blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-9-705-712blackmet-1722Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ В ПРОЦЕССАХ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕРОДАCHEMICAL REACTIONS IN PROCESSES OF CARBON GASIFICATIONБердниковВ. И.BerdnikovV. I.

к.т.н., доцент, старший научный сотрудник

454018, Россия, Челябинск, ул. Косарева 63, офис 486

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor, Senior Researcher

Chelyabinsk, Russia

berdnikov-chel@mail.ruГудимЮ. А.GudimYu. A.

д.т.н., профессор

454080, Россия, Челябинск, пр. Ленина, 76

Dr. Sci. (Eng.), Professor

Chelyabinsk, Russia

ООО Промышленная компания «Технология металлов»РоссияLLC Industrial Company “Technology of Metals”Russian FederationЮжно-Уральский государственный университетРоссияSouth Ural State UniversityRussian Federation201922102019629705712Copyright © Бердников В.И., Гудим Ю.А., 20192019Бердников В.И., Гудим Ю.А.Berdnikov V.I., Gudim Y.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1722

Проведен термодинамический анализ процесса газификации углерода в присутствии влаги. Химический процесс отображался системой С – О – Н с соотношениями элементов в ней 1:1:2 и 1:2:2. Для отработки методики исследования и проверки полученных результатов использовали хорошо изученную ранее подсистему С – О. Исходный массив обрабатываемых данных был представлен рассчитанными по программе Терра содержаниями химических компонентов С, СО, СО2 , СН4 , Н2 и Н2О. Единая химическая реакция в системе С – О – Н отсутствует, поэтому полный рабочий диапазон температур 298 – 1400 К делили на три характерных области, и каждую из них анализировали отдельно. Сопоставляя численные значения содержаний компонентов на границах областей, определяли изменения их величин при переходе от одной области к другой. Эти величины были кратными стехиометрическим коэффициентам предполагаемых химических реакций. Таким образом, решалась проблема с установлением вида химических реакций. Но в двух областях из трех идентифицированные реакции имели комплексный характер, т. е. содержали более четырех компонентов. Поэтому выполнили разложение их по базису из трех более простых и характерных для этих областей реакций. В результате общее число разновидностей реакций сократилось до четырех: две основные реакции газификации углерода (С + 2Н2О = СО2 + 2Н2 , С + СО2 = 2СО) и две реакции образования и разложения метана (2С + 2Н2О = СН4 + СО2 , СН4 = С + 2Н2 ). Одновременно с этим, посредством балансовых коэффициентов β определялась доля каждой реакции в общем химическом процессе. Вид химических реакций дает нужную информацию о содержании компонентов системы лишь на границах областей. Количественную оценку химического процесса внутри областей можно получить путем определения температурной зависимости координат реакций от энергий Гиббса и давления – ξ(Т) = f [Δr G°(Т), Р]. Координаты реакций ξ в сочетании с балансовыми коэффициентами β позволяют вычислять не только содержания реагентов и продуктов реакций, но и условные температуры начала и окончания самих реакций. При этом никакие коэффициенты и параметры подгоночного характера в расчетах не использовались. Средняя абсолютная погрешность количественного описания результатов машинного моделирования системы С – О – Н менее 0,02 моля (в расчете на 1 моль углерода), а подсистемы С – О практически нулевая.

Thermodynamic analysis of carbon gasification process in the presence of moisture was carried out. The chemical process was displayed by the system C – O – H with the ratios of elements in it: 1:1:2 and 1:2: 2. To work out the methods of research and verification of the results, we used a well-studied subsystem C – O. The initial array of processed data was presented by the contents of chemical components C, CO, CO2 , CH4 , H2 and H2O calculated by TERRA program. There is no single chemical reaction in the C – O – H system, so the full operating temperature range of 298 – 1400 K was divided into three characteristic areas, and each of them was analyzed separately. By comparing the numerical values of the components contents at the regions’ boundaries, we determined changes in their values during the transition from one region to another. These values were multiples of stoichiometric coefficients of the expected chemical reactions. Thus, the problem with establishment of the chemical reactions’ type was solved. But two areas of three identified reactions were complex containing more than four components. Therefore, their decomposition was performed on the basis of three more simple and characteristic reactions for these areas. As a result, the total number of reaction varieties was reduced to four – two main reactions of carbon gasification (C + 2Н2О = CO2 + 2Н2, C + CO2 = 2СО) and two reactions of formation and decomposition of methane (2C + 2Н2О = CH4 + CO2 , CH4 = C + 2Н2 ). At the same time, the proportion of each reaction in the total chemical process was determined by the balance coefficients β.The type of chemical reactions provides the necessary information about content of the system components only at the regions’ boundaries. A quantitative assessment of the chemical process within the regions can be obtained by determining the temperature dependence of the reaction coordinates on Gibbs energy of the reactions and the pressure – ξ(Т) = f [ΔrG°(Т), Р]. The coordinates of reactions ξ in combination with the balance coefficients of reactions β allow us to calculate not only the content of reagents and reaction products at any moment of reactions, but also the conditional temperatures of the beginning and end of the reactions themselves. No coefficients and parameters of the fitting character were used in the calculations. The average absolute error of the quantitative description of the results of machine simulation of the system C – O – Н – is less than 0.02 mole (per 1 mole of carbon), and for the subsystem C – O it is almost zero. 

газификация углеродатермодинамическая системахимическая реакциякоордината реакцииэнергия Гиббса реакцииидентификация реакцийначало и окончание реакцийcarbon gasificationthermodynamic systemchemical reactionreaction coordinateGibbs energy of reactionidentification of reactionsbeginning and end of reactionsReferencesDe Donder Th., van Rysselbtrghe P. The thermodynamic theory of affinity. – Stanford University Press, 1936.De Donder Th., van Rysselbtrghe P. The thermodynamic theory of affinity. Stanford University Press, 1936.Prigogine I., Defay R. Chemical thermodynamics. – London: Longman, 1967.Prigogine I., Defay R. Chemical thermodynamics. London: Longman, 1967.Lewis G., Randall M. Thermodynamics. – New York, 1961.Lewis G., Randall M. Thermodynamics. New York, 1961.Kondepudi D., Prigogine I. Modern thermodynamics. – New York: J. Wiley & Sons, 2002.Kondepudi D., Prigogine I. Modern thermodynamics. New York: J. Wiley & Sons, 2002.Булатов Н.К., Лундин А.Б. Термодинамика необратимых физико-химических процессов. – М.: Химия, 1984. – 336 с.Bulatov N.K., Lundin A.B. Termodinamika neobratimykh fizikokhimicheskikh protsessov [Thermodynamics of irreversible physical and chemical processes]. Moskow: Khimiya, 1984, 336 p. (In Russ.).Трусов Б.Г. База данных и программный комплекс TERRA, редакция 6.3 (электронный ресурс).Trusov B.G. Baza dannykh i programmnyi kompleks TERRA, рedaktsiya 6.3 (eleknronnyi resurs) [Database and program complex TERRA, edition 6.3]. (In Russ.).Gurvich L.V., Iorish V.S. etс. IVTANTHERMO - A Thermodynamic Database and Software System for the Personal Computer. User’s Guide. Boca Raton: CRC Press, Inc., 1993.Gurvich L.V., Iorish V.S. etc. IVTANTHERMO – A Thermodynamic Database and Software System for the Personal Computer. User’s Guide. Boca Raton: CRC Press, Inc., 1993.White W.B., Johnson S.M., Dantzig G.B. Chemical equilibrium in complex mixtures // J. Chem. Phys. 1958. Vol. 28. No. 5. P. 751 – 755.White W.B., Johnson S.M., Dantzig G.B. Chemical equilibrium in complex mixtures. J. Chem. Phys. 1958, vol. 28, no. 5, pp. 751–755.Brinkley S.R. Calculation of equilibrium composition of systems of many constituents // J. Chem. Phys. 1947. Vol. 15. No. 2. P. 107 – 110.Brinkley S.R. Calculation of equilibrium composition of systems of many constituents. J. Chem. Phys. 1947, vol. 15, no. 2, pp. 107–110.Gurvich L.V., Veitz I.V. etс. Thermodynamic Properties of Individual Substances. 4th ed. in 5 vols. – New York: Hemisphere Pub Co., 1989.Gurvich L.V., Veitz I.V. etc. Thermodynamic Properties of Individual Substances. 4th ed. in 5 vols. New York: Hemisphere Pub. Co., 1989.Бердников В.И. Машинный расчет химического равновесия в многокомпонентных системах // Изв. вуз. Черная металлургия. 1984. № 4. С. 120 – 122.Berdnikov V.I. Computer calculation of chemical equilibrium in multicomponent systems. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1984, no. 4, pp. 120–122. (In Russ.).Теория металлургических процессов / Д.И. Рыжонков, П.П. Арсентьев, В.В. Яковлев и др. – М.: Металлургия, 1989. – 392 с.Ryzhonkov D.I., Arsent’ev P.P., Yakovlev V.V. etc. Teoriya metallurgicheskikh protsessov [Theory of metallurgical processes]. Moskow: Metallurgiya, 1989, 392 p. (In Russ.).Гольдштейн Н.Л. Краткий курс теории металлургических процессов. – Свердловск: Металлургиздат, Свердловское отделение, 1961. – 334 с.Gol’dshtein N.L. Kratkii kurs teorii metallurgicheskikh protsessov [Short course of metallurgical processes theory]. Sverdlovsk: Metallurgizdat, 1961, 334 p. (In Russ.).Кузнецов Ю.С., Качурина О.И. Окислительно-восстановительные свойства газовых фаз // Изв. вуз. Черная металлургия. Т. 61. 2018. № 1. С. 69 – 79.Kuznetsov Yu.S., Kachurina O.I. Redox properties of the gas phases. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2018, vol. 61, no 1. pp. 69–79. (In Russ.).Korn G., Korn Th. Mathematical handbook. – New York, 1968.Korn G., Korn Th. Mathematical handbook. New York, 1968.Atkins P., de Paula J. Physical chemistry. – Oxford, 2007.Korn G., Korn Th. Mathematical handbook. New York, 1968.Лаптев Д.М. Термодинамика металлургических растворов. – Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1992. – 352 с.Atkins P., de Paula J. Physical chemistry. Oxford, 2007.Бердников В.И. Применение балансового термодинамического анализа к исследованию механизма восстановления кремния в ферросплавной печи // Сталь. 1991. № 2. С. 42 – 45.Atkins P., de Paula J. Physical chemistry. Oxford, 2007.Бердников В.И., Гудим Ю.А., Картелева М.И. Термодинамическое моделирование процесса получения силикокальция углеродотермическим методом // Изв. вуз. Черная металлургия. 2008. № 4. С. 23 – 29.Laptev D.M. Termodinamika metallurgicheskikh rastvorov [Thermodynamics of metallurgical solutions]. Chelyabinsk: Metallurgiya, 1992, 352 p. (In Russ.).Бердников В.И., Гудим Ю.А., Картелева М.И. Термодинамическое моделирование процесса получения алюминиевых сплавов углеродотермическим методом // Изв. вуз. Черная металлургия. 2009. № 2. С. 21 – 27.Laptev D.M. Termodinamika metallurgicheskikh rastvorov [Thermodynamics of metallurgical solutions]. Chelyabinsk: Metallurgiya, 1992, 352 p. (In Russ.).Berdnikov V.I. Adaptation of the balance thermodynamic analysis to the mechanism of silicon reduction in a ferroalloy furnace. Stal’. 1991, no. 2, pp. 42–45. (In Russ.).Berdnikov V.I. Adaptation of the balance thermodynamic analysis to the mechanism of silicon reduction in a ferroalloy furnace. Stal’. 1991, no. 2, pp. 42–45. (In Russ.).Berdnikov V.I. Adaptation of the balance thermodynamic analysis to the mechanism of silicon reduction in a ferroalloy furnace. Stal’. 1991, no. 2, pp. 42–45. (In Russ.).Berdnikov V.I. Adaptation of the balance thermodynamic analysis to the mechanism of silicon reduction in a ferroalloy furnace. Stal’. 1991, no. 2, pp. 42–45. (In Russ.).Berdnikov V.I., Gudim Yu.A., Karteleva M.I. Thermodynamic modeling of the process of obtaining silicocalcium by carbon-thermal method. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2008, vol. 51, no. 4, pp. 23–29. (In Russ.).Berdnikov V.I., Gudim Yu.A., Karteleva M.I. Thermodynamic modeling of the process of obtaining silicocalcium by carbon-thermal method. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2008, vol. 51, no. 4, pp. 23–29. (In Russ.).Berdnikov V.I., Gudim Yu.A., Karteleva M.I. Thermodynamic modeling of the process of obtaining silicocalcium by carbon-thermal method. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2008, vol. 51, no. 4, pp. 23–29. (In Russ.).Berdnikov V.I., Gudim Yu.A., Karteleva M.I. Thermodynamic modeling of the process of obtaining silicocalcium by carbon-thermal method. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2008, vol. 51, no. 4, pp. 23–29. (In Russ.).Berdnikov V.I., Gudim Yu.A., Karteleva M.I. Thermodynamic modeling of the process of obtaining aluminum alloys by carbonthermal method. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2009, vol. 52, no. 2, pp. 21–27. (In Russ.).Berdnikov V.I., Gudim Yu.A., Karteleva M.I. Thermodynamic modeling of the process of obtaining aluminum alloys by carbonthermal method. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2009, vol. 52, no. 2, pp. 21–27. (In Russ.).Berdnikov V.I., Gudim Yu.A., Karteleva M.I. Thermodynamic modeling of the process of obtaining aluminum alloys by carbonthermal method. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2009, vol. 52, no. 2, pp. 21–27. (In Russ.).Berdnikov V.I., Gudim Yu.A., Karteleva M.I. Thermodynamic modeling of the process of obtaining aluminum alloys by carbonthermal method. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2009, vol. 52, no. 2, pp. 21–27. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.