Научная статья на тему 'Углекислотная конверсия метана в синтез-газ путем электрофизического воздействия'

Углекислотная конверсия метана в синтез-газ путем электрофизического воздействия Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
915
142
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МЕТАН / УГЛЕКИСЛОТА / РАЗРЯД / ПЛАЗМА / КОНВЕРСИЯ

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Касенова Жанар Муратбековна, Ермагамбет Болат Толеуханулы, Нургалиев Нуркен Утеуович, Абылгазина Лейля Даулетовна, Холод Андрей Владимирович

Исследована углекислотная конверсия метана в синтез-газ в плазме барьерного разряда, что позволило выявить специфику протекания реакций разложения метана и диоксида углерода в низкотемпературной плазме, реализации радикально-цепного механизма.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Касенова Жанар Муратбековна, Ермагамбет Болат Толеуханулы, Нургалиев Нуркен Утеуович, Абылгазина Лейля Даулетовна, Холод Андрей Владимирович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Углекислотная конверсия метана в синтез-газ путем электрофизического воздействия»

и внутри воздухозаборников летательных аппаратов при разрядах и лазерном облучении. Определены

минимальные уровни энергии необходимые для нарушения газодинамической устойчивости

авиационных двигателей при разных режимах их работы на низких высотах и дозвуковых скоростях.

Литература

1. Христофоров Б. Д. Параметры радиационных и газодинамических процессов воздушных, приземных и наземных взрывов зарядов массой до 1000 т // Физика горения и взрыва, 2014. Т. 50. № 1. С. 107-114.

2. Христофоров Б. Д. Моделирование газодинамических процессов при грозах мощными электрическими разрядами // Физика горения и взрыва, 2010. Т. 46. № 1. С. 14-19.

3. Христофоров Б. Д. Моделирование параметров молнии и грома мощным электрическим разрядом и излучением // Академический журнал Западной Сибири, 2013. Т. 9. № 5. С. 116-120.

4. Соловьев В. О., Христофоров Б. Д. Моделирование воздействия рентгеновского излучения на ячеистую структуру камеры ЯЭУ // Атомная энергия, 2008. Т. 105. №1. С. 32-38.

5. Khristoforov B. Investigation of shock wave parameters at explosives blasts in the tubes with air // Universal journal of engineering science, 2013.№ 2. P. 28-33.

6. Khristoforov B. The Study of Large Plastic Deformation and Fracture of Plates by Blast of Explosives in the Tubes // Universal Journal of Engineering Science, 2014. № 2. P. 49-53.

7. Соловьёв В. О. Факторы, влияющие на кпд многоимпульсных взрывных устройств с отражателями // Проблемы машиностроения и автоматизации, 2002. № 3. С. 50-55.

8. Рождественский В. Б., Христофоров Б. Д., Юрьев В. Л. Влияние состава продуктов на радиационные характеристики взрыва ВВ в воздухе // Физика горения и взрыва, 1989. № 5. С. 145-148.

9. Адушкин В. В., Гарнов В. В., Дивнов И. И., Христофоров Б. Д. и др. Моделирование эволюции газо -пылевого облака, вызванное ударами астероидов и комет // ДАН РФ. 332: (1). С. 85-88. Сентябрь, 1993.

10. Броуд Г. Гидродинамика взрывов // Расчеты взрывов на ЭВМ. М.: Мир, 1976.

11. Гельфанд Б. Е., Сильников М. В. Барометрическое действие взрывов // СПб. Издательство Астерион, 2006.

Углекислотная конверсия метана в синтез-газ путем электрофизического

воздействия

Касенова Ж. М.1, Ермагамбет Б. Т.2, Нургалиев Н. У.3, Абылгазина Л. Д.4, Холод А. В.5

'Касенова Жанар Муратбековна /Kasenova Zhanar Muratbekovna — магистр техники и технологии,

заместитель директора;

2Ермагамбет Болат Толеуханулы / Yermagambet Bolat Toleukhanuly - доктор химических наук, профессор,

директор;

3Нургалиев Нуркен Утеуович /Nurgaliyev Nurken Uteuovich - кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник; 4Абылгазина Лейля Даулетовна /Abylgazina Leila Dauletovna - бакалавр техники и технологии,

младший научный сотрудник; 5Холод Андрей Владимирович /Kholod Andrey Vladimirovich - бакалавр техники и технологии,

младший научный сотрудник, Институт химии угля и технологии, г. Астана, Республика Казахстан

Аннотация: исследована углекислотная конверсия метана в синтез-газ в плазме барьерного разряда, что позволило выявить специфику протекания реакций разложения метана и диоксида углерода в низкотемпературной плазме, реализации радикально-цепного механизма. Ключевые слова: метан, углекислота, разряд, плазма, конверсия.

В настоящее время выполнено много экспериментальных и теоретических исследований конверсии метана путем электрофизического воздействия в разных видах разряда (барьерный, коронный, искровой и др.) и при воздействии непрерывного и импульсного электронного пучка. Это позволяет выявить специфику протекания реакций разложения метана в низкотемпературной плазме, реализации цепного механизма. Наиболее перспективным способом осуществления конверсии метана является сочетание процессов окисления метана кислородом, паровой и углекислотной конверсии метана [1]. Комбинация двух или трех видов окислительной конверсии метана может привести к повышению

эффективности использования сырья, улучшению теплового баланса и позволяет корректировать состав синтез-газа. Добавка СО2 к смеси СН4+Н2О позволяет оптимизировать состав получаемого синтез-газа в соответствии с составом, необходимым для дальнейшей его переработки.

Реакции термического крекинга нормальных алканов протекают обычно при высоких температурах, для паров гептана, например, 800-900 К [2]. При низких температурах, когда термическое инициирование реакции не происходит, при радиационном облучении возникают активные центры - свободные радикалы, которые могут начать цепную реакцию крекинга углеводородов. Взаимодействие радикалов, содержащих малое число атомов углерода, с исходным углеводородом - ярко выраженный цепной процесс, инициирование его происходит радикалами, образованными за счет излучения. Такая цепная реакция будет проходить на 150-200 градусов ниже температуры обычного термического процесса с той же удельной скоростью, так как излучение облегчило наиболее энергоемкую стадию - термическое инициирование. Низкие энергозатраты получены также при пиролизе природного газа (93,4% метан) непрерывным электронным пучком (0.5 МэВ, 80 мА). При мощности в пучке 40 кВт, расходе газа 1000 м3/час за 3,5 часа получена конверсия смеси газофазных углеводородов на 2,8%. Давление смеси газов 0,13 МПа. Энергозатраты непрерывного электронного пучка на разложение одной молекулы метана равны 0.9 эВ. Авторы отмечают увеличение средней мольной массы природного газа в процессе облучения.

Наиболее изучен и технологически отработан плазмохимический процесс синтеза ацетилена при пиролизе метана в плазме дугового разряда постоянного тока [3, 4]. Процесс синтеза протекает в равновесных условиях. В работе [3] показано, что в экспериментальных условиях (температура 2000°С, степень конверсии метана 100%, селективность по ацетилену 98.5%) энергозатраты могут составлять 2 эВ/молекулу СН4, на проведение реакции: 2СН4 + 3,6 эВ = С2Н2 + 3Н2.

В работе [5] выполнено сравнение эффективности конверсии метана в смеси с углекислым газом в плазме барьерного разряда при использовании высоковольтного генератора переменного напряжения (10 кВ, 2-20 кГц) и импульсного генератора (10 кВ, 2-40 кГц). Биполярный генератор обеспечивал более эффективную конверсию метана. Селективность синтеза СО составляла 55 -68% при отношении Н2/СО = 1,03-1,06. Паровая конверсия метана с добавлением кислорода широко используется в производстве синтез-газа, позволяя снижать энергозатраты и варьировать состав синтез-газа (отношение Н2/СО). Результаты исследования углекислотной конверсии природного газа в скользящем дуговом ^Ц&^агс) разряде переменного тока представлены в работе [6]. Добавление кислорода в смесь (СН4+С2Н6+С3Н8+СО2) при 75% содержании углеводородов в исходной смеси снизило энергозатраты на разложение исходных молекул с 19,4 до 14.3 эВ/молек. Энергозатраты на получение водорода при этом уменьшились с 32 до 19,4 эВ/молек. В работе [2] описаны исследования плазмохимической конверсии метана в смеси с водой и воздухом, выполненные на плазматроне мощностью 3.5 кВт.

Нами были проведены экспериментальные работы в плазме барьерного разряда конверсии газа, содержащего СН4, СО2 в углеводороды в проточном реакторе в жидкой фазе при атмосферном давлении, при этом сырье подвергается в реакторе действию электрического разряда, который инициирует электроны импульсного разряда, причем напряженность электрического поля в разряде составляет 5-10 кВ/см, а удельная энергия в импульсе 1-2 Дж/см3. Схема приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Плазмокаталитическая установка с барьерным разрядом

В процессе работы применялся высокочастотный генератор, который обладал следующими характеристиками: мощность источника на выходе - 300 Вт; амплитуда импульсного напряжения до 10 кВ. Исходная газовая смесь и состояла из СН4, СО2 и поступала из смесителя со скоростью 20 мл/мин в плазмокаталитический реактор. Продукты, образовавшиеся в результате воздействия разряда из исходной газовой смеси, поступали в холодный сепаратор, где происходило разделение жидкой и газовой фазы. Газ из пробоотборника поступал на газовый хроматограф для анализа. Анализ продуктов плазмохимической конверсии проводили на хроматографе Кристаллолюкс - 4000 М.

Указанный технический результат достигается выбором оптимальной величины напряженности электрического поля и удельной энергии в импульсном разряде исходя из условий оптимальной передачи энергии электрического в колебательные уровни молекул газовой смеси (5-10 кВ/см, 1-2 Дж/см3) для получения синтез-газа с минимальными затратами (таблица 1).

Таблица 1. Результаты плазмохимической конверсии метана в синтез-газ

№ опыта Соотношение (СН4 + СО2) Поток газа, (л/мин) Удельная энергия в разряде (Дж/см3) Величина подаваемого напряжения (кв/см) Степень конверсии в синтез-газ

1 1 1 20 1,0 5 21,5

2 1 1 20 1,0 6 36,5

3 1 1 20 1,0 7 40,5

4 1 1 20 2,0 8 59,5

5 1 1 20 2,0 9 67,2

6 1 1 20 2,0 10 73,4

При этом возможно протекание следующей реакции в неравновесных условиях: углекислотная конверсия метана в синтез-газ в низкотемпературной плазме электрического разряда:

СН4 + СО2 + 10 эВ/молек ^ 2СО + 2Н2 - 59,1 ккал Протекание реакции проходит по радикально-цепному механизму через образования возбужденных элементарных частиц под воздействием электроимпульсного разряда, за счет которых достигается высокая степень конверсии. Если обозначить через R радикал СН3, а через е - электроны импульсного разряда, то цепные процессы, протекающие в плазме такого разряда, можно записать следующим образом. Инициирование цепи протекает по реакции:

е + СН4 + СО2 ^ СН3 +Н + СО +О ^ 2СО + 2Н2 - 59,1 ккал Высокая конверсия углеводородов в реакторе (до 73,4%) и низкие энергозатраты на получение сингаза (~1 кВтчас/кг), наблюдаемые в эксперименте подтверждают, что энергия активации процесса меньше, чем в условиях коронного разряда. В связи с этим использование низкотемпературной плазмы электрического разряда снимает все недостатки традиционной технологии и положит основу новой технологии для создания промышленного предприятия газохимической отрасли Казахстана.

Литература

1. АрутюновB. C., Крылов О. В. Окислительные превращения метана. М.: Наука, 1998. 361 с.

2. Радиолиз углеводородов. Некоторые физико-химические проблемы / Под ред. Топчиева А. В., Полака Л. С. М.: Изд-во АН СССР, 1962. 208 с.

3. Fincke J. R., Anderson R. P., Hyde T. et al. Plasma thermal conversion of methane to acetylene // Plasma Chemistry and Plasma Processing, 2002. V. 22. № 1. P. 107-138.

4. Czernichowski A. Glid arc assisted production of H2 from CH4, CO or H2S // Proc. Of International Symposium Hydrogen Power. Theoretical and Engi-neering Solutions. St.-Petersburg. Russia, 1999. Р. 42-45.

5. Song H. K., Lee H., Choi J.-W. et al. Effect of electrical pulse forms on the CO2 reforming of methane using atmospheric dielectric barrier discharge // Plasma Chemistry and Plasma Processing, 2004. V. 24. № 1. P. 57-72.

6. Chavadej S., Rueangjitt N., Sreethawong T. Reforming of CO-containing natural gas with partial oxidation using an AC gliding arc system // Proc. 18th Intern. Symp. on Plasma Chemistry. Kyoto: Japan Society of Applied Physics, 2007. Р. 64-67.

Эффективность использования кавитационного диспергирования угольной суспензии для получения гуминовых удобрений Ермагамбет Б. Т.1, Нургалиев Н. У.2, Касенова Ж. М.3, Зикирина А. М.4,

Абылгазина Л. Д.5

'Ермагамбет Болат Толеуханулы / Yermagambet Bolat Toleukhanuly — доктор химических наук, профессор,

директор;

2Нургалиев Нуркен Утеуович /Nurgaliyev Nurken Uteuovich — кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник;

3Касенова Жанар Муратбековна /Kassenova Zhanar Muratbekovna — магистр техники и технологии,

заместитель директора;

4Зикирина АйнурМухаметжановна / Zikirina AinurMukhametzhanovna — магистр физических наук, преподаватель, кафедра химии и физики, факультет компьютерных систем и программного обеспечения;

5Абылгазина Лейля Даулетовна /Abylgazina Leila Dauletovna — бакалавр техники и технологии,

младший научный сотрудник;

Институт химии угля и технологии, г. Астана, Республика Казахстан

Аннотация: в статье описана эффективность использования кавитационного диспергирования путем воздействия мощным ультразвуковым излучением на угольную суспензию (смесь бурого угля и водного раствора калийной щелочи) для получения гуминовых удобрений с высоким содержанием гуминовых кислот.

Ключевые слова: бурый уголь, кавитационное диспергирование, ультразвуковое излучение, гуминовые кислоты, гуминовое удобрение.

Гуминовые вещества (гуминовые и фульвовые кислоты) являются результатом естественного преобразования органической материи. По степени воздействия физиологически активными являются лишь соли (гуматы), образуемые гуминовыми кислотами со щелочными металлами - калием, натрием, аммонием. К примеру, в бурых углях содержится от 4,5 до 50% гуминовых веществ в расчете на органическую массу угля (ОМУ). Считается, что с содержанием гуминовой кислоты не менее 30% на ОМУ угли пригодны для получения из них качественных гуминовых удобрений [1].

В настоящее время в мире существуют различные технологии активации гуматсодержащих веществ (уголь, торф, сапропель, навоз и др.) для получения гуминовых удобрений, способствующих улучшению питательных свойств почвы и активно влияющих на рост растений. Это термохимические, биохимические технологии, а также технологии с применением электрофизического воздействия (электрогидравлическим разрядом, ультразвуковым полем и др.) или комбинации обоих технологий [2]. Однако термохимические и биохимические способы выделения гуминовых веществ не достаточно эффективны, к тому же требуют значительных энергетических и материальных затрат.

Воздействие высоких энергий и эффективное диспергирование, реализуемое в дезинтеграторах (электромагнитных и др.), может приводить к увеличению выхода гуминовых кислот более чем на 30%. В этих условиях существенный вклад оказывает время нахождения обрабатываемого материала в рабочей зоне аппарата [3].

Угли с малым содержанием гуминовых веществ (менее 30% на ОМУ) требуют дополнительных

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.