热解煤生产乙炔的化学平衡计算及分析

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1、热解煤生产乙炔的化学平衡计算及分析摘要本文利用NASA的CEA（ChemicalEquilibriumwithApplications）程序对高温裂解煤条件下的热力学平衡进行研究。通过计算表明，在不考虑游离碳析出的条件下，当温度上升到1800k左右时，乙炔的浓度就不在有明显的上升趋势，在1750～2200k之间基本保持不变；如果考虑游离碳的析出时，乙炔的浓度会明显下降，并且到达乙炔浓度最大值时所需温度会上升到3300k左右。倘若混合物中氧的比重增加会导致乙炔浓度下降。一、导言乙炔是一种重要的工业原料，由它可以衍生出成千上万的化工产品，在化工领域

2、占有相当重要的地位。以前主要是依靠电石水解的方法制乙炔，这种工艺流程长，能耗高，而且会对环境造成严重的污染。目前主要采用石油裂解烯烃的办法生产乙炔，但是石油价格比较高，而且石油的世界储备量远远少于煤。所以高温热解煤制乙炔的办法越来越受到世人的重视。由于等离子体技术具有高温，高焓，气氛可控等特点，等离子体技术在近十年来被广泛的应用于化工领域，利用等离子体技术产生高温热解煤粉制乙炔具有流程短和洁净转化等优点，在成本上也可以和传统工艺竞争，是高效洁净利用煤的一种技术。所以等离子体热解煤获取乙炔成为一种很有前景的方案，许多发达国家，如美，德，日，英等都

3、做了大量的研究工作并取得了一些进展。我们实验室承担了等离子体热解煤生产乙炔的部分工作，为了有效的得到乙炔气体，本工作针对等离子体热解煤制乙炔工艺，利用NASA的CEA（ChemicalEquilibriumwithApplications）程序，求解不同温度条件下，复杂体系多组分化学反应平衡，从而确定使乙炔产率最高的反应条件，并就计算结果进行探讨。二、计算方法NASA的CEA（ChemicalEquilibriumwithApplications）程序是利用求体系的最小Gibbs自由能的方法确定体系的化学平衡的。2．1Gibbs自由能对于一千克

4、由NS种物质组成的混合物的Gibbs自由能g可由下式给出………2.1为一千克混合物种第j种物质的摩尔数每摩尔j物质的化学势为对于理想气体对于固体或液体当体系处于化学平衡时，按照质量守恒定律，体系中的摩尔数守恒，其数学表达式为或其中为一千克混合物中第i种元素的莫尔数；为给定的一千克混合物中第i种物质的莫尔数；为第j种物质中第i种元素的摩尔数；为混合物中第i种元素的千克摩尔数如果定义其中为Lagrangian因子。那么平衡条件可写为………2.7把和看作独立变量则可得………………2.8………………2.92．9式同样给出了质量守恒限制条件2.2热力学数

5、据热力学方程的一般形式为………………2.10……2.11温度范围为0.00k～20000.00k，所有组份的标准态均定为298.15k，1.0atm2．3Gbbis迭代方程方程为了实现化学组份的平衡，需要用迭代的方法实现。为了便于计算，将n作为独立的参量。DescentNewton-Raphson迭代的方法常常被用来对初始的估计值作修正。修正参量有（j＝1，2，……NG）,(j=NG+1,……NS),,,和。由2.8和2.9式可得(j=1,2…NG)……2.12(j=NG+1,…NS)………2.13(k=1,2…)……2.14……………………2

6、.153计算结果及讨论在忽略摩尔百分比小于0.01％的可能产物的条件下，利用CEA（ChemicalEquilibriumwithApplications）程序计算1500.00k～5000.00k温度范围体系的平衡组份。我们用的煤裂解气体的组份参数是俄罗斯人提供的实验数据，见表3.011800.00k，乙炔浓度达到最大值，此时热解气的组份表3.013.1考虑和不考虑游离碳析出的情况求解表3.1中的物质在一个标准大气压下，温度从1000.0k～5000.0k，体系处于平衡态时，考虑和不考虑游离碳的析出时，乙炔的摩尔百分比浓度，见图3.1和图3.

7、2。忽略掉摩尔百分比小于0.01％，主要有以下生成物：CH4；*CO；C2H2,acetylene；C2H；C2H4；C4H2,butadiyne；C6H6；*H；HCN；HNC；*H2；CO2；H2O(cr)以及游离碳成份*C；*C3；*C4；*C5；C(gr)。图3.1和图3.2中最大值处的几个数据点见表3.1和表3.2考虑游离碳析出表3.1不考虑游离碳析出表3.2从以上计算得到的数据我们可以很明显地看到，考虑游离碳析出的情况与不考虑游离碳析出的情况相比，后者对实际生产更具有意义，不但达到乙炔浓度最大值的温度远远低于前者，而且乙炔的浓度的最

8、大值也高于前者。前者达到最大浓度的温度范围在3200～3500k，最大值在7％左右；后者在1750～2400k之间达到最大浓度，并且最大值在11％左右