ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ В ПРОЦЕССАХ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕРОДА

Аннотация

Был проведён 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 298-1400К 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 трёх идентифицированные реакции имели комплексный характер, то есть содержали более четырёх компонентов. Поэтому выполнили разложение их по базису из трёх более простых и характерных для этих областей реакций. В результате общее число разновидностей реакций сократилось до четырёх − 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 даёт 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 реакций и давления  – ξ(Т)=f[ Δ_rG^о(Т), Р]. Координаты реакций ξ в сочетании с балансовыми коэффициентами реакций β позволяют вычислять не только содержания реагентов и продуктов реакций в любые моменты реакций, но и условные температуры начала и окончания самих реакций. При этом никакие коэффициенты и параметры подгоночного характера в расчётах не использовались. Средняя абсолютная погрешность количественного описания результатов машинного моделирования системы С-О-Н – менее 0,02 моля (в расчёте на 1 моль углерода), а подсистемы С-О – практически нулевая.