20 = CO + H2.

Ovo je vrlo podesan prooes za industrijsko dobivanje vodonika. Smeša ,alih gasova - ugijen-inonokiida i vodonika - zove se „vođeni gas" ili ^gasoictC'.smcše sc odvaja ugljen-monoksid provodenjem „gasožena” s vodcnom parorn užarenog oksida gvožđa, koji služi kao katalizator:

^ : 1

h 2 + c o + h 2o C 0 2 + 2 H2

52

3, elektrolizom vocte, odnosro vodenog rastvora kuhinjske soli. Ovaj jjreimućstvo nad oštaiim, što se dobiva neobiino £ist vodonik, ali je nezgođan zboV-i jikog utroška električne eneijgijc. On f« primenjuje samo u onim zeinljama koje rar jcvLiuoni voclenom (bidrauličrom) energijom, koja se korisd za pretvatanje u ele energiju,

4. razlaganjein vodonitnib jedinjenja (ugljovodonika) što £c nalazc u gasovimalL izbijaju iz zeml je, odnosno iz petrolejskih bušotina (|)rirodni gas). Tako, na primerse zagrava smeša metana i vodere pare ra visokoj tcniperaLuri, u prisustvu kataJiz dolazi do slcđeće rcakcijc:

CH4 + H:0 = CO + 3 H2

CO + HjO ^ CO: + Hj.Katalitićkim razlaganjem ugljovodonika na visokoj temperaturi dobiva^še I

vodonik za indnstrijske svrhe, na prinierCH = C + 2 H2,

Dobivcni vodonik, po navedenim procesiina, sabija se u ćclićne boee (bontbe)'p j pritiskom *= 15,2 MPa (150 atm), '

Osobine vodonika. - Vbdonik je na običnoj temperaturi gas bez boje, mirisa'l'ii® sa. Na tcmperaLuri ođ - 240,2° može, pomoću pritiska od 1296,6 kPa {12,8 armJ/ddS pretvori u tečnost, koja ključa pod atmosferskim pritiskom na - 252,8°t a rorzne sfc-nfe] 259,2°? ’Vodonik je najlakši gas koji postoji, jedan dm3 (1 litar) vodonika na tcmptj 0° i pririsku od oko !0l,3 kPa ima roasu od 0,08985 g. Lakši je od vazduha J4,4 {jnj? je zato ranije upotrebljavan za punjcnjc vazdušnih baTona. Or je u čvrstom i tečnohV takode znatnolakši od ostalih supstanci. Mala gustina vodonika njslovljavanjegovop'- j poJtretljivost. On ima uajveću brzinu difuzijeod svih gasova. (str. 68).

Vodonik može da se proizvodi i elektrolizom vode ali je proces skup.Vodonik je izuzetno gorivo: ima ga u neograničenim količinama, ima veliku tolotnu vrednost, i ne zagađuje okolinu. Problem sa njim kao gorivom je što se teško skladišti, zauzima veliku zapreminu, a kao tečan vodonik se mora čuvati u izolovanim kontejnerima na temperaturi ispod 253oC. U novije vreme vodonik se skladišti u obliku hidrida sa metalima. Koristi se kao raketno gorivo gde se u gorivim ćelijama jedini sa kiseonikom uz nastajanje električne nergije i kao gorivo za pogon automobila. Pored toga koristi se za punjenje vazdušnih balona, za postizanje visokih temperatura gorivih smeša, za sintezu amonijaka, metika alkohola, sintetiškog benzina, hidrogenizaciju ulja za dobijanje čvrstih mastii dr.

Sagorevanje gasovitog goriva

U stehiometrijskim proračunima procentni sađržaj inertnih gasova koji ulaze u sastav vazduha obično se dodaje sadržaju azota, pa se uzima da sadržaj azota u vazduhu iznosi 79 zapreminskih %, a kiseonika 21 zapreminskih %. Kako su kod idealnih gasova molarm 1 zapreminskiprocenti jednaki, iz odnosa sađržaja azota prema sadržaju kiseonika izraženih u zapreminskim %, izračunava se njihov molarni odnos, tj. 7 9 /2 1 = 3,76 - što znači da u vazduhu na 1 mol kiseonika dolazi 3 ,76 m olova azota. Prema tom e, stehiometrijska jednačina sagorevanja ugljenika sa vazduhom glasi: '

3. C + 0 2 + 3,76 N2 = C 0 2 + 3 ,76 N2 ,

sto tstovremeno znaći da je za sagorevanje 12 g ugljenika potrebno 32 g k iseon ikauz koji đolazi 3,76 x 28 = 105,28 g azota, a potrebnakoličina vazduhazasagorevanje 12 gugljenika iznosi 137,28 g.

53

Gasovita goriva su obićno smeše više komponenata od kojih su neke sagorljive a neke mertne. Osnovne sagorljive komponente gasovitih goriva su vodonik, ugljenmonoksid 1 gasoviti ugljovodonici. Pored sagorljivih komponenata gasovita goriva često sadrže

azot, ugijendioksid i vodenu paru. Sastav gasovitih goriva se najčešee izražavau zapreminskim procentima svih komponenta pojedinačno.

Potrebna količina kiseonika i vazduha za sagorevanje najvažnijih komponenata gasovitih goriva izračunava se preko sledećih stehiometrijskih jednačina:

4. CO + 0,5 0 2 + 1,88 N2 = C 02 + 1,88 N25. H2 + 0,5 0 2 + 1,88 N2 = H20 + 1,88 N26. CH4 + 2 0 2 + 7,52 N2 = C 02 + 2H 20 + 7,52 N27. C2 H6 + 3,5 Oa + 13,16 N2 = 2 C 02 + 3 HaO + 13,16 N28. C3H8 + 5 0 3 + 18,8 N2 = 3 C 02 + 4 H20 + 18,8 N29. C4 H10 + 6,5 0 2 + 24,44 N2 = 4 C 02 + 5 H20 + 24,44 N2

10. C2H4 + 3 0 2 = 11,28 N2 = 2C 02 + 2H2 0 + 11,28 N211. C3H6 + 4,5 0 2 + 16,92 N2 = 3 C 02 + 3H20 + 16,92N 2 .Kako se sastav gasovitih goriva izražava u zapreminskim procentima, Što isto-

vremeno ođgovara molarnim procentima, tj. molovima date komponente u 100 molova gasa, najpogodnije je proračun potrebne količine kiseonika ili vazduha bazirati na 100 molova gasovitog goriva.

Kada se izračuna stehiometrijski potrebna 'količina vazduha za sagorevanje 100 molova gasovitog goriva lako se može izračunati molarni tj, zapreminski odnos vazduh gorivo kao i sastav i količina produkata sagorevanja.

CnHm + (n+m /4)O2 + 3,76(n+m /4)N2 = nCO2 + m/2 H2O + 3,76(n+m /4)N2

Molekuli goriva mogu da sagore tek kad stupe u neposredni kontakt sa oksidansom odnosno kiseonikom pri čemu gorenje može da se odvija sa ili bez proizvodnje plamena. Plamen je vatrena mešavina sagorljivog gasa (ili pare) i vazduha (kiseonika).Prema reakcijama koje se odigravaju u plamenu smeše ugljovodonika i vazduha (kiseonika) postoje tri zone.U unutrašnjem konusu (zona 1) se dešava zagrevanje smeše do paljenja, koja se odigrava na njegovim granicama ( T nekad manje od 373 K).U redukcionoj zoni (zona 2) koja je plavo-zelene boje, dešava se redukciono razlaganje goriva, gde gorivo ne sagoreva potpuno, pa se kao proizvodi dobijaju CO i H2:

C2H2 ^ CO + H2 + QSpoljašnji konus je plavo-ljubičaste boje gde se dešava potpuno sagorevanje-oksidacije do CO2 i H2O:

CO + H2 + O2 ^ CO2 + H2O + Q

Temperatura paljenja je ona temperatura iznad koje će se sagorevanje koje je jednom započeto na dalje samo održavati, a ispod koje se aktivno sagorevanje ne može odvijati. Temperatura paljenja za gasove varira sa koncentracijom, a smanjuje se sa pritiskom. Zamena vazduha kiseonikom pri sagorevanju ima malo uticaja na temperaturu paljenja.Temperatura plamena zavisi od toplotne vrednosti goriva, zapremine i specifičnih toplotnih kapaciteta ukupnih gasnih produkata, gubitka usled radijacije, disocijacije gasnih molekula i dr.

54

Uređaji pomoću kojih se organizuje proces sagorevanja nazivaju se gorionici (breneri). Njihov zadatak je da obezbede dovod određene količine gasa i vazduha, da održava predviđeni odnos vazduh-gorivo i način njihovog mešanja, da obezbede stabilno sagorevanje i dr.Prema načinu dovođenja goriva i oksidansa gorionici se dele u tri grupe:

■ gorionici sa potpunim prethodnim mešanjem gorivog gasa i vazduha■ gorionici bez prethodnog mešanja gasa i vazduha i■ gorionici sa delimičnim prethodnim mešanjem gasa i vazduha

MEHANIZAMMože se smatrati da se sagorevanje ugljovodonika odvija kao serija oksidacionih procesa, po sledećem mehanizmu:

Gasovito gorivoâlkoholâldeh idâlifatične k iseline^voda i ugljen dioksid CH4 ^ CH3O H ^ H C H O ^ H C O O H ^ H2O + CO2Sagorevanje vodonika

(0) H2 + O2 — 2OH M - svaka čestica koja može(0) H2 + M — 2H + M Začetak lanca da aktivira ili dezaktivira(0 ) o 2 + o 2 —> O3 + orazlaganje H2

1.2.3.4.5.6.

OH + H2 —— H2 + H H + O2 —— OH + O O + H2 — — OH + H H + zid

- produžetak lanca razgranjavanje lanca

OH + zidH + O2 -

Prekid lanca na zidu HO2 - Prekid lanca u zapremini

1. HO2\

% H2O2 + % O2

% H2O + % O2

Uništenje slabo aktivnog radikala HO2

2. HO2 + H2 — H2O2 + H3. HO2 + H2O — H2O2 + OH

HO2

4. HO2 + HO2 — H2O + O2 + O

Produžetak lanca preko slaboaktivnog radikala

Aktivni centri: H , OH, O i HO2

CMema raca m Baaflyxa

IIjiaBa yHyTpainH>a Kyna

ByH3ciiouor njiaMCHHKa jc

CMerna raca n aa3flyxa,

3aTBapaH>CM OTBOpa 3a Ba3flyx floBnja CBCTJio;Ky™ njiaMCH.

Bocas CBctie ce jiaKO Tonn

4)opM5rpajytm 6a3cmnh Teanor bockb oko (jjiiTHJta. TonjiOTa njiaMCiia ncnapasa nocaK, Kojn ce 3BThm Mdua ca Ba3flyxoM n caropesa. CserjieiiH napflnhn yrji,eHHKa flajy njia,MeHy cjajHo*yTy 6ojy.

55

S a g o r e v a n je u g l j e n m o n o k s id a

Mehanizam I

1. O + O2 + M ^ O3 + M2. O + CO + M ^ CO2 + M3. O3 + CO ^ CO2 + 2O4. O3 + CO + M ^ CO2 + O2 + M

Aktivni centri: O + O3

Mehanizam II ( u prisustvu vode )

CO + O2 = CO2 + O - mala verovatnoća

1. H + O2 ^ OH + O2. OH + CO ^ CO 2 + H3. CO + O ^ CO2

4. O + H2 ^ OH + H5. OH + H2 ^ H2O + H

Sagorevanje metana

0. CH 4 + O2 ^ CH3 + HO 2 - ( početni stadijum )1. C H 3 + O2 ^ HCHO + OH2. OH + CH 4 ^ CH 3 + H2O3. HCHO + O2 ^ HCO + HO 2

4. HCO + O2 ^ CO + H2O5. HO^ + CH 4 ^ H 2O2 + CH3

Aktivne čestice: CH3 , H C O , O H , HO2

Sagorevanje metana:

a) Zona predgrevanja smeše prenosom toplote i difuzijomb) Zone oksidacije metana u HCHO, a zatim u CO i H2Oc) Sagorevanje ugljenm onoksida ( CO )

56

Osnovni produkti sagorevanja i emisije:

CO2 , CO , H2O , H2 , O2 , N2 , OH , NO , O , H , N

Procesi sagorevanja kao izvor zagađenja vazduha

Osnovni zagađivači su:

a) Ugljenmonoksid (ugljendioksid)b) Produkti parcijalne oksidacije i termičkog razlaganja gorivac) Oksidi sumporad) Oksidi azota NOxe) Aerosoli

CH, NOx

1 ,0

0,5

Sadržaj toksičnih produkata u izduvnim gasovima benzinskog motora u zavisnosti od koeficijenta viška vazduha- a

0,7 0,9 1,1 aMetode prečišćavanja:

■ Apsorpcija ( Mineralne soli, arsenati., SO2 , SO3 , NO2 , NO , ..)■ Apsorpcija ili termička obrada ( ugljena prašina, drvena prašina)■ Katalitičko sagorevanje■ Sagorevanje u pećima eahc npes enn

57

NUK LEARNA ENERGIJAOko 16% svetskih potreba u električnoj energiji se dobija od nuklearne energije u oko 440 nuklearnih elektrana širom sveta. U Evropi 1/3 električne energije proizvede se radom nuklearnih elektrana. Nuklearna energija dobija se fisijom-cepanjem teških jezgara atoma uranijuma i plutonijuma pri čemu se od malih količina goriva dobija ogromna količina toplote koja se prevodi u električnu energiju.

ZDA

Francija

Japonska

Rusija

Velika Britanija

Južna Koreja

Nemčija

Kanada

Ukrajina

Indija

Svedska

Kitajska

Spanija

Belgija

Česka

Slovaska

Tajvan

Svica

Madžarska

Bolgarija

Finska

Argentina

Brazilija

Južna Afrika

Mehika

F'akistan

Armenija

Litva

Nizozemska

Romunija

Slovenija

I 104

I 59

I 54

31__

N a jv e ć i p o t r o š a č iNUKLEARNE ENERGIJEZ e m lja U će šće n u k le a rn e

e n e rg ije u u k u p n o j p o tro š n ji s lru je (%)

L itv a n ija 8 5 . 59

FrancLiska 7 6 , 14

B e lg i ja 5 5 . 52

Š v e d s k a 4 6 , 61

B u g a rs k a 4 6 .4 3

S io v a č k a 4 4 ,1 4

M a đ a rs k a 4 2 ,3 0

Š v a jc a r s k a 3 9 ,9 2

S lo v e n i ja 3 9 ,4 6

U k ra jin a 3 7 , 83

0 20 40 60 60 100 120

Oslobođena količina toplote je reda veličine MeV što je million puta više od energije veze atoma u molekulima koja je reda veličine eV i koja se oslobađa pri hemijskim reakcijama. Iz ovog poređenja sledi da je toplotna vrednost nuklearnih goriva daleko veća od klasičnih goriva (1g 235U oslobađa istu količinu toplote kao 2,7 t uglja; 1eV = 1,6 • 10"19 J, 1MeV = 1,6 • 10-13 J)

Radioaktivnost - svojstvo nekih elementi (uran, radiju, torijum...) da bez spoljašnjeg uticaja - spontano i neprekidno emituju nevidljivo tzv. radioaktivno zračenje prilikom njihovog raspadanja (dezintegracije) usled čega dolazi do stvaranja atoma novog elementa. Novi element je lakši od elementa od koga je postao i od njega se potpuno razlikuje po fizičkim i hemijskim osobinama. On se i sam dalje raspada sve dotle dok se na kraju ne dobije neaktivan element kao krajnji proizvod raspadanja. Taj stabilni element je neradioaktivno olovo (82Pb206, 82Pb207, 82Pb208).Elementi koji poseduju svojstvo spontane emisije zračenja nazivaju se radioaktivni elementi. U prirodi ima oko 40 radioaktivnih elemenata. To su većinom elementi sa velikom relativnom atomskom masom i visokim pozitivnim naelektrisanjem jezgra, a svrstana su u tri odvojena niza: niz torijuma, niz urana i niz aktinijuma. Elementi u ovim radioaktivnim nizovima postali su jedan iz drugog postepenom dezintegracijom, emisijom alfa- ili beta-čestica.Najveći broj elemenata koji se nalaze u prirodi predstavlja smešu dva ili više svojih izotopa (mešoviti). U zemljinoj kori ima svega oko 21% elemenata koji se uglavnom sastoje od jednog izotopa (Be, F, Na,

58

Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pr, Tb, Ho, Tm i Au). Ovi tzv. čisti elementi su oni čiji atomi imaju ne samo jednako naelektrisanje jezgra već i jednake atomske mase.

Postoji prirodna i veštačka radioaktivnost. Radioaktivnost koja se javlja u izotopima koji postoje u prirodnim uslovima naziva se prirodna radioaktivnost, dok radioaktivnost izotopa dobijenih u nuklearnim reakcijama (preko 700) predstavlja veštačku radioaktivnost. Veštački radioaktivni izotopi nazivaju se radionuklidi. Znatan broj elemenata u prirodi poseduje radiokativne izotope (oko 300 izotopa). Nađeni su radioaktivni izotopi talijuma (Z=81), olova (Z=82), bizmuta (Z=83), a svi elementi iznad rednog broja 83 su radioaktivni, osim elemenata sa rednim brojem 85 i 87, kojih u prirodi nema.Prirodne radioaktivne materije (jezgra njihovih atoma) emituju tri vrste zračenja:

■ a-zrake (čestice jezgra atoma helijuma 2He4)

■ P-zrake (brzi elektroni, brzi pozitroni)

■ y-zrake (elektromagnetni visokofrekventni talasi)

Uranijumov mz Prilikom emitovanja a-čestice (a-raspad), koja se sastoji od 2 protona i 2 neutrona, hemijski element pretvara se u drugi element koji ima

redni broj manji za 2, a atomsku masu manju za 4 jedinice. Emitovanjem P-čestica (elektronski P'- raspad) iz nekog radioelementa sa rednim brojem Z dovodi do transmutacije (promena jednog izotopa elementa u drugi) tog elementa u element sa rednim brojem (Z+1). Drugim rečima nastali izotop ima istu atomsku masu, ali mu se redni broj povećava za jedinicu pozitivnog naelektrisanja. Prilikom y- zračenja ne menja se ni redni broj ni atomska masa ali se smanjuje energija.

Brzina raspada (dezintegracije) nekog radioaktivnog elementa, tj. broj atoma koji se raspadnu u jedinici vremena, proporcionalna je ukupnom broju prisutnih atoma tog elementa. Konstanta karakteristična za radioaktivni raspad je vreme poluraspada t1/2.Vreme potrebno da se broj neraspadnutih jezgra posmatrane radioaktivne supstance smanji na polovinu naziva se vreme poluraspada.

ti/2 = 0,693/A,, X - konstanta radioaktivnog raspada

59

ZAKON RADIOAKTIVNOG RASPADA: Ovaj zakon prikazuje odno vremena i broja neraspadnutih jezgara neke količine radioaktivne supstance Tako, posle perioda jednog poluraspada ostaje polovina; posle dva perioda četvrtina, posle tri perioda - osmina ... od početnog broja radioaktivnih je zgara.Zakon radioaktivnog raspada može se ovako matematički iskazati:

N = N 0e' -Xt

Iz ove jednačine, koja predstavlja zakon radioaktivnog raspada u eksponen— cijalnom obliku, izlazi da je opadanje broja neraspadnutih atoma u eksponen- cijalnoj zavisnosti sa vremenom.X - konstanta raspadaN - broj jezgara radioaktivnog elementa u početnom trenutku (t=0)

N - broj neraspadnutih jezgara u momentu vremena t.

l!£IjvnikJ2

uljonik 14li neutrona

Izotopi jednog elementa su atomi čije jezgro sadrži isti broj protona (jednak rednom broju elementa u periodnom sistemu), ali različite brojeve neutrona.

y OAHocy Ha flyacHHy BpeMeHa nojiypacnaA a, paflHoafCTHBHH h30toiih zrene ce na: g y io M u eeh e , nnje je speM e nojiypacnazta flyace o « hckojihko ro ;m n a , h KpautK om ueehe, Hnje je BpeMe nojiypacna;ca Kpahe o;r hckojihko a a n a .

MepeHba BpeMeHa n o jiy p a cn a a a noKaaajia cy, Ha npHMep, /ia je BpeMe n ojiyp acn ajia pa^HjyMa 1600 rojjHHa. C o53H pHM Ha to ihto c e cTapocT 3eM Jte npoueH ,yje n a hckojihko MHjiHOHa roflHHa, onH rjic/iuo je a a 5 h CBe KojiHHHHe pa/iHjyMa Ha 3eMjr,H s e h OAanno HuiHe3Jie. O uH rjic/iifo je , AaKne, ,na ce y npHpo/tH n o p e /i p acn a/iam a h pal)ajy &tom h p a /in - jyM a. hHfteHHua luto ce pa«HjyM Ha/ia3H y ypanOBHM py/raMa ( h to caMO y ypaHOBHMpynaM a) HasoAH Ha noM Hcao /ia pa/uioaKTHBHH p acn a /i ypaHa aobohh ho o 5 p a 3 0 B a s,a aTOMa pa/iHjyMa.

H 3 otoh ypana ca MacoiniM SpojeM 238 eMHTyje ajicba-uecTHue ca npeMCHOM nojiypacna/ia o/i 4 ,5 mmjinjap/iH ro/iHHa (4,5 • 10C) ro/jHHa). IIpeMa TOMe, o /i TpeHyTKa HacTaHKa JeMjte ypaH ce pacnao BeoMa Majio. AjnJia-pacna/i 92U 238 aobohh /io o5pa30Ba& a hobot je3rpa, ca pe/iHHM SpojeM 90 h MacenHM SpojeM 234, Tj. H30T0ira TopnjyMa 90T h 234 (osaj H30Ton TopnjyMa je pa/iHoaKTHBaH h HH3 HBa ce jom h ypaH-HKC-je/iaH U X r). ITpo- H3BO/I oeTa-pacnaAa 90T h 234 jecTe 91P a 234, Tj. H30Ton npoTaKTHHHjyMa ca MaceHHM

SpojeM 234 (Kojn ce jorn Ha3HBa h UX2). OBaj H30Ton je TaKoIje paAHoaKTHBa«. Ha Taj HaTHH o5pa3yje ce JiaHau paAnoaKTHBinix H30Tona. Jlanau, koJu ce o5pa3yje paguoaKiuue- hum pacuagoM u3oiuoua ypana g2U 238 na3uea ce paguoaKiuuem m 3 ypaua. Oh je npefl- CTaBJteH y npHJtoaceHoj TaSJiHflH. riocjie 14 y3acTonHHX paflnoaKTHBHHX TpaHCMyTauHja U238, oh npejia3H y HepaflHoaKTHBaH hjih, KaKo ce to jom Kaace, CTaSnjiaH H30Ton ojtOBa Pb208. HanoMeHyheMO fla y npHpOflH nocToje jom Tpn paflnoaKTHBHa HH3a: TopHjyMCKH, aKTHHHjyMCKH h HenTyHHjyMCKH, Kao h jom HeKOJiHKO paflHoaKTHBHHX H30T0na flpyrnx ejieMeHaTa, KojH He npHnaflajy hh jeflHOM HH3y.

Neptunijumov niz je veštački radioaktivni niz.U principu između veštačke i prirodne radioaktivnosti nema bitne razlike osim što se veštački radioizotpi mogu raspadati uz emisiju pozitrona (P+ - zračenja).

168

17 8

18 8

o

o

o

I Z O T O P I

60

PAflMOAKTHBHH HH3 YPAHA

H oea03HaKa

BpeMe n ou y- pacnana T *

BpcTapacnaAa

4 ,5 -10° rofl. a,.T h IM 24,1 flaHa P (y ),,P a ” 4 3,18 min M y )« U 2!4 2,5 10! ro fl. a

8 • 104 rofl. * ( Y )(f.R a "6 1622 rofl. « ( Y )ssEm 2“ 3,825 flaHa ote4P o2!s 3,05 min a

!2P b2U 26,8 min P (Y )> ,W ‘ 4 19,7 m in P (Y )s .P o214 1 ,6 -1 0 “ 4 s « (Y)S2PbJ1° 22 rofl. PsjB '210 5 flaHa P (y )MP o210 138 flaHa asjPh!0S crabHJian —

Nuklearne sile koje drže protone i neutrone u atomskom jezgru daleko su jače od onih sila koje održavaju vezane atome u molekulima. Zbog toga je energija koja stoji u vezi sa nuklearnim procesima više od milion puta veća od energije koja stoji u vezi sa hemijskim reakcijama.Podsetimo seSvaki atom sastoji se od jezgra i omotača od jednog ili više elektrona. Atom je elektroneutralan, a jezgro atoma je pozitivno.

Je3rpo aTOMa, hjih nyKJieyc, caCTojn ce ojt abc Bpcre eneMeirrapHnx liecTHu,a — upoiuoHa M neyiupona. Oee necTime aa3HBajy ce H yK J ieo iiH .

% TlpoiuoH ( p ) j e y c r s a p H j e 3 i p o a i o s i a BOAOHHKa. rioce|(yje iio3Hthbho fraejieKrpii- c a i b c o j\ j e ,/ iH e e : i e M e i iT a p i i e K O jm M H H e n a - e ; ie K i p i ic a H > a ( - ( - e) n , \ i a c y y M H p o B a H > y :

: - mp ^ l,0G73 ajm - r a / (1). f : ' : /' ■■■ / ,+ *«» : ; ■ .."■■ ;:■■■

Oboj MacH Oflrpeapa eHeprHja op938,2 MeV. Paau nopeijei-ba, nanoMeHyhe- Sipiaa' M,apH“ ejieKppoHa y M»py o^roBapa eHeprHja o p 1 0,511 MeV:« OpeMa TOMe, Maca iiporona oeha je ojj. Mace ejreKTpona 1 836 nyTa. v,

• H e y tu p o n ( n ) j e c j i c k t p h h k h n e y T p a .u i a HecTHiia. Tfcer oBa Maca y iCtHpoBaH>y h3hoch

m„ — 1,0087 ajm (2)Oboj Macrr o a ro sap a eHepraja op;

939,5 MeV. Maca Hey rpona seha je oa Mace e.iCKTpona 1 838,6 nyra , a o.n Mace nporona 3a 2,5 Mace eneKipoHa.

HeyTpoH je OTKpno eKCHepHMeHTajiHO 'sutc (1932),’ Mana je nocTojaifce Heyr

Tporfa Pattep<hopH rcopnjcKH npeHCKaiao jo iu 1922. ro/iHiic.

• y cjiooognoM cuiaibv ueyiupOH je Heciuaou/iaii, iuj. paguoaKiuueaH u cuoHmauo ce pacuaga ua upomou, eMumyjyhu upu iuoMe ejieKiupoH u jo m jeg u y ueciuuu,y, ua3eauy antuu- HeyiupuHo, Koja ce 03HaTiana ca v.

riepHOfl nojiypacnaaa iieyipoiia H3hoch 12 MHHyTa. H>eroB pacnan; Moace ce npencra- bhth pejiaHHjoM

n - > P + ~ + v (3)

61

Atomska jedinica mase (ajm) je jedinica mase u atomskoj fizici koja je jednaka 1/12 mase atoma ugljenika - 12. Prema tome masa atoma ugljenika-12 iznosi 12 ajm. S obzirom na to da se u jednommolu nalazi Avogadrov broj (6,02-1023) atoma, atomska jedinica mase iznosi:

11 ajm =A7

= 1,66 ■ 10~27 kg

IloTpedHo je HCTahn au je Aiaca aHiuuHeyuipuHa y Mupoean>y jegnaica nyjiu. K ao ihto cmo BHfleiiH, Maca npoTOHa wan.a je oa Mace ueyTpoHa 3a 2,5 Mace ejieKTpoHa. npeM a TOMe, Maca HeyTpoHa y MHpoBan>y npeMamyje yKynHy Macy y MHpoBamy cbhx neciHira Koje ra o5pa3yjy 3a 1,5 Macy ejieKTpOHa, neMy oarOBapa eHeprnja oa 0,77 MeV. OBa eneprHja ocjioSalja ce npiijiHKOM pacnapa HeyTpoHa y BHAy KHHeTHHKe eHepmje necTHiia Koje ra o5pa3yjy.

Beh je p eH C H o pa peAHii 5poj ejrcMCHTa Z y IlepHOAHOM cHCTeMy ejieMeHara OA.pctjyjc naeAeKTpncaite je3rpa | Ze. Epoj Z na3uea ce a u iO M C K u Spoj u ogpe))yje 5poj upoiuona y je3ipy.

Epoj npKAeoHa y je sip y , iuj. 3Čup upoiuona u Heyiupona, ua3uea ce Maceuu 5poj u o5e- Aencaea ce ca A. B p o j Heyiupona y jc3ipy jegnaK je A — Z .

• JeHpa Koja uMg/y ucmu 5poj upomona a pasAuuuiu 5poj ttevuijjouu iui3u~<iajy ce u3omouu .• <M3otoiih cy , na npiiMep 80 17, h g0 18. =■'*»*- . ■ v * ,

'«*Z'V • * __ t A' ' t l 1 >.A l . a . . •Jejipa KOja uMajy ucutu 5poj neputppHa apa3Auuuui Spoj upoutoitct Ha3ueajy ce utoiitouu

J " H30T0HH cy, Ha npHMep 4C13 h 7N 14. Ohh HMajy no 7 fheyTppHat : - r * ^ jš 'je s ip a ca ucuium mucchum opojeM ‘ Ha3iteajy ce u3o5apu. M 3o5apH cy. Ha nnnM eoE # S I » . - 'A r 4 0 w •# -* » ■ « ; ; • .< ; ■ • ■ , * ^

' : " ' -■»*" —«£S%- -*■» - - •_• 7*i ,P _• _.iCl .y"V. ~ 6 ) __HanoMeHyheMO Aa ce Ayacima y HyKacapuoj (|)H3hijh Hajaemhe H3pa»caBa (jjcpMHjnMa;

1 (j>epMH = 10~13 cm

IIoAynpeHHHK je3rpa (y (jiepMHjHMa) Moace ce aobojliio iaaHO OApeAHTH pejiaunjoM

dtepMH)— - ^ r ^ l ^ A 1

H3 Koje ce bh ah Aa je 3anpeMima je3rpa cpa3MepHa MaceHOM 5pojy A nocMaTpaHor ene- MeHTa, Tj. 5pojy HyKaeoHa y je3rpy.

Jjauac je no3HaTo npeKo 1 500 pa3JiHHHTHX je3rapa, Koja ce pa3JiHKyjy hjih n o Z , hjih no A, hjih h no jeAHOM h no flpyroM, CaMo je 1/4 obhx je3rapa cTaSHAHa, aok cy ocTajia paAHoaKTHBHa. M Hora je3rpa AoSnjeHa cy BeuiTaiKH, noMohy HyKAeapHHX peaKUHja,

V npnpoAH ce Hana3e eJieMeHTH ca peAHHM 5pojeM Z oa 1 ao 92, HCKJB^H j^hH tcxhh- HH_jyM Tc (Z = 43) h npoMeTHjyM Pm (Z = 61), kojh cy a o S hJchh BeuiTaHKH. n jiy ro - HHjyM Pu (Z = 94) je Hajnpe AoSnjeH BeuiTaMKii, na je 33th m npoHabeH h y npnpoAH, ajiH y BeoMa m bjihm KojinHHnaMa, BeuiTaiKH cy AoSnjeHH h ocTann TpaHcypaHCKH ene- MeHTH o a peAHor 5poja 93 ao 104.

MASA I ENERGIJA VEZE JEZGRAKad god između dve ili više čestica dejstvuju nuklearne privlačne sile, i ako se one sjedine ili stope u novo jezgro, oslobađa se tzv. energija vezivanja (energija veze jezgra, energija nuklearne veze) na račun mase. Masa novog jezgra uvek je manja od zbira masa slobodnih čestica. Ista količina oslobođene energije, ekvivalentna umanjenju mase, mora da se upotrebi da bi se dobijeno jezgro ponovo razbilo.Energija veze - Energija potrebna za razbijanje nekog jezgra u njegove sastavne komponente

Energija potrebna da se nukleoni vezani u jezgru razdvojeOslobođena energija kada jezgro nastane od svojih komponenata, protona i neutrona

62

M aca je3 rp a /ny. y MHpoBait.y yeeK je Man>a oa 35npa Maca HecTHua Koje r a canHH>aBajy. Pa3JiHKa H3Me^y 35npa Maca necTHua Koje caHHH>aBajy je3 rp o h Mace je 3 rp a Ha3Hoa ce aeiJ)eKr Mace. O h ce o5ejre)KaBa ca h Moace ce H3pa3HTH cjieiiehoM pejiauHjoM

A m = Zm p + (A— Z ) m n— mj ( 5 )

OBa p a 3JiHKa Maca ycjioBJi>eHa je THMe ihto je 3a 3apyacHBaH>e HyKJieoHa y je 3rp o h o a p - JKaBaHbe je 3rp a Kao uejiHHe noTpeSHa eHeprHja Koja Be3yje jejiaH HyKaeoH 3a H.pyrH. OHa ce Ha3KBa eHepmja eeae h o 5eae»caBa ca Eb. .

# Encpiuja tte ie jegHtiKo j e pctgy Koju j e uoiupečno yAo>Kuiuu ga Su ce je sip o paciuasuAo na cacm aene HyKAeoue u ga 5u ce h^ kacohu ygaA>uAu jegan og g p y io i na uiaKea paciuojabba g a u3Mel)y n>ux ne uocuioju wiiuepaKu,uja.

IIpeM a TOMe, Kajj ce oa eHeprnje CHCTeMa HyKJieoHa koJh HHcy HHTerpHcaHH ojiy3Me eHeprnja je3rpa, floSHja ce eHeprHja Be3e. ripeM a 3aKOHy nponopiiHOHajiHOCTH Mace h eHeprHje, eHeprnja Be3e ce jio5wja Kajja ce jieiJjeKT Mace A m iiomhojkh KBajipaTOM 5p3HHe CBeTJiocTH y BaKyyMy c. jâKJie,

euepiuja\ eese >■

jeîpa ) E„ — Am C2 (6)

Mass number A

K ana ce eHeprnja Be3e E B noAejin MaceHHM SpojeM A, AoSnja ce enepiuja eese uo jeguoM HyKAeoHy. EHeprnja Be3e no jeAHOM HyKJieoHy 3a je3rpo aTOMa xejmjyMa hshoch 7,1 MeV. 3amjcHocT eHeprnje Be3e no jeaHOM HyKJieony oa MaceHor 5poja AaTa je na cjihhh Ha OBoj cjihhh ce bhah a a je eHeprHja Be3e no jeAHOM HyKjieoHy HajBena (ij. najjane cy ae3aHH HyKJieoHH) koa je3rpa ca MaceHHM SpojeM oa 50 Ao 60. O b o oAroBapa ejieMeHTHMa o a Cr a o Zn. EHeprnja Be3e 3a OBa je 3rpa je 8,7 MeV/HyKjreoH. Ca nopacTOM MaceHor 5poja, eHeprnja Be3e no HyKJieoHy ce cMaH>yje

3a HajTe>KH npHpoAHH ejieMeHT h 3hoch 7,5 MeV/HyKJieoH.Nukleamim reakcijama nazivaju se procesi intenzivne interakcije atomskog jezgra sa elementamim česticama ili drugim jezgrima, a koje dovode do transmutacije jezgra.Od neobično važnog značaja su nuklearne reakcije koje se vrše neutronima. S obzirom na to da ove čestice imaju veliku masu, a nisu naelektrisane, omogućeno je njihovo lako prodiranje u jezgro atoma drugih elemenata. Zato se danas neutroni upotrebljavaju kao najvažniji projektili za najveći broj nuklearnih reakcija. Neutronom je ostvaren najbolji način za oslobađanje ogromne količine energije iz atomskog jezgra.

63

iz ovoga možemo zaključiti da je stcpcn dozom ncutrona znatno tcži.

Kada se sudaraju neutroni sa atomskim jezgrim a, prema načinu interakcije (međudelovanja) moguči su ovi slučajevi:a) Sudari pri kojima đolazi do elastičnog rasipanja neutrona (neutron m enja samo smer).b) Sudari pri kojima dolazi do neelastičnog rasipanja neutrona (neutroni me- njaju i smer i energiju).c) Sudari pri kome jezgro apsorbuje (‘dipije”) neutron.Mnogi elementi postaju radioaktivni kad u njihova jezgra prodru neutroni. Ta jezgra se raspadaju emitujuči beta čestice i gama kvante (gam a-zrake). Za

Za neutrone ne postoji prepreka, a njih je sve "šupalj" prostor. Ne postoje posude u kojima bi se oni mogli čuvati.

y oAHOcy ua eHeprHjy Kojy noce^yjy, neyTpoHH ce Mory noa.ejiHTH y HeKojiHKo rpyna. H asem heM o HeKe o ^ obhx rpyna.

— Ep3u ueyuipoHu noceflyjy CHeprnje Behe oji hckojihko cTOTHHa keV.— MnuiepMegujaAHU HeyiupOHU nocenvjv eHeprnje o/j hckojihko eV flo hckojuiko

cTOTHHa keV.— TepMdAHU iciiopu) neyiupoHU noce/ryjy eHeprHjy Man>y oa 0,5 eV.

64

y kojihko je 5p3HHa HeyTpoHa M aiba, yTOJiHKO je Beha MoryhHOCT ,na hx je3rpo 3axsaTH (ancop5yje). EKcnepHMeHTH cy noKa3ajiH Aa ochm 5opa, HHTepMeanjajiHe h TepMajiHe HeyTpone HapoaHTO Ao5po 3axBaTajy KajiMHjyM, jiHTHjyM, xjiop, cpeSpo htzi. MefiyTHM, HeKH ejieMeHTH, xao 5epHjinjyM, yrji>eHHK h TernKa Boaa ancop5yjy TepMajiHe HeyTpone y 5e3HaaajHHM H3HOCHMa.

B p jio HHTeH3HBHa ancopS uH ja TepMajiHHx h HHTepMejiHjajiHHx HeyTpoHa oSjauiHâBa ce ejieKTpHHHOM HeyTpajiHom hy HeyTpoHa. Ep3H HeyTpoHH, c o53HpoM Ha t o u ito ce Kpehy seoM a bcjihkom 5p3HHOM, n p o jie re n o p e ji je 3 rp a 3a sp jio KpaTKO speM e, thko jia HyKJieapne cn jie He ycneBajy n a hx 3axBaTe h 3ajip>Ke y je 3 rp y . V kojihko ce HeyTpOH Kpehe cnopH je, ^tojihko je jacHHje a a h e ce Ayi*<e KpeTaTH JiopeA je 3 rp a h Ayace 5 hth H3AO>KeH AejcTBy HyKJieapHHx CHJia. OTyAa noTHne h 3HaTHO Beha MoryhHOCT Aa hx je 3 rp o 3axBaTH.

VRSTE NUKLEARNIH PROCESA NA OSNOVU KOJIH SE DOBIJA NUKLEARNA ENERGIJA

A ko ce pa3M0TpH 3aBHCHOCT eHeprHje se3e no jeAHOM HyKAeoHy oa MaceHor 5poja (cTp. 196) 3aKJbyHHhe ce Aa cy, ca eHeprnjcKe TanKe TAeAnmTa, Moryfi.Ha ABa HyK- jieapHa npoueca:

- u,eutm>e, u.iu (fjucuja tUeiiiKux jexiapa na hckojiuko jiaKUiUX,— cuntue3a, uMi <py3uja .uikux jesiapa y jegHO jesipo.npHjiHKOM o5a npoAeca ocAo5al)ajy ce orpoMHe koahhhhc eHeprnje. TaKO, Ha npHMep,

(jiHCHja jeAHor je3rpa ca MaceHHM SpojeM A = 240 h eHeprnjoM Be3e 7,5 MeV/HyKJieoHy Ha ABa je3rpa ca MaceHHM 5pojeM A = 120 h eHeprnjoM se3e 8,5 MeV/HyKJieoHy, aoboah Ao ocAo5at)aH>a eneprHje oa 240 MeV. <fiy3Hja Asa je3rpa TemKor boaohhkb y je3rpo xeaHjyMa aoboah ao ocAo5at)auba eHepraje oa oko 24 MeV. PaA« nopeêma Hanotvie- HyfieMo Aa cjeAHH.aBaibe jeAHor aTOMa yrjteHHKa ca Aua aroMa KnceoHHKa (caropeBaibe yrjbeHHKa y C 0 2) H3ABaja eHeprHjy oa 5 eV.

C o53HpOM Ha to iuto cy je3rpa ca MacennM 5pojeM oa 50— 60 ca eHeprnjcKe ranKe raeAHmTa HajnoBOJbHHja, nocraBJba ce nHTaH.e 35or nera cy ocTaaa je3rpa HenoBOJbHa. R sl 5 h ce TeuiKO je3rpo noAejmjio Ha hckoahko AeAosa, noTpeSHo je Aa npofie Kp03 HHTaB hh3 npeAa3HHx (MeTaCTa5HAHHx) cTaaa, Koja cy eHepreTCKH 3HaTHO HenoBOJbHnja Hero je3rpo y ochobhom CTaiby. llpeMa t o m s , ja upou,ec rfnicuje uouipeOHa je gogautHa enepiuja, Koja ce uoc/ie odae/beHoi upoupca cfucuje, napaeno, epaha ua panyu upoMeHe enepiuje eeie. Je3rpo nocTaje no5yl)eHo KaAa 3axBaTii Heyipoii.

• Ilpouec <])HeHjC ypana hah njiyTOHHjyMa hoa yTimajeM 3axBatienwx HeyTpoHa acjkh y ochobh paaa HyKJieapHiix peaKTopa h o5ii'me aTOMCKe 5om5c.

JXa 5 h ce ocTBapHAa (|>y3Hja aakhx je3rapa, HeonxoAHO je aoko je3 ip a goeeciuu ua eeoMa M am pacuiojahba (peAa BejimiHiie jeAHor (JiepMHja). mj. ua pacuiojaiba ua KojuMa ce oceha gejciueo uyKJieapuux cu.ia. I lo m T o cy je3rpa ho3hthbho HaeAeKTpHcaHa h nouiTO ce h>hxobom npn5AH>KaBaiby OAynHpe KyAOHOBCKa CHAa, to je 3a obo HpH5AH>KaBaH>e h o t - peSHo yAoacHTH npHAHHHO BeAHKH paA- OBaj paA ce Moace npHKa3aTH peAaunjoM Z ,Z 2e2/ry, rae cy Zj h Z 2 peAHH SpojeaH je3rapa, r} — paAHjyc AeAOBama HyKAeapHHX cHAa, Koju H3HOCH npn5AH>KHO 2 <|)epMHja. 3a HajaaKma je3rpa je Z2= Z 2=1, na je 3a H>HXOBy (J>y3Hjy noTpe5HO yAOHCHTH paA

Ha CBaKO oa je3rapa Koja yaecTByjy y 4>y3njn aoae3h noAOBHHa obot H3HOca. CpeAH.oj eHeprnjH TepMHHKor KpeTaHsa oa 0,35 MeV OAroBapa TeMnepaTypa oa oko 2-109 K. 35or oeaKo bhcokc TeMnepaType OBe peaKiinje, tj)y3Hje ce Ha3HBajy jom h TepMOHyKAeapHe peaKunje.

65

MODEL NUKLEARNE FISIJEOd svih poznatih izotopa urana u prirodi samo je U sposoban da se deli pod dejstvom neutrona, bez obzira na njihov sadržaj energije tj. do raspada dolazi kako pod dejstvom ubrzanih neutrona tako i pod dejstvom sporih (termalnih) neutrona.

□ Jezgro urana apsorbuje neutron i nastaje jezgro 236U* u pobuđenom stanju koje živi 10-12 sekundi a nakon toga se raspada na dva jezgra X i Y (fisioni fragmenti) i 2-3 neutrona:

235

0 n + 235 U 2926 U * ^ X + Y + n e u t r o n i

□ Energija veze po nukleonu za teška jezgra je oko 7,2 MeV a za jezgra srednje mase je oko 8,2 MeV, pa se u fisijskom procesu oslobodi 1 MeV energije po nukleonu, a kako je ukupan broj nukleona oko 200, to se u jednom fisijskom procesu oslobodi oko 200 MeV energije

66

□ Neutroni jer su neutralne čestice su vrlo pogodni projektili za bombardovanje jezgra jer ne osećaju odbojnu električnu silu kad su blizu jezgra.

□ Kad se jezgro 235U bombarduje sporim neutronima događa se fisija, jezgro urana se raspada na dva lakša jezgra i 2-3 neutrona i pri tome se oslobađa energija od oko 200 MeV.

□ Neutroni nastali fisijom mogu izazvati novu fisiju te može doći do nekontrolisane lančane reakcija (atomska bomba) ili do kontrolisane lančane reakcije - nuklearni reaktor.

A h B Jezgro u trenutkufeBifl la n ča n e rea kcije cepctnja ( fis ije ) a to m sk ih je zg a ra tešk ih e lem en a ta 'SSW F cepanja

Nekontrolisana lančana reakcija događa se za milioniti deo sekunde, praćena je strašnom eksplozijom i oslobađanjem ogromne količine energije (atomska bomba).

1938. godine nemački naučnici Oto Han, Liza Majtner i Fric Štrasman otkrili nuklearnu fisiju,1942. godine italijanski fizičar Enriko Fermi konstruisao u Čikagu prvi nuklearni reaktor,1945. godine u Los Alamosu (SAD) napravljena prva atomska bomba (američki fizičar Robert Openhajmer), testirana u julu u pustinji Alamogordo. Iste godine u avgustu atomske bombe bačena na Japan (Hirošima, Nagasaki).1952. godine u Los Alamosu napravljena prva hidrogenska (fuziona) bomba,

67

1955. godina - prva eksperimentalna nuklearna elektrana Obninsk (SSSR),1955. godine - prva nuklearna podmornica Nautilus (SAD),1956. godine - prva komercijalna nuklearna elektrana Colder Hall (SAD), 1959. godine - nuklearni ledolomac Lenjin (SSSR).TRKA U NAORUŽANJU

Fisiona lančana reakcija ostvaruje se slobodnim neutronima koji izazivaju raspad drugih jezgara. Prirodna nuklearna goriva (radioaktivni nizovi) za fisiju su uran (U) i torijum (Th):

■ 92U238 (t1/2 = 4,5 • 109 god.) završava se 82Pb206

■ 92U235 (t1/2 = 0,7 • 109 god.) završava se 82Pb207

■ 90Th232 (t1/2 = 14 • 109 god.) završava se 82Pb208

Pri raspadu izotopa U-235 oslobađa se prosečno 2,5 neutrona.Izotop U-235 je suštinski jedino prirodno nuklearno gorivo pošto Th-232 nije direktno fisioni element već polazni materijal za dobijanje U-233. Problem je što U-235 u prirodnom uranu ima vrlo malo. Naime, prirodni uran sadrži tru izotopa:

■ 99,27% izotopa U-238■ 0,72% izotopa U-235 i■ 0,01% izotopa U-234.

68

Da bi mogao da se koristi kao fisioni materijal U-235 mora da se podvrgne postupcima obogaćivanja da bi mu se koncentracija povećala na nekoliko procenata (oko 3%).Dugoročni razvoj i korišćenje nuklearne energije zasniva se na veštačkim nuklearnim gorivima:

■ Plutonijumu Pu-239 i■ Izotopu urana U-233.

P a c n o p e fl M aca 4)h c h o h m x np o A yK a T a

fI>ucujy MOiy U3a3eaiuu u 6psu u cuopu ( užepMajmu) ueyiuponu. <t>ncnja 5p3iiM HeyxpOHHMa H3a3nua ce koa H30Tona wTh232 h 92U 238, aok ce 4>HCHja Tep- MaJiHHM HeyTpoHHMa H3a3HBa caMO koh; je/m or npHpoflHor H30T0na — 92U 235. MetjyTHM, BemTaiKH ce npOH3Boae jom a sa H30Tona Kojn noajieacy 4>HcnjH TepMajiHHM HeyTpoHHMa, a to cy U 233 h P u239. Obh H30Tonn ao5Hjajy ce 03panHBaH,eM HeyTpoHHMa TOpnjyMa h ypaunjyMa Ha cjieachn naimn:

90 Th232 + n --------- -> 90Th233 -|-7

90Th233 — ----- > 91Pa233 + fU (1)

9lPa233 ---27’4aaHa > 92U 233 + p~

92U238 + n ---------- ^ 92U 239 + y

TnnH4QH ()i h c h o h h naHOLt y p a H a -2 3 5

'EKcnepHMeHTajiHa m TeopnjcKa HcnHTHBama (j)HCHje noKa3ajra cy aa ce cJiHCHja Moace AOroa.HTH Ha o k o 40 pa3J!HHHTHX HaHHHa. Ha c j t h h h B npHKa3aH je npoueHTyajiHH H 3 h o c <J)h c h o h h x npoayKaTa ypaHa. Ca oBe cjiHKe ce bhah pa je BepOBaTHoha 3a noAejiy je3rpa ypaHa Ha /jna (hncnoHa (jiparMeHTa h c t h x Maca penaTHBHO Majia, jep ce m h h h m y m o se KpHBe najia3H 5am o k o MaceHor 5poja k o J h oArosapa nojiOBHHH MacCHor 5poja ypaHa. HanoMeHyheMO Aa je o b o cjiyHaj ca c b h m (Jj h c h o h h m H3oronnMa.

y 5 p 3 0 nocjie OTKpHBama (jjHcnje noKa3ajio ce aa ce y npouecy (jjHcnje TaKotje eMHTyje h hckojihko HeyrpoHa. BehHHa obhx HeyrpoHa eMHTyje ce ckopo TpeHyTHO, Tj. 3a BpeMe Mame oa 10 I4s. f leo Hey- TpoHa (oko 0,75%), Kojn cy aoShjih hh jhb 3aKacHejiu (ceKyHgapHU) HeyiupoHu, eMHTyje ce ca 3aKaniH,eu>eM oa oko 0,05 s ao 1 min. Tlo cBaxoj (jiHCHjn cmh- Tyje ce npoceHHO oko 2,5 ceKyHaapHHX HeyTpoHa. Ha cjihah □ npHKa3aHa je THDHiHa (jiHCHja (U 235), AOK je y npHJiOHcenoj raSjiHHH AaTa eHeprnja Koja ce ocjio5atja y TOKy jeAHe (jiHCHje U 235.

T l p e T n o c T a B H M o j r a h m h m o B e h r a K a B y p a H k o j h j e o S o r a h e H c a h c k o j i h k o n p o u e H a i a X J 2 3 5 _ c p H C H j a y p a n a U 2 3 5 M o a c e c e H 3 a 3 B a T H H e y x p o H H M a c b h x e H e p r H j a . M e h y T H M , H a j e e h y B e p o e a T H O f i y ( a i i s a j o i i v cj)> iC H jy H M a j y e n o p i i — l e p M a . i n i i H e y x p O H H . K a o l k t o c m o n e h i l a n o M e n y j i n , n p n (J>Hc Mi n U 2 3 5 e M H T y j y c e 5 p j n n e y x p o i i n , m h j j c c p e / u i , a e i i e p - r H j a o k o 2 M e V . 3 n a ‘i m , ; i a 5 h o i h i i i c v i p o n n n 3a 3B a . u 1 < j ) n c n j y U 2 3 5 , i i o i p e o i i o h x j e y c i i o p m n h j i h , K a K o c e t o K a a c e , M ogepupaiiiu a o e H e p r n j e o p o k o 0 , 0 2 5 M e V . O r o r a c e (j iH C H O H a c y n c T a H H H j a M e r n a c a h c k h m j ia K L U H M e j i e M e H T H M a , K a o u i t o c y b o a o h h k , S e p H J i H j y M , y r j t e H H K h t a - , k o J h ce H a 3 H B a j y M O / i e p a T o p i f . O h h e p j i o c n a 5 o a n c o p 5 y j y H e y T p o H e , t b k o /(a. y e j i a c T H T H O M cy /ia p y c a j e 3 r p H M a o b h x e n e M e H a T a H e y x p o H H r y 5 e c e o jy en ep ; njy h y c n o p a s a j y c e n o i i m c k h x — - i e p M ; u i i ( K x en e p i nja.

69

NUKLEARNI REAKTOR

□□

Nuklearni reaktor je sistem dizajniran za samoodrživu fisijsku reakcijuDefiniše se parametar K - neutronski prinos kao srednji broj neutrona iz svakog fisijskog procesa koji su izazvali novi fisijski proces.

□■ Maksimalna vrednost K za fisiju urana je s

2.5♦ u praksi, K < 2,5

■ K = 1- samoodržavajuća fisijska reakcija (kritični reaktor)

■ K < 1 - fisija zamire, podkritični reaktor■ K > 1 - lančana reakcija (nadkritični

reaktor)

□ Kontrolom neutronskog prinosa kontroliše se odvijanje nuklearne lančane reakcije. Ovo se postiže supstancama sposobnim za apsorpciju neutrona u obliku tzv. kontrolnih šipki od kadmija ili bornog čelika koje se uvlače u aktivnu zonu reaktora (reaktorsko jezgro) i apsorbuju neutrone. Kontrolne šipke se uvlače u reaktor do dubine koja im omogućava apsorpciju celokupnog viška neutrona. Regulisanjem njihove dubine u aktivnoj zoni reaktora moguće je, ako je potrebno, i potpuno zaustaviti reakciju nuklearnog raspada.

□ Moderatori su supstance koje služe za usporavanje neutrona jer samo termalni (spori) neutroni mogu izazvati fisiju U-235. Mehanizam usporavanja je da se putem velikog broja elastičnih sudara sa jezgrima moderatora smanji brzina neutrona, a da se oni pri tome ne apsorbuju u većim razmerama. Dobar moderator je voda (neutron se sudari s jezgrom vodonika u vodi) a ujedno i fluid koji se greje i prenosi toplotu do parne turbine.

□ Problem korišćenja vode kao moderatora u reaktoru koji koristi prirodni uran je da se često dogodi da jezgro vodonika u vodi apsorbuje neutron pa nastaje teška voda D2O. Zato se kao moderator u reaktorima s prirodnim uranom koristi teška voda koja se najviše primenjuje u Francuskoj i grafit koji se primenjuje u SAD.

M oderator usporava brze neutrone, a kontrolne šipke (kadm ijum , bor) apsorbuju sporeneutrone.

MoflepaTopocjioGof]eHn ycnopaBa HejrpoHe.

HinnKa ropMBaKoiITpOJIHa HIHHKa aircop6yje ueo HejnrpoHa.

niHHKa ropnB a

cjjnaaja

70

KaA je 5n.no penn o HyKJieapHoj jraHHaHoj peaKpHjn h3jiojkhjth cmo h npHHHHn paaa h ejieMeHTapHy Teopnjy HyKjieapHHx peaKTopa. ,Zja cyMnpaMo: HyxjieapHH peaKTopit cacToje ce on:

— (JmCHOHe cyncTaHUHje, Tj. HyKjieapnor ropHBa,— MOflepaTopa, hjih ycnopHBaHa HeyTpona,— • K O H T p O JIH H X U IH n K H ,

— pe(|)JieKTopa HeyTpoHa.

KoHTpojine uiHHKe ce H3paljyjy o a KauMHjyMa h 5opa, h Mory ce yBJianHTH h H3Bjia*iHTH H3 je 3 r p a peanTopa, Koje ce cacTojn ou HyKJieapnor ropnBa h MouepaTopa. Cjiyace ua ancop5yjy BHiuaK HeyTpOHa noTpeSaH 3 a onpjKaBaifce tJiaKTopa yMHOJKauaH.a k = I.

Pe<|)JieKTop HeyTpOHa Hajra3H ce oko je3rp a peaKTopa, a 3anaxaK My je n a petJmeKCHjoM cMaitH 5excan.e HeyTpoHa H3 je3rp a peaKTopa; 3anpaBO, oh hx Bpaha y je3 rp o . K a o pe<|)- jieKTOp ce KopHCTe HCTe cyncraHUHje Kao 3a M onepaTop: oSH iH a Bona, TenrKa Bona, 5epHJinjyM, rpa<J)HT hth . O bo cy ejieMeHTH Koje canpacn cBaicn HyKjieapHit peaKTop. Mei}yTHM, n ouiT o ce y HyKJieapHOM peaKTopy nenpecTaHo ocjio5a!)ajy orpoM He kojth- HHHe TonjioTe (Koja 3 arp esa flejioBe HyKjieapHor peaKTOpa), H,y je n oT p e5n o ohbojjhth, onHOCHo peaKTopcKo je3 rp o xjiaa,HTH. 3a xjiaIjeHje Moace nocjiy»cHTH oSHHHa Bona, TenrKa Bona, rac (Hnp. yrjBeH-AHOKCHn), tchhh MeTajiH (acnBa, HaTpnjyM ht/j). J o n j io ia Koja ce OABOflH H3 peaKTOpcKor je3rp a Moxce Aa noc;iyjKH 3a npoH3BOAH,y n ape, Kao m 3a noKperaH,e napHHx Typ5Hua hjih y HeKe n p yre csp x e . IlpeM a t o m s , yonm TeH o roBopefiH, HyKjieapHa eHepreTCKa nocTpojeH,a, uito je jenH a o n rjiaBHHX HaMeHa HyKJieapHHx peax- T opa, pa3JiHKyjy ce oa kji£ichhhhx caMO n o TOMe ujto yMecTO KjiacHHhot KopncTe HyK- jieapHo ropHBO, a ° k cy ocTajie KOMnoHCHTe npHHHHnHjejiHo HCTe. 3aTo heM o ce 3aapxcaTH caMO Ha on n cy HyKjieapHHX peaKTopa, He yna3efiH y o n n c ocT annx KOMnoHeHTH HyKne- apHHx euepreTCKHx n ocT p oje ita .

JlpHHnHnHjejiHa uieMa HVKaeapnor peaKTOpa ca ypeIjajHMa 3a peryjiHcaH>e H>eroBor p an a npnKa3aHa je Ha cjihuh U . 3oHa orpaHHHeHa pe<J)neKTopoM HeyTpoHa R. npencTaBJiaa je3rp o peaKTopa, hjih H,eroBy £tKTHBHy 30Hy. V ito j ce Hajia3H ypaH U 235 h M onepaTop. JJeo peaKTop onKOJbeu je AeSeaHM 3auiTHTHHM cjiojeM , HajHemfie o n SeTOHa h ojioBa, Kojn a n co p 5 y je HeyTpoHe h raMa-3paKe, KojH ce y peaKTopy ocjio5at}ajy y orpoM Hoj KOJIHHHHH.

PeryjiHcaH,e peaKTopa BpniH ce noM ofiy kohtpojihhx uiunKH (uiTanoBa) G h E oa KauMHjyMa hjih 5opa, Kojn e4)HKacHo ancop5yjy TepMajiHe HeyTpoHe, HHMe ce kohh

©I

npouec HyKJieapHe peaKUiije. Epoj ancop5osaHHX HeyTpoHa cpa3MepaH je avjkhhh iminKH y aKTHBHoj 30HH peaKTopa.

71

KoHTpojiHa LunnKa D MacHBHa je h cjiy»tH 3a rpy5o peryjiHcaHje peaKHHje, o5hhho 3a nyiiiTaKbe y paa h HCKJbyHeH>e peaKTopa, aok ce noMohy Tan>HX ujhhkh E (Kojnx hmh BHme paBHOMepHo pacnopeI)eHHx no uejioj aKTHBHoj 30HH peaKTopa) BpuiH (J)hho pery- jiiHcaH>e pa,n,a peaKTopa.

IllTanoBH E ayTOMaTCKH ce vBjiaae h H3Bjiane H3 pearropa. Obhm nponecoM ynpaBJta ce uoMohy ACTeKTopa HyKJieapnor 3paTeH>a y aKTHBHoj 30HH peaKTOpa. Ako ohh noKa3yjy noBehaHy ukthbhoct, y OAuocy Ha yHanpeA OApe5eHy aKTHBHocT OApeêny cuaroM peaKTopa, uiTanoBH E ayTOMaTCKH ce yBjiane, HHMe ce ancop5yje BHuie TepMajiHHX HeyTpoHa, h oopaTHO. H a Ta j HaHHH oApacaBa ce HyKjieapHa peaKpuja ncre cHare.

3a o5ycTaBJbaH>e paâ peaKTopa cjjyacH MacHBHa KOHTpojiHa niHnKa D, Koja ce npn TOMe yByue y aKTjmny 30Hy peaKTopa, HHMe ce 5poj TepMajihhx nevTpoHa CMamH Ha He3HaTHy BpeaHocT, HaHMe (JjaKTop yMHOJKaBama Heyrp0Ha CMa&K ce Ha noAKpHTHHHyBpeflHOCT.1 2 3 7 3 8 3 7 3

Sastavni delovi nuklearnog reaktora: 1 - posuda reaktora; 2 - biološki štit (obično beton); 3 - nuklearao gorivo (U—235, U -238, Pu-239); 4 - moderator(teška voda, b e - rilijum , grafit); 5 - rashladno sredstvo (najčešce obična voda); 6 - reflektor neutrona (berilijum , grafit) 7 - kontro lne šipke (kadm ijum , b o r...) ; 8 - sigu rnosna šipka (apsorber neutrona)

n o c ro jll Be.TMKH 6p0 j imfflKM

rOpHBa H KOHTpOJIHHK IHifflKH

yH yra p nyK JieapH or peaKTopa.

y ro p a e M peaKTopy ohm cy n o T o n a e H n y Boay, soja je

HCTOBpCMeHO MOSepiTOp H pacx;iafjHBaa.

72

TIPOVI NUKLEARNIH REAKTORAHyKneapHn peaKTopii Mory ce KJiacn(|)HKOBaTn Ha BHine HaanHa. TTpeMa HaMCHH,

nocToje:— ncTpajKHBaaKH peaKTopH,— peaKTOpH 3a npoH3Bo,qifcy eHeprnje.A ko cy M oaepaTop h ropnBO xoMoreHo noMemaHH, peaKTopn ce Ha3HBajy xoMoreHn,

a aKo je ropHBO y o5/iHKy rnnnKH, 3HanH noceSHO oflBojeno h rpynH cano n a cMeuiTeHO y M oaepaTop, Kao luto je koh BeliHHe AaHaimtHx peaKTopa, tbkbh peaKTOpn Ha3Haajy ce x e T e p o r e n H .

PeaKTopn M ory 5 hth rpynncaH H h npeM a-B pcrn MOHepaTopa Kojy KopncTe:— jiaKOBOHHH peaKTopH,----- TeU IK O B O A H H p e a K T O p H ,

— rpacjiHTHM peaKTopn, htju

PeaKTopn ce M ory KaacH<j)HKOBaTH h npeMa to m c ca k o jh m HeyTpoHHMa pane:— TepMaiiHH HyKJieapHH peaKTopn,— eiiHTepMajiHH HyKJieapHH peaKTopn,— 5p3H HyKJieapHh peaKTopn.

O nncyjyhH npHHUHn p a n a HyKaeapHHx peaK Topa hckjb^ hhbo cmo ce 3a a p 2caBajiH Ha mepManHUM peaKuiopuMa. Y aajbeM H3aaraifcy 3anp>KaheMO ce Ha noceSH oj BpcTH nyKjieap- hhx peaKTOpa Kojn cayace 3a npoH 3B ojiity HyKJieapHHX ropHBa o p H30T0na. O bh peaKTOpH y 3HaTHoj MepH He noane»cy 4)hchjh , n a ce on h>hx no5H jajy c|)hchohh H30t o iih . 3aTo ce Ta BpcTa peaK Topa na3HBa onnol)imaMn hjih opnaepn (ofl enrjiecK e peHH b re e d e r — o n a o -

nperjic.T KjiacHcjiHKauHja HyKjieapHHX peaKTOpa att je y cjieêhoj TaSjinuH.

KJIACIM&HKAUHJA HyKJIEAPHHX PEAKTOPA

iHaMiHa HCTpajKHBaMKH; peaKTopit cHare

HeyTpoHH koJh H3a3HBajy 4)ncnjy 5p3H, enHTepMajiHH, TepMaJiHH

HyKjieapHo ropHeo npHpoaHH U, U 235, U ^^.-Pu” 9

MouepaTop H jO , D20 , Be, C, BeO, Be2C 5e3 MOuepaTopa (5p3H peaKTopn)

CrpyKTypa xoMoreHH, xeTeporeHH

Nuklearna elektrana je u stvari termoelektrana jer se energija oslobođena u nuklearnom reaktoru, koji radi u režimu kontrolisane lančane reakcije, koristi za proizvodnju pare koja pokreće turbinu električnog generatora. Fisija se drži pod kontrolom kontrolišući broj neutrona u nuklearnom reaktoru.

73

Znači, osnovna funkcija nuklearnog reaktora jeste oslobađanje toplote i metod za prenos toplote je osnova pri projektovanju nuklearnih reaktora. U najvećem broju sistema gorivo je u obliku čvrstih šipki oko kojih je protok rashlađivača. U zavisnosti od tipa i funkcije reaktora kao rashlađivači se koriste:

Energije oslobođena u u fisijskom reaktoru se najčešće izmenjivačem toplote pretvara u vodenu para koja pokreće turbinu.

Veliki broj izgrađenih reaktora koriste laku vodu kao rashlađivač. U ovim lako-vodnim moderiranim reaktorima (i u brzim reaktorima) ne može da se koristi kao gorivo prirodni uran jer on sadrži samo 0,7% U-235, a ostalo je U-238 koji nije fisiblian termalnim neutronima. Naime, velika adsorpcija neutrona u U-238 i u lakom vodoniku takmiči se sa adsorpcijom u U-235 (da se nastavi lančana reakcija) pa je potrebno je obogaćivanje U-235 do nivoa od 3% što je tehnološki zahtevan proces. Postoje dva tipa nuklearnih reaktora hlađenih vodom:

■ Reaktori pod pritiskom vode “'pressurized water reactors "(PWRs) - voda koja služi kao moderator je pod visokim pritiskom (155 atm) i cirkuliše na temperaturi od oko 300oC iz reaktora u spoljni razmjenjivač toplote koji proizvodi paru koja pokreće turbinu. Reaktor može sadržati i do 90 tona UO2 i proizvoditi 3400 MW i dati 1100 MW električne energije.

■ Reaktori s vrelom vodom “boiling water reactors “(BWRs) - voda koja služi kao moderator ključa, pretvara se u paru i odlazi direktno u turbinu, bez intermedijarnog razmenjivača toplote.

BWR su jednostavniji od PWR. Međutim, mogućnost da para koja pokreće turbinu postane radioaktivna je veća za BWR. Kod PWR zbog dvostepenog procesa generator električne energije izolovan je od moguće radioaktivne kontaminacije.

74

Termalni nuklearni reaktori (bliski brider reaktorima) koriste kao gorivo prirodni uran, koristeći pri tome tešku vodu kao moderator, i da spreči gubitak neutrona.

75

Gorivne šipke

R e a k to r h tađen g a s o m (le -v o ) f K a o m o d e ra to r s l o i i g ra - f i t , a kao s re d s tv o za h la đ e n jo u g lje n -d io k s id

B rz i r e a k to r (d o le le v o ). O va j t ip n e m a m o d e ra to rđ . B rz i n e u t ro n i k o ji se o s lo b a đ a ju p r il ik o m c e p a n ja , n e p o s re d n o iz a z iv a ju n o v a c e p a n ja . Kao s re d s tv o za h la đ e n je sJuži te č n i n a t r i ju m .

N u k l e a r n o o r u i j e (d e s n o ) . B o m b e se iz ra đ u ju za n e k o n - t r o l is a n o c e p a n je je z g a ra . O m o ta č od p lu to n i ju m a o k ru - ž u je e k s p io z iv . U z d e to n a to r s o č iv o p r it is k a n a p o d ru č je tzv , n a tk r it iĆ n e m a s e . P riJ i- ko m la n č a n e re a k c ije o s lo b a - đa se e n e rg ija u v id u e k s p lo - z ije .

BRZI OPLODNI ili BRIDER REAKTORIJeAaH o u HajsaacHHjHX n p o S jieM a 3a 5 yflyhe KopHmheH>e HyKJieapHHX peaK Topa jecTe

p a 3so j ohhx THnoBa HyKJieapHHX peaK T opa Kojn Ee n p o H 3BOflHTH BHtue H yK jieapnor ropH B a H ero luto r a T p o m e y TOKy cbot p a n a . B cjihkh 3Hanaj obo t n p o S jieM a npoH 3Jia3H h H3 BHmeHHiie u it o ce y npH pojiH H ajia3H pejiaTHBHo M ajio HyKJieapHOr ropH B a (y npH- P o a h o m ypaH y CBera 0,72% U 235), aok ce h30t o h h o ji Kojnx ce Moace n p o H 3BonHTH HyKJieapno ropHBO, U 238 m T h 232, y npH ponH HaJia3e y 3HaTHO BehHM KOjiHHHHaMa. A ko ce Ha n o ro n a H HanHH ocTBape HyKJieapHe peaKHHje ( 1) h (2), Ho5 n ja jy ce U 233 h P u 239. O hh npencT aB Jbajy (}>HCHOHe cyncT am iH je — HyioieapHO ropH B o. Mel)yTHM, cbh peaKTopH pereH epH m y CBoje ropHBO n o m s e c H o r C Teneua. V npBHM roflH H aM a n o c jie p aT a , njiyTOHHjyM npOH3BefleH Ha o e a j HaiHH H3jrBajaH j e cjiohcchhm, xeMHjcKHM n p o - uecHM a h cnyacHO je 3a nyii.eH>e aTOMCKHX 5 o m 5 h , a h Kao ynaJBaT 3a XHaporeHCKe 5 orvi5 e, l lp e M a TOMe, Monce ce pehH jia cy cbh HyKJieapHH peaKTopH jxo H3BecHe M epe pereH e- paTHBHH. OnjioIjHBaHH, hjih 5 pHH,epH, caMO cy n a n o ceS aH HanHH KOHCTpyHcami HyK- jieapHH peaKTopH kojh npoH 3Bo/ie, Ha npHM ep, BHme P u 23S H ero iu to c a r o p u U 235. O njionH H peaK T opn H3BeneHH cy o5 h th o Ha Taj uam iH u ito ce j e 3rp o peaKTOpa, hjih m ero B a aKTHBHa 3 0 Ha, cacT o jn y c re a p H H3 HBe 3 0 He. U eH T pajiH a 3o n a cacTojH ce, n a tuko KanceMO, o h KJiacHHHor HyKJieapHor peaK T O pal7! . m e ce Kao HyKJieapHO ropHBO KopHCTe ypaHHjyM o S o rah e H H30 t o h o m U 235 h jih , n as, P u 239. V mccto peijuieKTopoM OBa 3 0 Ha peaK T opa OKpyxceHa je o h jio jih h m H30TonHM a U 238 h jih T h 232, j j a 5 u ce U35eijia tfiucuja upouauegeuoi P u 239 uau U 233, y ou jio g u o j 3onu ce hc Kopucifiu M ogepaiuop , thko n a je npoueH T TepMajiHHX HeyTpoHa y oboj* oSjiacTH BeoM a m h jih .

HanoM eHyheM O n a je naH ac y CBeTy peajiH 3oeaH npHjiHnaH 5 p o j OBaKBHX peaK T opa Kojn n p o n 3 B o ae HyKJieapHO ropHBO. H a acajiocT, y h c k h m 3eM JtaM a o s a npoH 3B orn>a cK opo HCKji>yb h b o cjiy»CH 3a npoH3BOflH>y HyKJieapHor HaopyncaH>a.

Usled toga što imaju osobinu moderatora, jedinjenja koja u sebi sadrže vodonik ne mogu se koristiti kao rashlađivači u brider reaktorima. Ovi reaktori hlade se gasom (helijum), topljenim solima, topljenim metalima (natrijum) ili organskim rashlađivačima (npr. terfenolima - lanac od tri benenova prstena).

76

□ Napredniji tip reaktora je “breeder “ reaktor, koji proizvodi više fisijskog goriva Pu-239 nego što utroši U-235.

□ Lančana reakcija:n + 92U ^ 92U ^ y + 92U ^ p + 93Np + v ^ p + 94Pu + v

□ Plutonijum je lako separisati od urana hemijskim procesima.□ Fast breeder reactors su konstruisani da transformišu U-238 u Pu-239, a koriste se brzini

neutroni.□ Breeder reaktori u načelu predstavlja mogućnost jednog neograničenog izvora fisijskog

materijala.□ Problem je što je plutonijum izuzetno toksičan i postoji mogućnost zlouporabe plutonijuma za

nuklearno oružje.□ U oplodnim reaktorima bolje se koristi gorivo, oko 70% u odnosu na 1% u toplim reaktorima.

77

Pored navedenih reaktora kojima je osnovna namena svakako proizvodnja električne nergije, nuklearni reaktori se danas intenzivno koriste za pogon brodova, podmornica i raketa, za pretvaranje morske vode u pijaću destilacijom, za proizvodnju izotopa, za proizvodnju plutonijuma, u istraživačke svrhe...

PROBLEMI NUKLEARNOG REAKTORA□ Jako je opasno ako se radioaktivni elementi oslobode u atmosferu ili u podzemne vode.□ Toplotno zagrijavanje atmosfere i voda (jezera/reka) koje se koristi za hlađenje može biti

ozbiljan ekološki problem.□ Vrlo ozbiljan problem je odlaganje radioaktivnog otpada fisijskih procesa, neki fisijski

fragmenti imaju vrijeme polu-života hiljadu godina i milion godina.Fisioni produkti (produkti raspadanja)Tokom lančane reakcije raspadaju se jezgra U-235 i U-238, a deo se jezgara U-238 zahvatom neutrona pretvori u plutonijum. Po toni istrošenog goriva potroši se oko 25 kg U-235 i oko 24 kg U-238. Tokom rada proizvede se oko 35 kg produkata raspadanja, oko 9 kg plutonijuma, dok se ostatak sastoji od izotopa urana (najviše U-238). To znači da se iskoristi do 1% urana.Materijali u istrošenom gorivu su radioaktivni, te se spontano raspadaju i nakon što je gorivo izvađeno iz reaktora. Radi se o smeši različitih radioaktivnih izotopa od kojih neki imaju vrlo kratka, a neki i vrlo duga vremena poluraspada. Radi oslobađanja toplote mora se istrošeno gorivo najmanje nekoliko meseci hladiti pre bilo kakvog postupka s takvim gorivom. Hlađenje se vrši u dubokim bazenima u kojima se gorivo nalazi ispod sloja od nekoliko metara vode (i kao zaštita od radioaktivnog zračenja i kao rashladno sredstvo). Gorivo koje je odležalo više godina u bazenima može se skladištiti u suva privremena betonska skladišta jer više nije potrebno tako efikasno hlađenje budući da razvijena toplota s vremenom postaje sve manja. Konačno ipak treba istrošeno gorivo odložiti u trajna odlagališta u kojima će stalno ostati i tokom sledećih stoleća (odlaganje u tlu, mogućnost - svemir).Oko 1/3 od ukupne šarže gorivog elementa se godišnje vadi iz reaktora i zamenjuje novom šaržom, što znači da gorivo provede tri godine u reaktoru. Istrošeno gorivo se može reciklirati i hemijskim postupcima izdvojiti neiskorišćeni uran do 96% i plutonijum do 1%, dok je 3% visokoradioaktivni otpad koji se mora odložiti i skladištiti.

□ Dva javnosti poznata nuklearna akcidenta su: Three Mile Island u Pennsylvania 1979 i Chernobyl u Ukrajina 1986 (50 tona radioaktivnog materijala otišlo je u atmosferu) — znatno su okrenula javnost protiv korišćenja nuklearnih fisijskih elektrana.

□ Do široke primene nuklearnih elektrana može doći ako se reše 4 kritična pitanja: niska cena,poboljšana sigurnost, kvalitetno rešavanje problema flNltNt)nuklearnog otpada i mali rizik od nesreće.

Na slici je prikazano širenje radioaktivnog oblaka za vreme nuklearne katastrofe u Černobilu 26.04.1986.

U nekim zemljama je uveden moratorijum na izgradnju nuklearnih elektrana:Belgija, Nemačka, Holandija, Španija, Švedska.

Bez moratorijuma:Finska, Francuska, Velika Britanija.

78

TEH N O LO ŠK I PO STU PA K PR ER A D E N U K LE A R N O G G O RIV A

U telm oloSkom p ostu p k u prerade nu k leam ih goriva p ostoje tri grup>e operacija i procesa kojim a se prirodna ruda izlaže da bi se iz nje d ob ila energija. Shem a ciklusa dobijanja i korišćenja n u k leam og goriva prikazana je na slici III. 18.

Prva grupa obuhvata operacije vađenja ruda urana i torijum a, m levenje r u d e .k a o i procese prečišćavanja sirovina i izdvajanja iz o to p a .

U drugoj grupi su procesi đobijanja n n k leam og goriva kao i rad sam og reaktora. Ona obuh vata n iz hem ijsk ih procesa koji su većln om iz ob lasti ekstraktivne m etalurgije i teh n olog ije keram ik e.

U trećoj grupi su p ostu p c i za regeneraciju istrošen og goriva k oji obuhvataju h e - m ijske p rocese za prerađu neutronsk i ozračen ih goriva k oja sadrže velike k o lič in e jak o radioaktivnih produkata fisrjc „ U o v u grupu spadaju separacija produkata fisije k a o i p o - strojenja za zbrinjavanje radioaktivnih otpadaka.

S l . I I I . 1 8 . S h e m a c i k l u s a d o b i j a n j a i k o r i š ć e n j a

n u k l e a m i h g o r i v a

Poluvreme raspada U-235 iznosi 7,07-108 godina, a U-238 4,5-109 godina pa je usled toga samo neznatno radioaktivan, jer je i brzina radioaktivnog raspada vrlo mala. Uran je srebrnastobeo metal, hemijski vrlo reaktivan tako da brzo oksidiše na vazduhu, već na sobnoj temperaturi. U svojim jedinjenjima javlja se u oksidacionim stanjima +3, +4, +5 i +6. Gradi četiri oksida: UO, UO2, UO3 i U3O8. Tehnički koncentrat urana često nazvan "žuti kolač" predstavlja proizvod koji se dobija u postrojenjima za preradu rude urana. Najčešće je to (NH4)2U2O7 ili Na2U2O7 (amonijum- i natrijum-diuranat), a sadrži preko 60% urana sa definisanim sadržajem drugih primesa.

79

U prirodi se uran nalazi oko 4 g/t zemljine kore. Poznati su oko 200 minerala urana, a najvažniji minerali (rude) su uraninit, U3O8 ili uran(IV)-uranat(VI), U(UO4)2 (pehblenda, smolinac, UO2-2UO3) i kalijum-uranil-vanadata, KUO2VO4. Sadržaj urana u pojedinim mineralima je različit, a rude urana koje se danas eksploatišu i prerađuju sadrže oko 0,1% urana. U sirovinama odakle se uran dobija kao međuproizvod, sadržaj urana je niži, od nekoliko desetina do nekoliko stotina grama po toni sirovine (fosfati, škriljci, ugljevi, rude zlata, ...). Dosta urana može se dobiti kao muzproizvod pri proizvodnji veštačkih đubriva.Pri eksploataciji rude i proizvodnji tehničkog koncentrata urana iz ruda oko 40% troškova su troškovi rudarenja. Kod prerade rude razlikujemo sledeće faze: usitnjavanje i hidrometalurško tretiranje.Pod hidrometalurškim tretiranjem podrazumevamo:

■ luženje, tj. prevođenje minerala urana u rastvoran oblik■ odvajanje tečne od čvrste faze koja je jalovi ostatak■ koncentrisanje i prečišćavanje urana iz lužnog rastvora■ taloženje urana iz rastvora■ odvajanje čvrstog ostatka od jalovog rastvora i■ dobijanje tehničkog koncentrata urana.

Izbor sredstava za luženje se vrši na osnovu metalurških karakteristika rude. Najčešće korišćeni reagensi su sumporna kiselina i natrijum karbonat. Oko 70% ruda se prerađuje po postupku luženja sumpornom kiselinom. Za ovaj postupak se ruda melje do veličine čestica ispod 0,6mm, a za karbonatni je veličina čestica ispod 0,074mm. Za odvajanje tečne od čvrste faze posle luženja koristi se dvostepena filtracija ili protivstrujno pranje u zgušnjivačima. Za prečišćavanje i koncentrisanje koristi se tečno-tečna ekstrakcija ili jonska izmena, a za taloženje urana amonijak, natrijum-hidroksid, magnezijumoksid. Iskorišćenje urana iz ruda do odbijanja tehničkog koncentrata urana iznosi preko 90% u najvećem broju slučajeva.

Slika iznad. Prerada uranovih ruda luženjem sa sumpornom kiselinom i izmenom jona

80

r

RUDA ( 0,1% urana)

Klasiranje 1 usitnjavanje

_______ LuŽenje _____

KiseloI------

r T

“ 1alkalno------ 1

Odvajanje tečne od čvrste faze

Filtracija u Dva stupnja

I______

1

r. T

Protivstrujno pranje u zgušnjivačima

_____________I

Prečišćavanje i koncentrisanje

Tečno-tečnaekstrakcija

Jonska izmena

Filtriranier j

Sušenje

KaJacijai

Tehnički koncentrat ( > 60% U )Principijelna tehnološka šema postupka za dobijanje tehničkog koncentrata urana iz ruda urana

81

PR O C ESI PR O IZ V O D N JE N U K LE A R N IH G O RIV AUranova nuklearna goriva

Ova goriva se izrađuju iz koncentrata uranove rude dob ijen og p o napređ opisa- nim p ostupcim a i iz urana regenerisanog iz istrošenog nuk leam og goriva. O na se proizvode u ob lik u m etalnog urana i u ob lik u uran(IV )-oksida sa različitim sadržajem 2 3 3 O. Pri tom e prim enjeni hem ijski procesi su , kao što se vidi sa shem e prikazane na sliciIII.20 . sledeći: prečišćavanje urahil-nitrata p o m o ću ekstrakcije rastvaračim a, denitriranje do U 0 3 . redukcija U 0 3 do U 0 2 vo d o n ik o m , prevođenje U 0 2 u U F 4 redukcija U F 4 do m etalnog urana p o m o ću m agnezijum a, fluorisanje U F 4 do U F 6 , izo to p sk o razdvajanje urana-235 pu tem difuzije u gasnoj fazi i ređukcije U F 6 do U F 4 , U 0 2 i m eta lnog U posle izo top sk og obogaćivanj a , Svaki o d ov ih procesa biće p osebno razm atran, Pored ov ih k o - riste se i m etod e centrifugiranja, a kao skup i slabo produktivan napušten je m eto d m a- sene separacije.

Sl. III .20. Shema dohijanja uranovog gorivaEkstrakcija urana organsklm rastvaračima se primenjuje na rastvor dobijen delo-

vanjem azotne kiseline na koncentrat rude posle m levenja, Kao sredstvo za ekstrakciju koristi se tributilfosfat (TBP) razblažen sa kerozinom ili heksanom , pri čem u se odvija sledeća reakcija:

u o k (voa „ 1I„ tv J « N O ; + 2TBP(OIeJ= U O ,(N O ,)J .2TBP(o n !j (III.28)

Ovo je slabo povratna reakcija koja jako zavisi od koncentracije ( N 0 3) 'jon a u vođenoj fazi koji se uvođe azotnom kiselinom pri rastvaranju koncentrata. Uran se ekstrahuje u rastvaraču, a većina ostalih jona zaostaje u vodenoj fazi. Ekstrakt se ispere sa m alom k o lič in om vodenog rastvora radi daljeg prečišćavanja. Kasnije se u prisustvu velike k o lič in e vođe ekstrakt razori i dobije se prečišćeni vodeni rastvor uranil-nitrata.

Denitracija uranil nitrata se izvodi uparavanjem pa zatim kalcinacijom . Uparava- nje se izvodi na tačk i ključanja koja zavisno ođ koncentracije rastvora leži u intervalu od 120 do 143°C , a kalcinacija na tem peraturi ođ 621°C pri čem u se odvija reakcija-

82

Danas se za ovu kalcinaciju uglavnom primenjuju uređaji sa fluidiziranim slojem. Zavisno od uslova odvijanja ovog procesa dobiće se različite fizičke osobine oksida U 0 3 (porozitet, specifična površina i druge), koje su ođ bitnog uticaja na dalji tok reakcija dobijanja U 0 2 , U F4 i metalnog urana,

Prevođenje U 0 3 u U F 4 se izvodi putem redukcije U 0 3 u U 0 2 pom oću vodonika, a zatim delovanjem sa HF da bi nastao UF4 po sledećim reakcijama:

U 0 3 + H 2 --------^ U 0 2 + H 20 (III.30)

3 7 0 —5 9 0 °rU 0 2 + 4H F " > UF4 + 2H2 O (111.31)

Ove heterogene reakcije na granici čvrsto~gas se izvode kontinualno u reaktorima sa fluidizacionim slojem čime se obezbeđuje bolja kontrola temperature u reakciji re - dukcije i bolji ekonomski efekti kod reakcije hidrofluorizacije.

R edukcijado metalnog urana se izvođi pomoću magnezijuma po reakciji-

UF4 +2M g = Um eta]+ 2MgF2 . AH248 = - 349 .36 kJ/m ol (JII.32)

D ob ijen i uran se pretapa i drži na tem peraturi o đ 1 4 5 4 °C u vakuum p eć i da bi se p u tem otparavanja u k lon ile n e č is to ć e a p o to m se p on o v o lije u grafitne k a lupe ., O dli- vak se prerađuje u gorivo za reaktor m leven jem , presovanjem i ek stru zijom , što su o sn o vne operacije keram ičk e teh n o lo g ije ,

Proizvodnja U F 6 . U ran-heksafluorid se koristi k ao gasoviti m ed ijum za razđvajanje iz o to p a urana u cilju obogaćivanja prirodnog urana sa iz o to p o m 2 3 5 U . Razdvajanje se zasniva na razlikam a u brzinam a đifuzije lakšeg izo to p a 2 3 5U o d težeg 2 3 8U k ro z pro- pustljivu m em branu tzv . ,,d ifu zion u barijcru’'. B rzine difuzije su proporeion alne ato- m skim m asam a izo to p a .

Z a dobijanje u ran-heksafluoiiđ a se koristi sprašeni uran-tetrafluorid i gasov iti flu or koji reaguju p o reak ciji:

U F 4 + F 2 = U F 6 , A H 2 9S = - 2 5 1 ,0 4 k J /m o l (111,33)

O va reakcija se ođvija na tem peraturi o d 4 6 0 ° d o 5 3 0 °C , a d ob ijen i U F 6 se k o n - denzuje na n isk im tem peraturam a o d —18 d o —48°C .UF6 je čvrsta supstanca na običnoj temperaturi ali već na 56,5oC sublimuje.

U 0 2(N 0 3) 2 e6H20 = U 0 3 + N 0 2 + NO + G2 + 6 H 20 (IIU29)

83

Dobijanje U 0 2 oksida koji se prim enjuje kao nukleam o gorivo najviše u reak to ri - ma koji rade na visokim tem peraturam a se zasniva na sleđećim reakcijam a:

2U F 6 + 14NH3 + 7H 20 = (N H 4) 2U20 7 + 12NH4 F (IIU 34)

(N H 4) 2U20 7 + 2H 2 = 2 U 0 2 + 2N H 3 + 3H 20 (III. 35)

Uran(IV)-oksid, UO2, je hemijski i fizički stabilniji od metalnog urana i našao je široku primenu kao nuklearno gorivo. Za ovu svrhu obično se prah UO2 presuje u tablete, koje se potom sinteruju na temperaturi od 1600-1800oC. Tako dobijene sinterovane tablete koriste se za proizvodnju tzv. Gorivih elemenata, koje predstavljaju hermetički zatvorene cevi ispunjene tabletama goriva. Sa nuklearnim gorivom na bazi UO2 danas radi veći broj nuklearnih reaktora.

Torijumova nuklearna gorivaZa prim enu u nuklearnim reaktorim a torijum se prevodi u ok sid T h 0 2 , K ao siro-

vina za dobijanje torijum a služi m ineral m on acit koji se javlja u peskovim a i iz k oga se kao glavni proizvod i dobijaju e lem en ti retkih zem alja p o shem i prikazanoj na slic i III 2 1 .

Kao što se sa prikazane shem e vidi p ostupak ob u h vata m levenje rude do v e lič in e čestica od 0 ,0 7 4 m m do 0 ,0 4 4 m m pre lužen ja sa su m p o m o m k ise lin om , T or iju m ,retk e zem lje i uran se izdvajaju iz đob ijen og rastvora ta loženjem . D ob ijen i sirovi proizvod tori- ju m a se zatim prečišćava ekstrakcijom sa tr ib u tilfo sfa tom iz rastvora d ob ijen og rastvara- njem u azotnoj k iselin i.

Iz so li T h (N 0 3 ) 4 °4 H 20 torijum se ta lo ž i k ao oksalat i kalcin iše da bi iz njega nastao T h O 2 . T ehn olog ija dobijanja m eta ln og torijum a nije jo š p o tp u n o razvijena u indu-

84

s tr ijsk im ra z m e ra m a m a đ a je b ilo đ o s ta a tra k tiv n ih i in te re s a n tn ih p ro ce sa u raz v o ju . P reč išćav an je m e ta ln o g to r i ju m a p o v e z a n o je sa d o s ta te š k o ć a z b o g v iso k ih te m p e ra tu ra , p r im e n e v a k u u m a i to p lje n ja u e le k tr ič n o m lu k u .

Sl. I U .2 1 . I z d v a ja n je to r iju m a i z r u d e m o n a c i t

85

PREGLEDPrirodan neobnovljiv izvor energije Složena razvijena tehnologija Kontroverzna prihvatljivost - potrebe i rizici Značajan izvor električne energije danas Veliki potencijal za budućnost Jedini stvarni potencijal za borbu protiv CO2 Zamršeni trougao tehnologije-javnosti-politike Budućnost neizvesnaOgroman potencijal: fuzija!

86

FUZIJA

□ Kad se dva lakša jezgra spoje u teže jezgro oslobađa se energija-fuzija□ Neiscrpan i kontinuitani izvor (deuterijum u morskoj vodi 33g/l, litijum iz

proizvodnje fisionih reaktora)□ Meli uticaj na okolinu (nema direktne CO2 emisije, niska radioaktivnost, nema

fisionih produkata i nesreća, malo zauzimanje prostora)□ Problem je kako jezgrima dati dovoljno kinetičke energije da prevladaju odbojnu

električnu silu.□ U unutrašnjosti Suncu temperatura je oko 1,5x10 K, te je srednja kinetička

energija na ovoj temperaturi dovoljna da nadvlada odbojnu nuklearnu silu- termonuklearna fuzijska reakcija. Za sada teorijski jedini način za postizanje temperaturepotrebne za reakciju fuzije daje fisiona reakcija (hidrogenska bomba, uz atomsku bombu kao detonator)

Primer fuzije:

MMa flBa H cyTpoH a

ji npotO H y cbom )C3rpy.

A Csa T pn K30T0na BOôiiHKa

Hl\iajy lipOTOB II CJJCKTpOH.

jc3rpa fleyTepjijyMa, D, n TprajiijyM a, T, MMajy, TaKoljc,

n HeyTpone.

deuterijum + tricijum ^ helijum + neutron

87

Uređaj za aktiviranje sa detonatorom

Običan eksploziv

Dopunski (veštački) izvor neutrona

Nukleami eksploziv (uranijum-235 ili plutonijum-239)

Termonuklearni eksploziv (deuterijum + tricijum ili deuterijum + litijum)

Omotač od prirodnog uranijum a ili uranijuma-238

Trofazna termomiklearna bomba

Prva termonuklearna (hidrogenska) bomba napravljena je u Am erici 1952. godine. Njen tvorac bio je Edvard Teler, naučnik koji je radio u američkoj ekipi stručnjaka koji su pravili prvu atomsku bombu. On je još 1944. godine došao na ideju da bi se u zemaljskim uslovima m ogle ostvariti termonuklear- ne reakcije (fuzija) ako bi se m ogla dobiti temperatura od više m iliona stepe- ni Celzijusovih. Kada je napravijena atomska bomba, Teler je bio uveren da je sasvim m oguce napraviti i hidrogensku bombu. N jegove zam isli ce se ubrzo i ostvariti pa se Teler smatra ocem tog strašnog oružja. Termonuklear- na bomba je đobila to ime zato što oslobađa ogromnu toplotu pri eksploziji.

Zemlje koje posjeduju H-bombe: SAD, Rusija, V. Britanija, Francuska i Kina.

Zahtevi za fuzioni reaktor□ Visoka temperatura ~ 108 K

■ nužna radi savladavanja Kulonovih odbojnih sila između pozitivnih jezgara.■ na ovim temperaturama, svi atomi su jonizirani, sistem se sastoji od jezgara

i elektrona - plazma.□ Gustina jona plazme, n

■ broja jona u plazmi mora biti visok kako bi što češće dolazilo do sudara20 3jona (veća gustina jona - veći broj pokušaja fuzije), n=2-3x10 jona/m .

□ Plazma “confinem ent tim e”, t ogranič eno vreme■ Vremenski interval unutar kojeg su joni plazme na temperaturi koja

osigurava fuziju, t=I,2 s.

88

□ U čemu “držati” plazmu visoke gustine na temperaturi od 100 miliona K za vreme od 1 sekunde.

□ Tokamak - toroidalni uređaj prvo napravljen u Rusiji, kombinacijom dva magnetska polja prostorno ograničava i stabilizuje plazmu.

Magnetska boca za održavanje plazme.

Internacionalni termonuklearni eksperimentalni reaktor - TOKAMAK gradi se u Francuskoj, u Provansi, a učestvuju Evropa, SAD i Japan. Vreme završetka je 2020. god. Prvi komercijalni reaktor 2040-50. god.

Jegna og HajuoeojbHujux iuepMOHyKAeapmx peaKU,uja jeciue cuHiue3a je3ipa geyiuepujyMa u uipugujyMa ( jesiapa weuiKux eogonma ;H2 it ,H 3). 35or Tora ce AeyTepHjyMOM n TpmjH- jyMOM nyH H BojjoH H H H a ( h h h TepMonyKjieapHa) 5oM5a, Kao y n a jL a a O B a o e 5oM5e KopncTH ce aTOMCKa 5oM5a, npn HHjoj ce eKcnjio3Hjn CTBapa TeMnepaTypa noTpeSHa 3a npopec <J)y3nje. PeaKirnja ce opBHja Ha cjieAebn HaaHH

npH neMy ce ocjio5al)a eHeprnja op; 17,6 MeV, uito H3HOCH oko 3,5 MeV/HyKjieoH. PajjH nopefjeita, noTpe^Ho je HCTafin koji (j)HCHje ypaHa ocjioSoljeHa eHeprnja h3 hoch oko 0,85 MeV/HyKjieoH.

Oy3Hja je3rapa Bo/joHHKa y je3rpo xejiHjyMa npeacTaBjta H3Bop eHeprHje CyHpa h 3Be3jja, y anjoj ce yHyTpamn,ocTH pa3BHja TeMnepaTypa oa npeKo 107 K. OBa $y3Hja ocTBapyje ce npeKo cjieflefia jjea ocHOBHa uHKjiyca.

89

TIpu HU2KUM iueMuepaiuypaMa ogeuja ce upoiuoH CKo-upaiuancKU uuKJiyc. V no4CiKy nacTaje cj}y3nja /jna npoTOHa y je3rpo xe- jiHjyMa, Kojn p+-pacnaflOM npejia3H y ,Tey- TepnjyM. /JaKjie,

1H 1 + 1H 1^ 2H e2-> 1H 2 + e + + v

Taxo HacTaao je3rpo TeiuK or BOjjOHHKa 1H 2 cyâpoM ca npoTOHOM npejia3H y je 3 r p o 2He3, npeMa peaKUHjn

n a ce'HHKayc 3afipuiaBa peaKunjoM

2H e3 + 2H e 3 - v 2H e+ + jH 1 + jH 1

• IJp u 3 Haiuuo eehuM iueMitepautypaMa 3Ha- uiHo j e eepoeaiuHuju yi.beHU<tHO-ajo iiinu u,uk- Jiyc. O h ce cacTojH H3 cjiejtehHK pcaKLinja

g C ^ + j H 1 - > 7N 13 + y

7N 13 —>- 6C 13 + e + + v

e C 'i + j H ^ ^ + T

7N 14 + j H 1 —► g0 is + y

80 15- ^ 7N 15 + e + + v

7N 15 + j H 1 - > 80 16 - > 6C 12 + 2H e 4

OHHrjie/iHO je na. ce y o b o m HHKJiycy na panyH HeTHpM npOTOHa cTBapa aaijia-He- CTHiia. KojiMHHHa yrjbeHHKa ocTaje HCTa h H>erOBa je 3rp a y peaKHHjH HMajy y jio ry KaTajiH3aTo p a.

K o a e o g o u u H H U K 5o m 5 u TepMOHyKjieapHa peaK H iija ce o /iB iija HeKOHTpojincaHO. JJsl 5h ce oH a M o rjia k OHTpojiHcaTH, n o - T peoH o je j ta ce y jejiHOM jic .tv sanpeM H H e o apacaB a T eM nepaT ypa p e ^ a 10® K . M e - ^yTHM, n p n tbk o bhcokhm T eM nepaT ypaM a c s e no3H aTe cyncTaHHHje n cn a p aB a jy , n a ce KOHTpojia TepMOHyKJieapHHX peaKHHja BpUIH BeOMa TeillKO H CJlOJKeHO.

Najveći izazovi i problemi:■ Kontrola i razumevanje plazme■ Velika ulaganja i zahteva međunarodnu saradnju■ Treba obezbediti velike količine tricijuma (za pokretanje postrojenja 5-10 kg

tricijuma, potrebno na desetine fisionih reaktora za jedan fuzioni)■ Interakcija i kompatibilnost materijala■ Pouzdanost rada nove vrste postrojenja■ Životni vek■ Održavanje na daljinu.

90

ENERGIJA PLLME M orske mene proizvode struju u csm arijim a koji se zagrade branam a. Za vrem e plim c ustave se otvaraju, a za vreine oseke se zatvaraju, pa se onda voda ispušta kroz turbine, kada sc srvori razlika u nivou od oko 3 m.

ENERGIJA BIOMASEReč je o iskoriščavanju energije organskih m aterija, npr, drva i poljoprivrcdnih otpadaka. Elektranc na biom asu izsiađcnc su u m nogim zem ljam a. O n e manje

zagadujti vazduli i po pravilu ne doprinose globalnom zagrevanju.

91

Documents

ENERGIJA I GORIVA - · PDF fileObnovljivi izvori energije 1. NEOBNOVLJIOVI OBNOVLJIVI Fosilna goriva." Ugalj Nafta Zemni gas Uljni škriljci Drvo i otpaci Biomasa i biogas