Технология переработки природного газа и конденсата - Афанасьев А.И.
ISBN 5-8365-0107-6
Скачать (прямая ссылка):
462
При практической реализации плазмохимических процессов на первый план выступает проблема минимизации энергозатрат на получение полезного продукта. Для химических процессов в газоразрядных системах, в которых на начальной стадии - при разогреве реагирующих веществ - не развиваются процессы, ведущие к созданию сильной неравновесности, существует возможность сравнительно простого анализа энергобаланса системы на основе термодинамического расчета степени конверсии (степени превращения реагентов в продукты), а также равновесного состава компонентов системы в зависимости от энергии.
В настоящей работе описанный подход был использован для анализа процесса диссоциации сероводорода и его смесей с водородом и азотом, что имеет практический интерес в случае проведения диссоциации в электродуговой плазмохимичес-кой системе. Расчеты выполнялись по известной методике [171, 87]. Эффективное разложение сероводорода происходит при температуре выше 1500 К, столь высокая температура достигается при плазменном нагреве газа. Преимущества проведения процесса диссоциации сероводорода в плазмохимичес-кой системе - высокая скорость осуществления процесса и, следовательно, высокая удельная производительность такой системы (рис. 4.104). Все дальнейшие результаты приведены в предположении идеальной закалки (рис. 4.105).
Рассмотрим зависимость степени конверсии чистого сероводорода и удельных энергозатрат E на получение водорода от удельного энерговклада / в исходный сероводород и давления (рис. 4.105). Левая ветвь кривых энергозатрат соответствует низким температурам, при которых термодинамическое равновесие смещено в направлении исходного сероводорода и диссоциация незначительна. Поскольку водород и сера являются конечными продуктами реакции разложения в области правой ветви степень конверсии стремится к 100 %, а энергозатраты - к прямой E = J, при этом происходит неэффективный разогрев продуктов реакции и их диссоциация на атомы (см. рис. 4.104). Оптимальной организации процесса соответствует область минимальных энергозатрат. Повышение давления приводит к снижению степени конверсии и росту энергозатрат, что соответствует качественному термодинамическому выводу для реакции, идущей с увеличением объема. Минимум энергозатрат составил для давления 10"*, 10° и 4-Ю3 Па соответственно 2,18 кВт-ч, 2,45 кВт-ч и 2,76 кВт-ч на 1 м3 образовавшегося водорода при удельных энерговкладах в 1 м3 исходного сероводорода соответственно 1,6 кВт-ч, 1,76 кВт-ч и
463
0 1 23J кВт-ч
' м3 H2S
Рис. 4.104. Зависимость равновесной концентрации продуктов разложения сероводорода от температуры T и удельного энерговклада J
1,90 кВт-ч В исследованном интервале давлений степень конверсии при минимуме энергозатрат близка к 70 %
При осуществлении процесса диссоциации в электродуговой плазмохимической системе сероводород не нагревается непосредственно в газовом разряде, а смешивается с предварительно нагретым в разряде газом - теплоносителем Выполнены расчеты для случая использования в качестве газа - теплоносителя водорода и азота Выбор водорода в качестве теплоносителя предствляется логичным, так как отпадает необходимость в его дальнейшем удалении из продуктов реакции Однако, с другой стороны, водород представляет собой продукт реакции диссоциации и, как следует из термодинамики, смещает равновесие в направлении исходного сероводорода Влияние разбавления сероводорода водородом видно из сравнения
464
Е,-М_ j кВтч
мол. H '—
м*Н
10
•>ь»
TT-KgX;4-
эВ
^Гя рігиЛ» Зависимость Удельных энергозатрат E от удельного їЖерговклада J ^ lT5 Па) "^° ( } " идеальн°й (2) закалки. (Чистый сероводород при
рис 4.107 и 4.108. На рис 4.107 представлены ^g™™ расчета разложения сероводорода в присутствии ъО ? ^ соотношении H2S : H2 = 2 : 1 и давлениях 10 и |^вЫшение сравнению с чистым сероводородом происходит ^ ^ минимума энергозатрат, который составляет 2,64 ч/ } р = 10? Па и 3,14 кВт-ч/м3 H2 при р = Ю5 Па. Hp*^ 104 и 105 Па степень разложения при минимуме a^ePluJ и составляет соответственно 78 и 70 %¦ пои
Были проведены расчеты разложения сероводород разбавлении последнего азотом. Проведение проце аЗОТОВО-ной плазменной струе позволит получать на выхс^\ 0бразом, дородную смесь - сырье для синтеза аммиака. TaK*f азоТа Нет и в случае использования в качестве теплоносителе Кроме необходимости отделять азот от продуктов реакіі _
того, азот является инертным по отношению к Ре ав_
ложения сероводорода, т е. разбавление азотом с^ ^ 108) новесие реакции в направлении продуктов (см. рис. 30 - 2364
465
а, % WO
75 50 25
О
кВт-ч
р = 10і Па
Iff *¦ ///410і
/// 4
Mr s і і
3 4 кВт •4
J,
M3H2S
Рис. 4.106. Зависимость степени конверсии чистого сероводорода а и энергозатрат E на получение водорода от энерговклада /
кВт-ч
ж кВт-ч J' M3H2S
Рис. 4.107. Зависимость степени конверсии а и энергозатрат E от энерговклада J для смеси H2S : H2 =» 2 : 1
Разбавление азотом также приводит к росту минимума энергозатрат, однако не столь значительному как в случае с водородом. Уменьшение концентрации азота снижает минимум энергозатрат и повышает степень разложения. Для случая H2S : N2 = 2 : 1 минимум энергозатрат составляет 2,48 и
