3. Гетерогенные процессы в системах

ГАЗ – ТВЕРДОЕ, ТВЕРДОЕ – ТВЕРДОЕ

3.1. Восстановление диоксида углерода

Цель работы– исследовать влияние различных технологических параметров (температуры, скорости газового потока) на технологические показатели процесса восстановления (степень превращения, выход, скорость взаимодействия).

3.1.1. Основные положения

Реакция восстановления диоксида углерода является одной из стадий газификации твердого топлива и заключается во взаимодействии угля с кислородом или водяным паром. Это обратимая эндотермическая реакция, которая протекает с заметной скоростью при высоких температурах:

С _(т) + СО_{2 (г)}  2СО _(г); Н₂₉₈ = 172,58 кДж.

Согласно принципу Ле-Шателье, равновесие реакции смещается в сторону образования оксида углерода при повышении температуры и при снижении давления. Константа равновесия реакции определяется уравнением

К_Р = , (16)

где – парциальное давление СО, атм;– парциальное давление СО₂, атм.

Зависимость равновесной степени превращения (Х*) от К_Р выводится следующим образом. Пусть исходная смесь состоит из 100 молей СО₂ и в момент равновесия достигнута степень превращения, равная Х*, %. Тогда состав смеси в момент равновесия следующий: 100 – Х* молей СО₂; 2Х молей СО; всего = 100 + Х молей. Парциальные давления компонентов:

= 2Х  Р_о / (100 + Х); (17)

= (100 – Х) Р_о/ (100 + Х), (18)

где Р_о– общее давление, атм.

Подставив уравнения (17) и (18) в уравнение (16), получим

К_Р= [2Х / (100 + Х)]²Р_о² / [(100 – Х)Р_о/ (100 + Х)] =

= 4Х²Р_о²/ (100²– Х²), (19)

отсюда ___________________ ____________________

Х = 10 000К_Р/ ( 4Р_оК_Р) = 10 000 / [( 4Р_о/ К_Р)+ 1]. (20)

В свою очередь, зависимость К_Рот температуры выражается следующим образом:

lgК_Р = – 8948 / Т + 2,467  lgТ + 2,772. (21)

Как вытекает из анализа уравнений (20) и (21), степень превращения будет повышаться при повышении температуры и понижении давления. Зависимость состава смеси от температуры в случае восстановления чистого СО₂при Р_о= 1 атм приведена в табл. 2.

Табл. 2. Зависимость равновесного состава смеси от температуры

Температура, К	Состав смеси, об. доля, %
	СО2	СО
723	97,8	2,2
933	60,2	39,8
1023	24,1	65,1
1123	5,9	97,1
1173	2,9	98,8
1273	0,9	99,1

3.1.2. Описание лабораторной установки и порядок выполнения работы

Схема установки по исследованию процесса восстановления СО₂приведена на рис. 3.

Процесс протекает в реакторе, который представляет собой кварцевую трубку, наполненную необходимым количеством угля. Реактор находится в вертикальной печи (9). Контроль и регулирование температуры в печи (9) осуществляется термопарой и регулирующим потенциометром (4). Наличие газа-носителя в линиях детектора контролируется манометрами. Концентрация СО₂в газовой смеси определяется с помощью хроматографа (10) и фиксируется самописцем потенциометра КСП-4. Расход газов (азот и диоксид углерода) регулируется вентилями, находящимися на соответствующих баллонах (1, 2). Расход СО₂контролируется ротаметром РС-3 (5) согласно калибровочным данным (6), находящимся на стенде.

ВНИМАНИЕ!! Не допускается попадание продуктов реакции в атмосферу лаборатории, т. к. оксид углерода (угарный газ) весьма опасен для здоровья.

Рис. 3. Схема лабораторной установки:

1 – баллон с азотом; 2 – баллон с диоксидом углерода; 3 – блок управления хроматографом; 4 – регулирующий потенциометр; 5 – реометр; 6 – калибровочный график; 7 – потенциометр; 8 – блок управления печью; 9 – печь с реактором; 10 – хроматограф; 11 – дозатор; 12 – блок управления хроматографом; 13 – склянка Дрекселя

Герметичность реактора контролируется с помощью поглотительной склянки Дрекселя (13). Загрузка реактора углям должна проводиться при безопасно низких температурах (< 200С).

Порядок выполнения работы

1) Вначале следует подать газ-носитель (азот) на детектор хроматографа. Для этого открывают вентиль на баллоне с азотом (1) и включают хроматограф (10).

2) После 30 мин прогревания хроматографа устанавливают на шкале потенциометра (4) заданную температуру и включают печь (9). По достижении заданной температуры открывают вентиль на баллоне с СО₂(2). Расход СО₂контролируется ротаметром (5). Включают самописец потенциометра.

3) После достижения заданной температуры ручками «грубо» и «точно», находящимися на передней панели хроматографа, устанавливают «ноль» на шкале потенциометра КСП-4, после чего берут контрольную пробу газа. Для этого ручку дозатора (11) нажимают до упора, удерживают ее в этом положении 5–7 с и возвращают в исходное состояние.

4) Опыт повторяют при другой температуре и расходе СО₂.

5) После окончания работы необходимо выключить нагрев реактора (рукоятка блока нагрева переводится в положение «выключено»), затем следует выключить самописец потенциометра и хроматограф. Перекрыть подачу газа-носителя на хроматограф (закрыть вентиль на баллоне (1)). После охлаждения печи до 473–573 К выключить регулирующий блок потенциометра и прекратить подачу СО₂. Обесточить установку.