ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ В ПРОЦЕССАХ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕРОДА

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.

1. De Donder Th., van Rysselbtrghe P. The thermodynamic theory of affinity. – Stanford University Press, 1936.

2. Prigogine I., Defay R. Chemical thermodynamics. – London: Longman, 1967.

3. Lewis G., Randall M. Thermodynamics. – New York, 1961.

4. Kondepudi D., Prigogine I. Modern thermodynamics. – New York: J. Wiley & Sons, 2002.

5. Булатов Н.К., Лундин А.Б. Термодинамика необратимых физико-химических процессов. – М.: Химия, 1984. – 336 с.

6. Трусов Б.Г. База данных и программный комплекс TERRA, редакция 6.3 (электронный ресурс).

7. 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.

8. 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.

9. Brinkley S.R. Calculation of equilibrium composition of systems of many constituents // J. Chem. Phys. 1947. Vol. 15. No. 2. P. 107 – 110.

10. Gurvich L.V., Veitz I.V. etс. Thermodynamic Properties of Individual Substances. 4th ed. in 5 vols. – New York: Hemisphere Pub Co., 1989.

11. Бердников В.И. Машинный расчет химического равновесия в многокомпонентных системах // Изв. вуз. Черная металлургия. 1984. № 4. С. 120 – 122.

12. Теория металлургических процессов / Д.И. Рыжонков, П.П. Арсентьев, В.В. Яковлев и др. – М.: Металлургия, 1989. – 392 с.

13. Гольдштейн Н.Л. Краткий курс теории металлургических процессов. – Свердловск: Металлургиздат, Свердловское отделение, 1961. – 334 с.

14. Кузнецов Ю.С., Качурина О.И. Окислительно-восстановительные свойства газовых фаз // Изв. вуз. Черная металлургия. Т. 61. 2018. № 1. С. 69 – 79.

15. Korn G., Korn Th. Mathematical handbook. – New York, 1968.

16. Atkins P., de Paula J. Physical chemistry. – Oxford, 2007.

17. Лаптев Д.М. Термодинамика металлургических растворов. – Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1992. – 352 с.

18. Бердников В.И. Применение балансового термодинамического анализа к исследованию механизма восстановления кремния в ферросплавной печи // Сталь. 1991. № 2. С. 42 – 45.

19. 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.

20. 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.