double arrow

Газовые разряды в среде паров воды


Особенностью плазмы паров воды является наличие процессов захвата электронов с образованием отрицательных ионов, и в тоже время, быстрое взаимодействие отрицательных ионов с продуктами распада исходных молекул, приводящих к отрыву электронов [81–85]. При этом наличие отрицательных ионов оказывает непосредственное влияние и на эффективный коэффициент диффузии электронов, являющийся функцией их относительной концентрации β = n-/ne. Очевидно, результат может зависеть от степени диссоциации молекул в плазме, т.е. ее плотности. При рассмотрении процессов, происходящих в плазме паров воды, необходимо учитывать наличие стабильных продуктов распада Н2 и О2, а также нестабильных ОН и Н.

О балансе отрицательных ионов из масс-спектроскопи­ческих измерений известно, что при столкновении электронов с молекулами Н2О образуются отрицательные ионы двух типов: Н и О [81]. В обычных условиях при столкновении образуются главным образом ионы Н. Однако, основной отрицательный ион — это ОН, который образуется в быстрых вторичных процессах.

Основные процессы образования и гибели отрицательных ионов в плазме паров воды представлены в таблице 1.2 [81].

Таблица 1.2

Основные процессы образования и гибели
отрицательных ионов в плазме паров воды

Реакции Константы скорости или сечение
Н2О + е → Н + ОН 5·1011 см3·с–1
Н2О + е → О + 2Н 1,3·1018 см2·с–1
Н + Н2О → ОН + Н2 Быстро
О + Н2О → ОН + ОН
О2 + е → О + О 1·10–18 см2
О2 + е + О2 → О2 + О2 1,4·10–29 см6·с–1
О2 + е + H2О→ О2 + H2О 1,4·10–29 см6·с–1
ОН+ Н → Н2О + е 1·109 см3·с–1
Н + Н → Н2 + е 1,3·10–9см3·с–1
Н + О2 → НО2 + е 1,2·10–9см3·с–1

 

Анализируя режим разряда в парах воды, необходимо учитывать ионизацию как исходных (невозбужденных) молекул Н2О, так и продуктов их распада Н2 и О2. В разряде в парах Н2О происходят процессы диссоциации Н2О → ОН + Н и ОН → О + Н [82–84]. Из-за протекания быстрой реакции О + ОН → О2 + Н количество атомов О и радикалов ОН в продуктах разряда в парах воды может быть незначительным. Однако, в некоторых условиях на выходе из разряда в Н2О возможно получить до 10 % радикалов ОН [85, 86]. Добавление к парам воды кислорода приводит к значительному увеличению концентрации гидроксилов на выходе из разряда [87]. Степень диссоциации воды в разряде может составлять 50–100 %.




Основными стабильными продуктами разряда при постоянном токе в парах Н2О при давлении 0,1–1,5 мм рт. ст. и силе тока 0,5–150 мА являются Н2 и О2. При малых токах степень диссоциации Н2О невелика, однако при увеличении тока происходит почти полная диссоциация.

Вследствие малой энергии связи НО–ОН (52 ккал/моль)
пары перекиси водорода легко диссоциируют по реакции Н2О2 → ОН + ОН даже в разряде малой мощности [88]. На выходе из разряда в Н2О2 определены НО2, ОН, О, Н, причем наибольшие концентрации радикалов НО2 наблюдаются при степени диссоциации Н2О2 от 5 до 30 %. Предполагается, что образование радикалов НО2 в разряде малой мощности происходит по реакции ОН + Н2О2 → НО2 + Н2О. На больших расстояниях от разряда основными продуктами являются НО2 и непрореагировавшая Н2О2, а также примеси Н2, О2 и Н2О.

Плазмохимическая конверсия углеводородов с водяным паром используется для получения синтез-газа (СО и водород) или водорода. В последнем случае, на выходе синтез-газа из реактора проводят каталитическую пароводяную конверсию монооксида углерода с получением дополнительного количества водорода и СО2 [89–91]. Начальная оптимальная температура плазмохимической конверсии углеводородов составляет 3200 К. Полная конверсия в синтез-газ достигает 95–97 %, затраты электроэнергии варьируются от 1,2 для природного газа до 1 кВт·ч/м3 для жидких углеводородов CnН2n+2. За счет частичной регенерации тепла отходящего синтез-газа эти затраты снижаются на 20 % — до 1 кВт·ч/м3 для метана и 0,8 кВт·ч/м3 для жидких углеводородов.



Отношение выходов водорода и СО — 3:1. При плазмохимической конверсии углеводородов с углекислым газом оно снижается до 1:1, а энергозатраты увеличиваются на 20 %. Для получения синтез-газа с соотношением Н/СО 2:1, оптимальным для синтеза метанола, можно использовать конверсию в смеси водяного пара с углекислым газом. Конверсия с водяным паром предпочтительна для получения водорода и восстановительных газов с минимальным количеством окислителя для металлургии. Оптимальный плазмохимический модуль имеет мощность 6–8 МВт и может производить 4000–7000 м3/ч синтез газа или водорода чистотой 93–95 %. Энергозатраты при этом в несколько раз ниже, чем при получении водорода электролизом воды [91, 92].

Заказать ✍️ написание учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Сейчас читают про: