Поиск
  • Гречкин Сергей

Физико-химические процессы в установках УВАП

Основной физико-химический процесс быстрого абляционного пиролиза – быстрый нагрев органического вещества без доступа кислорода. Измельчение сырья до порошкообразной массы позволяет провести полный нагрев частицы до температур порядка 1000˚С в короткий (несколько секунд) промежуток времени. Весь процесс сопровождается нехваткой кислорода (отсутствует прямая связь с атмосферным воздухом) и небольшим содержанием воды (низкая влажность сырья).

Процесс можно условно разделить на 4 этапа:

· первичный нагрев до 150-350 ˚С и деструкция твердого вещества

· этап низкотемпературного нагрева - нагрев до 350-600 ˚С, образование метана и жидких фракций

· этап высокотемпературного нагрева – нагрев до 600-950 ˚С, распад жидкой фракции, вторичные реакции.

· Перегрев сингаза и распад смол.


Этап первичного нагрева

Основная первичная реакция – разложение исходных углеводородов CnHm . Реакции протекают с образованием водорода H2, алканов CnH(2n+2) , олефинов CnH2n и паров воды H2O, объем которых определяет влажность исходного сырья.

При этом легкие летучие фракции и распавшийся углерод образуют такие газы как CO, CO2, а так же свободный углерод С.

CnHm→ CnH(2n+2)+ CnH2n+ H2O+Сm+ H2+CO+CO2

Реакции носят эндотермический характер (необходим внешний подвод тепла для их продолжения)


Этап низкотемпературного нагрева

Деструкция основного органического вещества продолжается с поглощением тепла, однако начинают протекать вторичные реакции распада образовавшихся углеводородов с выделением тепла.

При достижении температур 350-600 ˚С максимизируется выход жидкой фракции. Преобладают длинные цепочки углеводородов (n=5-50). Высокая доля выхода парафинов (n=18-35), ароматических углеводородов (бензолы) и смол. В свою очередь, жидкие фракции распадаются на более простейшие.

Пример деструкции жидкой фракции:

C16H34 (гексадекан)→ C8H18 (октан)+ C8H16 (октен)

C8H18→ C4H10 (бутан)+ C4H8 (бутен)

C4H10→ C2H6 (этан)+ C2H4(этилен)

C4H10→ C4H8+H2

C4H10→ C3H6+CH4 (метан)

Вторичные реакции углерода, водорода и угарного газа протекают относительно медленно и приводят к образованию метана:

С + 2Н2 → СН4

СО + 3 Н2 → СН4 + Н2О

2С + 2Н2О →СН4 + СО2

Другие вторичные реакции:

СО + Н2О →Н2 + СО2

2С + О2 → 2СО

На втором этапе наступает условный баланс между эндотеримическими и экзотермическими реакциями. Внешний подвод тепла отсутствует или незначительный.


Этап высокотемпературного нагрева

При дальнейшем увеличении температуры до 600-1000 ˚С цепочки жидких углеводородов и тяжелых газов распадаются. Экзотермические реакции при деструкции жидкостей преобладают над эндотермическими.

Пример реакции, которая протекает преимущественно при 600-1000˚C:

C2H6 (этан)→ C2H2 (ацетилен) + 2H2

При дальнейшем повышении температуры до 1000 ˚С распадаются цепочки уже полученных более простых соединений на простейшие. В свою очередь, преобладают вторичные реакции преобразования молекул C, CO, CO2, H2 и CH4.

Примеры:

С + СО2 ↔ 2СО, реакция обратимая, при низком давлении смещается вправо, при температуре >700 ˚Cсмещается вправо

С + Н2О → СО + Н2

С + 2 Н2О → СО2 + 2 Н2 Реакция протекает при 800-1000 ˚C

2С + О2 → 2СО

Реакции разложения метана:

CH4+H2O→CO+3H2 при недостатке H2O практически не протекает

CH4+CO2→2CO+2H2 протекает медленно


Перегрев сингаза и распад смол

При температурах выше 900 ˚С наблюдаются эффект быстрого распада смол на более простые органические соединения. Объемы распавшейся смолы напрямую зависит от времени перегрева. Для распада 95-98% смол достаточно 1,5 секунд перегрева газа. Дальнейшее температурное воздействие приведет к полному очищению сингаза от смол, однако приведет к распаду метана так же, это нецелесообразно.

Примеры смол, которые распадаются при высокотемпературном воздействии:

C10H8 – нафталин, C11H10 – 1-метилнафталин, C11H10 – 2-метилнафталин, C12H12 – 1-этилнафталин, C12H12 – 1,6-диметилнафталин

Выводы о результатах процессов в реакторе УВАП:

Таким образом, при воздействии на обезвоженное мелкодисперсное органическое вещество температурой до 1000 ˚С в течение 3 секунд образуется:

· пиролизный кокс:

Cn + примеси – связанный углерод, остаток непрореагировавшего углерода и минеральные компоненты исходного вещества. Объем минеральных компонентов определяется исходным химическим составом сырья

· пиролизная жидкость:

остатки нераспавшейся жидкости CnH(2n+2)+ CnH2n + примеси. Могут быть подвергнуты вторичной деструкции до газа и твердого вещества.

· пиролизный газ (сингаз):

образовывается при первичной деструкции и вторичных реакциях, состоящий из

H2, СO и CH4 примерно в равных пропорциях. Метан образуется в большей степени при температурах до 600˚С и распаде жидкости, не успевает разложиться на водород и угарный газ из-за отсутствия H2O на этапе высокотемпературного нагрева и малого времени нахождения в реакторе. После перегрева сингаз очищается от смол.

Дополнительные примеси в газе – горячие пары остатков пиролизной жидкости и твердые частицы углерода.

234 просмотра0 комментариев

Недавние посты

Смотреть все