1.5.3. Взаимодействие углерода с водяным паром

Водяной пар взаимодействует с углеродом в соответствии с двумя реакциями:

(1) С+Н₂О = СО+Н₂; =131,7 кДж (31465 кал)

(2) С+2Н₂О = СО₂+2Н₂; =98,9 кДж (21710 кал)

Эти реакции проходят одновременно. Поэтому, кроме водорода и водяного пара, в равновесной газовой фазе присутствуют оба оксида углерода (СО и СО₂). Однако, относительное развитее каждой из этих реакций зависит от температуры. При повышении температуры выход СО увеличивается по сравнению с СО₂. Таким образом, при высокой температуре первая реакция получает большее развитие. В этом случае равновесная газовая фаза содержит больше монооксида углерода.

Влияние температуры на сдвиг равновесия этих реакций также связанно с величиной и знаком их тепловых эффектов. Тепловой эффект первой реакции больше, чем для второй. Поэтому температура сильнее влияет на сдвиг равновесия первой реакции. В результате газовая фаза обогащается СО.

Поскольку газовая фаза для этих реакций включает те же компоненты, что и реакция водяного газа, равновесие:

Н₂О + СО = Н₂ + СО₂

также должно иметь место в этой системе. Кроме того, должно иметь место и равновесие реакции газификации углерода:

СО₂ + С = 2СО

Общее равновесие в системе будет иметь место только в том случае, когда все частные реакции находятся в состоянии равновесия.

Это сложное равновесие можно представить схематически в следующем виде:

Присутствие твердого углерода в системе приводит к тому, что равновесный состав газовой фазы для реакции водяного газа уже не может быть произвольным.

Соотношение между СО и СО₂ должно соответствовать константе равновесия реакции газификации углерода:

СО₂ + С = 2СО;

Таким образом, величина отношения для реакции водяного газа становится вполне определенной. В связи с этим, величина отношения также становится определенной. Поэтому, в присутствии твердого углерода, равновесие реакции водяного газа характеризуется строго определенным составом газовой фазы.

Чем выше температура, тем больше отношение СО/СО₂ и соответственно, больше величина отношения .

Когда температура достаточно велика, равновесная газовая фаза для реакции водяного газа в присутствии твердого углерода характеризуется очень большой величиной . Это значит, что газовая фаза содержит практически только СО и Н₂. При этих условиях вторая реакция С+2Н₂О = СО₂+2Н₂ практически не происходит. Кислородный потенциал такой газовой фазы – низкий.

Понижение давления в системе вызывает сдвиг равновесия реакции СО₂ + С = 2СО в направлении образования большого количества СО. Это ведет к увеличению отношения СО/СО₂, то есть к увеличению величины и соответственно к увеличению величины . Таким образом, понижение давления влияет на равновесие этой системы так же, как и повышение температуры.

На практике водяной пар иногда вводится в горн доменной печи вместе с дутьем. В этом случае, в связи с очень высокой температурой в горне доменной печи, взаимодействие Н₂О с углеродом кокса происходит только по реакции С+Н₂О = СО+Н₂ и водяной пар полностью превращается в водород.