Tema 1 de tecnologia industrial 1. Llibre McGrawHill ampliat

1. TECNOLOGIA INDUSTRIAL 1r BATXILLERAT Tema 1: ELS RECURSOS ENERGÈTICS

19. El carbó: processos d’obtenció Un nou mètode d’extracció que es troba en fase d’investigació és la gasificació del carbó en el jaciment mateix: consisteix en la introducció d’un agent gasificant a la veta de la qual resulta gas de carbó que s’utilitza com a combustible. Explotacions mineres tradicionals:

25. Origen del petroli El petroli va iniciar la seva formació fa 600 milions d’anys per l’acumulació de microorganismes que constituïen el plàncton marí. En ser arrossegats pels corrents cap a la costa, morien, es depositaven al fons i quedaven coberts per successives capes de sorra, argila i fang.

26. Origen del petroli La matèria orgànica, en forma de gelatina (sapropel), en quedar atrapada va experimentar una descomposició en dues etapes, la primera portada a terme per bacteris aerobis i la segona per bacteris anaerobis. Aquesta descomposició, juntament amb els factors de pressió i temperatura, va originar el diferents hidrocarburs que constitueixen el petroli. El seu estat líquid en va permetre el desplaçament cap a l’interior de la Terra a través de les roques poroses, fins arribar a roques impermeables que el deixaven atrapat formant dipòsits o bosses de petroli .

27. Localització i extracció del petroli Localització complicada i costosa. La prospecció es fa sempre en regions amb roques sedimentàries. S’estudien les estructures tectòniques i els estrats del terreny per localitzar possibles trampes de petroli . No obstant això, sense perforar és impossible afirmar si haurà petroli o no. Per perforar es construeix una torre de perforació i s’obre un pou de prova. Una sonda perfora i si troba petroli s’obren més pous per determinar la quantitat i la qualitat del cru. Si l’avaluació és positiva es procedeix a l’extracció, que natural o artificial.

28. Localització i extracció del petroli L’extracció natural es produeix quan el petroli es troba pressionat i puja espontàniament pel tub de sondeig. En l’extracció artificial s’injecta aigua a través dels tubs de la sonda, que obliga el petroli a pujar a la superfície, o s’utilitzen bombes aspirants per fer-ho. A la superfície se separa el gas i l’aigua que acompanyen el cru i s’emmagatzema per transportar-lo a la refineria.

29. Localització i extracció del petroli Extracció artificial

30. Transformacions del petroli A les refineries es porten a terme un seguit de processos destinats a separar els diferents components o fraccions del petroli. Els més característics són: la destil·lació fraccionada, el craqueig, la polimerització i la reformació. Destil·lació fraccionada : consisteix a escalfar el cru fins a l’evaporació, per refredar-lo progressivament i obtenir les fraccions condensadse separades en funció del seu punt d’ebullició. S’efectua amb dues torres de destil·lació o columnes de fraccionament. La primera treballa a pressió atmosfèrica i la segona al buit.

31. Transformacions del petroli

32. Transformacions del petroli Craqueig (cracking) : consisteix en la descomposició dels hidrocarburs més pesants (olis i fuels), per tal d’obtenir-ne de més lleugers (benzines). El procés es pot fer a temperatures i pressions elevades (craqueig tèrmic) o amb la presència de catalitzadors químics (craqueig catalític). Polimerització : contrari al craqueig, converteix el HC més lleugers (butà i propà) en compostes més pesants (benzines o gasoils). Reformació (reforming) : s’utiliza per millorar les característiques de les benzines. Es fa a altes temperaturse i en presència d’un catalitzador, com ara el platí.

36. El gas natural: extracció, transport i distribució La formació del gas natural prové d’un procés semblant al del petroli; per això, la localització i l’extracció es fa com la del petroli. El gas, abans del transport, és processat per eliminar les impureses (pols, sorra, aigua, gasos no desitjats), amb la qual cosa s’obté metà pràcticament pur. El transport es realitza amb gasoductes o amb vaixells metaners , que el porten fins a les plantes de regasificació i distribució. Per reduir el seu volum –gairebé 600 vegades-, el gas es refreda (GNL) a -163ºC

38. El gas natural

39. Combustibles gasosos Un gas combustible és capaç de reaccionar amb l’oxigen de l’aire de forma ràpida i amb alliberament de calor. Per una correcta combustió cal una concentració d’oxigen adequada i aplicar un focus d’ignició que iniciï la combustió. Els gasos que es comercialitzen estan agrupats en tres famílies , amb característiques similars, que es poden utilitzar sense necessitat de canviar la instal·lació, i amb resultats de combustió equivalents.

42. L’energia nuclear El nombre de protons que un àtom d’un determinat element té en el seu nucli rep el nom de nombre atòmic , i es representa per la lletra Z . El nombre de protons més el de neutrons d’un àtom rep el nom de nombre màssic o massa atòmica , i es representa per la lletra A . Dels àtoms del mateix element que difereixen en el nombre de neutrons i, per tant, també en el nombre màssic, es diu que són isòtops de l’element. Quan volem identificar l’estructura d’un àtom de símbol X, el representem així: X A Z

43. Radioactivitat La radioactivitat natural és el fenomen de transformació o transmutació nuclear espontània. És a dir, un nucli d’un àtom es transforma espontàniament en un altre, sense cap ajuda exterior. Els materials en què es produeix aquest fenomen s’anomenen materials o element radioactius. En aquesta transmutació nuclear espontània el nucli de l’àtom emet radiacions a gran velocitat. La radiació emesa pot ser de dos tipus: radiació electromagnètica ( raig gamma γ ) i radiació de partícules ( partícules alfa α i partícules beta β ). Un mateix element només pot emetre alhora radiacions α i γ o bé radiacions β i γ .

44. Radiacions ionitzants Aquestes radiacions són conegudes com a radiacions ionitzants, perquè tenen energia suficient per penetrar la matèria i iionitzar-ne els àtoms i/o molècules. Els isòtops radioactius artificials s’obtenen mitjançant el bombardeig de nuclis amb partícules projectil α , β i γ , i, sobretot, neutrons

45. Radiacions ionitzants

46. L’energia del nucli atòmic L’energia nuclear és l’obtinguda en els nuclis dels àtoms. En totes les reaccions nuclears, s’allibera una certa quantitat d’energia, que és la diferència entre les energies d’enllaç anteriors i posteriors als procés, i que correspon a la diferència de massa atòmica entre els elements resultants de la reacció i els inicials. La pèrdua de massa convertida en energia segons la fòrmula d’Einstein E = m·c 2

48. Reaccions de fusió En les reaccions de fusió s’uneixen nuclis d’elements lleugers per formar nuclis més pesants. Hi ha un gran alliberament d’energia, degut a la pèrdua de massa (1 gr. de massa convertit en energia equival a l’energia alliberada per 22.000 tn. de TNT quan explota, 1 tn TNT equival a 4,1·10 9 Jouls). En tenir els nuclis dels àtoms dels elements lleugers, càrrega elèctrica positiva, cal vèncer grans forces de repulsió electrostàtica (la barrera de Coulomb), per aconseguir el seu apropament i la seva fusió donant com a resultat un nucli més pesant que cadascun dels nuclis fusionats.

49. Reaccions de fusió La millor forma d’assolir-ho és ‘escalfant’, és a dir, per agitació tèrmica; per això s’anomena fusió termonuclear. Però les temperatures necessàries són de l’ordre de desenes i centenars de milions de graus: la fusió deuteri – triti requereix una temperatura de 45·10 6 de graus la fusió deuteri – deuteri requereix una temperatura de 400·10 6 graus Amb aquestes grans temperatures comencen les dificultats, ja que només s’assoleixen de forma natural als estels i de forma artificial al cor d’una explosió nuclear. La realitat, ara per ara, és que l’únic exemple reeixit de l’energia termonuclear és l’explosió de la bomba d’hidrogen, en la qual s’assoleix la temperatura necessària fent explotar prèviament una bomba atòmica d’U-235 o de Pu-239.

50. Reaccions de fusió L’estat actual de les investigacions passa per obtenir un confinament del plasma (a l’interior de potent camps magnètics) i aconseguir una reacció sostinguda, és a dir, que ens donir més energia que la que necessitem per iniciar la reacció.

51. Reaccions de fissió Les reaccions de fissió consisteixen a provocar la ruptura del nucli d’un àtom amb l’impacte d’un neutró. L’interès més gran del procés de fissió està en el fet que per cada nucli escindit s’emeten 2 o 3 neutrons que poden escindir altres nuclis d’urani, i així successivament: reacció en cadena . D’aquesta manera, un cop iniciada la reacció nuclear, es pot mantenir per si mateixa sempre que es disposi d’una quantitat d’àtoms d’urani suficients, anomenada massa crítica .

52. Reaccions de fissió El reactor nuclear és un sistema per produir i controlar reaccions en cadena sostingudes de manera que permetin aprofitar l’energia tèrmica obtinguda.

53. Processos d’obtenció i enriquiment dels combustibles nuclears Els combustibles nuclears són els elements que en condicions adequades poden produir reaccions nuclears de fusió i de fissió, energèticament aprofitables. Per a les reaccions de fusió, el combustible utilitzat és el deuteri i el triti. Els combustibles fissionables són U235, Pu239 i U233. D’aqeusts només es troba a la natura U235. Tant el Pu239 com l’U233 s’originen en els reactors nuclears a partir de materials fèrtils, l’U238 i el Th232, respectivament. S’anomenen materials fèrtils els que amb reaccions nuclears de captura i canvi radioactiu es converteixen en materials fissibles.

54. Cicle del combustible per a fissió nuclear El mineral d'urani s'extreu de mines d'arreu del món, on les concentracions més altres són entre 1 i 3 kg per tona de roca extreta , i es comercialitza en forma d'un concentrat de puresa entre el 70 i el 75% anomenat " pastís groc " degut al seu color. El problema principal de l'urani és que en la natura hi existeixen tres isòtops amb les seves respectives proporcions, U234 (0,006%), U235 (0,7%) i U238 (99,294%), i l'únic isòtop fissibles és l'U235. Per aconseguir una reacció en cadena, el percentatge d'U235 ha d'estar entre el 3 i el 4%, de manera que s'ha de fer augmentar la proporció separant-lo dels altres isòtops mitjançant la centrifugació. Aquest procés s'anomena enriquiment . Una vegada enriquit es transforma en òxid d'urani (UO 2 ) i es compacta en pastilles cilíndriques d'uns 10 grams. A partir d'aquí s'empaqueta en beines que seran situades en el reactor de la central per a la seva fissió. Quan el percentatge d'U235 és massa baix per mantenir la reacció en cadena se'l pot tractar de tres maneres diferents: - Com a residu. - Recuperant l'U235 que encara no s'ha fissionat i tornant-lo a enriquir. - Transformant-lo en plutoni239 mitjançant altres reaccions nuclears.

55. Cicle del combustible per a fissió nuclear

56. Importància econòmica dels recursos energètics

57. La contaminació ambiental

58. Efecte hivernacle. Nivells de CO 2

59. La pluja àcida

60. La pluja àcida

61. La pluja àcida

62. La contaminació atmosfèrica urbana. Les boires fotoquímiques

63. La contaminació atmosfèrica urbana. Les boires fotoquímiques

64. La contaminació radioactiva