热解煤生产乙炔的化学平衡计算及分析全解.ppt

热解煤生产乙炔的化学平衡计算及分析 王飞 郭文康 摘要 本文利用NASA的CEA（Chemical Equilibrium with Applications）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1800 k左右时，乙炔的浓度就不在有明显的上升趋势，在1750～2200 k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3300 k 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 二、计算方法 2．1 Gibbs自由能 2.2 热力学数据 2．3 Gbbis 迭代方程 3 计算结果及讨论 3.1 考虑和不考虑游离碳析出的情况 3.2 如果体系中氧的比例增加会对乙炔的产率有何影响  4 结论 参考文献 * 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（Chemical Equilibrium with Applications）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。 NASA的CEA（Chemical Equilibrium with Applications）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。 对于一千克由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 ………………2.9 2．9式同样给出了质量守恒限制条件 热力学方程的一般形式为 ………………2.10 ……2.11 温度范围为0.00 k～20000.00 k ，所有组份的标准态均定为298.15 k，1.0 atm 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。Descent Newton-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 ……………………2.15 在忽略摩尔百分比小于0.01％的可能产物的条件下，利用CEA（Chemical Equilibrium with Applications）程序计算1500.00 k～5000.00 k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3.01 1800.00 k，乙炔浓度达到最大值，此时热解气的组份 表3.01 求解表3.1中的物质在一个标准大气压下，温度从1000.0 k～5000.0 k，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