ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ В ПРОЦЕССАХ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕРОДА

摘要

Проведен термодинамический анализ процесса газификации углерода в присутствии влаги. Химический процесс отображался системой C-O-H 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 C-O. Исходный массив обрабатываемых данных был представлен рассчитанными по программе Терра содержаниями химических компонентов C, CO, CO_, CH_4, H_2 и H_2O. Единая химическая реакция в системе C-O-H 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 (C + 2H_2O = CO_2 + 2H_2, C + CO_2 = 2CO) и две реакции образования и разложения метана (2C + 2H_2O = CH_4 + CO_2, CH_4 = C + 2H_2). 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(T) =f[Δ_rG°(T), P]. Координаты реакций 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 C-O-H менее 0,02 моля (в расчете на I моль углерода), а подсистемы C-O практически нулевая.