![]() |
|
|
Введение в водородную энергетикумом режиме, так же как и в предыдущем случае, зависит от длины цепи. При Ге=3 эВ и ??= 10 он составляет около 50, а в отсутствие цепного процесса — около 15%· Зависимость 10* Н7 Рис. 5.2. Эффективность процесса диссоциативного прилипания в зависимости от длины цепи эффективности процесса диссоциативного прилипания от длины цепи показана на рис. 5.2. При энерговкладе 1 эВ на 1 молекулу и ?=50 % относительный выход водорода составляет около 20 %· Таким образом, несмотря на различные механизмы процессов разложения воды колебательным возбуждением и диссоциативным прилипанием энергетическая эффективность и относительный выход водорода для этих процессов в рассмотренных режимах оказываются близкими. Различие сводится лишь к характеру зависимости КПД и выхода продукта от параметров разряда, в частности при Ev Плазмохимическое разложение С02 и получение СО Этот процесс осуществляется в неравновесных ВЧ- и СВЧ-разрядах при давлениях 3—600 гПа в стационарном проточном режиме. При этом достигается высокая степень неравновесности — до Те/Т0ж30. Экспериментальные исследования процессов разложения СО2 в неравновесной плазме при Ге^1-н-2 эВ и Го <0,1 эВ [83, 89, 91, 96] показывают, что процесс осуществляется диссоциацией через колебательно-возбужденные состояния реагентов и определяется последовательными стадиями колебательного возбуждения молекул С02 электронным ударом, заселением высоковозбужденных состояний благодаря yv-релаксации и реакциями с участием С02*. Суммарный процесс СО?-*СО+— 0„ ?<2 = 2,89 эВ на молекулу СОг (5.18) является результатом элементарных реакций С02* + С02*->СО + 0 + С02; (5.19) 0 + С02*->С0 + 02. (5.20) При колебательном возбуждении С02 атомарный кислород быстрее вступаете реакцию (5.20), чем втрехчастич-ную рекомбинацию. Релаксационные потери, кроме взаимодействия С02*—СОг, могут быть связаны с релаксацией на атомах кислорода, однако в силу малости концентрации атомарного кислорода эти эффекты, по-видимому, несущественны. Энергетическая эффективность разложения СОг может снижаться благодаря вкладу обратных реакций СО и 02, в особенности при повышенных значениях Го. Пороговые значения Г0макс, вплоть до которых вклад этих процессов относительно невелик, превышают, однако, значения Т0, реализуемые в установках для плазмохимического разложения С02, поскольку СО и 02 реагируют в основном по разветвленному цепному механизму. В связи с этим вклад обратных реакций вплоть до Г0^800 К относительно невелик. В связи с тем что скоростная константа колебательного возбуждения молекул С02 электронным ударом близка к kev^ (1-7-3) Ю-8 см3-с-' при Ге« 1-7-2 эВ, что существенно выше, чем для молекул Н20, а скорость релаксации этих возбуждений для молекул СОг существенно ниже, чем для Н20, для СОг требования к необходимой степени ионизации rie/H-o^lO^-MO"5 оказываются значительно менее жесткими, чем для НгО. Экспериментальные исследования и теоретические оценки показывают, что разложение С02 через колебательно-возбужденные состояния может быть проведено с высокой энергетической эффективностью (до 80% и более при Г0^=300 К) в неравновесной слабоионизи-рованной плазме ВЧ- и СВЧ-разрядов. На рис. 5.3 представлена зависимость энергетической эффективности разложения (КПД разложения) молекул С02 от степени ионизации, а на рис. 5.4 — от удельного энерговклада по данным [96]. Наиболее эффективно процесс диссоциации С02 может быть проведен в СВЧ-разря-де повышенной мощности (до нескольких мегаватт) в сверхзвуковом газовом потоке. При этом оказывается возможным поднять давление на выходе из плазмотрона до р^0,2 МПа при сохранении температуры газа в зоне разряда около 100 К- При организации разряда в коакси- 149 альном сопле с продольным вводом СВЧ-мощности оптимальными оказываются скорости потока в интервале 2<М<5,5, при этом энергетическая эффективность процесса для установок мощностью до 5 МВт может достигать 90%. Полученная в результате плазмохимического разложения С02 окись углерода может быть использована для получения водорода в двухстадийной цикле, на второй ста- -?? -6,0 -5,5 Ц пе/по > Рис. 5.3. Зависимость КПД разложения С02 от степени ионизации [96] 5 ?„,зБ/мол Рис. 5.4. Зависимость КПД разложения СОг от удельного эперговклада: -1--эксперименты с СВЧ-разря- дом; о — эксперименты с ВЧ-раз-рядом;----теоретический расчет в однотемпературном приближении [96] дни которого осуществляется реакция СО с водяным паром. Замыкание цикла, результатом которого является разложение воды, обеспечивается разделением продуктов плазмохимической и термохимической реакций и рециркуляцией С02. Эффективное разделение продуктов первой стадии^цикла (СО и 02) оказывается достаточно сложной задачей. Поэтому весьма привлекательной представляется идея совмещения обеих стадий в одном реакторе, т. е. разложение паров воды в присутствии СОг в неравновесных плазмохимических системах СОг—Н20 и СО—02—Н20. Получение водорода в неравновесных плазмохимических системах СОг—Н20 и СО—о2—н2о Этот метод может иметь преимущество перед рассмотренными выше методами в некоторых конкретных технологических схемах. Прямое плазмохимическое разложение воды имеет достаточно жесткие ограничения, связанные с требованиями к степени ионизации (5.11) и (5.17), а также с высокой концентрацией радикалов ОН и участием их в обратной реакции. Эти ограничения существенно 150 lg [С02]/[Н20] -4-3-2-1 0 12 3 4 смягчаются при наличии в системе молекул С02 и СО, которые обладают почти на два порядка большими сечениями колебательного возбуждения электронным ударом, чем молекула Н20 (т. е. требуются меньшие степени ионизации), и снижают концентрацию свободных радикалов ОН за счет реакции OH-f-CO-^-H-f-COo. Плазмохимический синтез в смеси С02—Н20 в зависимости от характеристик разряда и состава смеси может приводить к образованию различных продуктов. В оптимальном режиме, когда энерговклад разряда сосредоточен на возбуждении колебательных степеней свободы молекул, определяющими характеристиками являются отношение концентраций [С02] : [Н20] и колебательная температура Tv. Минимально допустимые степени ионизации в смеси С02—Н20, необходимые для синтеза водорода, показаны на рис. 5.5. Синтез водорода происходит следующим образом. Окись углерода СО образуется в реакциях (5.19) и (5.20), обсуждавшихся выше. Основная доля атомов кислорода (радикалов С03) вступает в реакцию с С02, а часть их реагирует с парами воды: 0+Н20*->ОН + ОН. (5.21) Образующийся радикал ОН инициирует цепной процесс восстановления молекулярного во дорода из воды с помощью СО: ¦ 1 1 1 1
? I 1 1
—1
¦-2
—3 -?-
-4 \-5
-8
lg пе/па Рис. 5.5. Ограничения степени ионизации в смеси С02—Н20: _ _ — — ограничения для чистого Н20 ОН + СО->Н + С02; Н + Н20*->Н2 + ОН. (5.22) (5.23) При длине цепи этой неразветвленной цепной реакции v»l происходит наработка водорода. Однако при колебательном возбуждении смеси Н20—С02 этот процесс ограничивается реакциями образования побочных продуктов: ОН+ОН-+Н20+0; Н+С02-НШ+СО; н+02->ОН+0. На рис. 5.6 показаны допустимые колебательные температуры и концентрации, при которых реализуется процесс (5.22), 151 (5.23) образования водорода. Коэффициент полезного действия этого процесса определяется главным образом релаксационными потерями и потерями в побочных химических реакциях. На рис. 5.7 приведены результаты расчета этого КПД по данным [96]. В оптимальном режиме энер- 30 ?—I 5 3 СЭ ^ 1 77777777777777· ОН -i- ОН —?-1_?_?- ? 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5ТГ)эВ Рис. 5.6. Ограничения состава смеси С02—Н20 0,1 0,2 0,3 0,ЧТу,эВ Рис. 5.7. Энергетическая эффективность получения водорода в смеси С02—Н20 Ту,ъВ 0,3 : Взрыв гозатраты на синтез водорода составляют около 5 эВ на 1 молекулу Н2, при этом степень разложения воды может достигать 60%. Образующийся в системе водород стабилизируется при условии малых скоростей обратных реакций 0+Н2-э-ОН+Н и ОН+Н2-ЯН+Н20, что может быть вы- _— полнено при относительно низких значениях ?0<^??. Менее жестким оказывается ограничение 7?, необходимое для предотвращения цепного взрыва. Ограничения поступательной температуры смеси Т0, вызываемые этими механизмами, представлены на рис. 5.8 по данным [96]. В смеси СО—02—Н20 также может быть эффективно осуществлен плазмохимический процесс получения водорода. При этом энергозатраты в оптимальном режиме составляют около 1 эВ на 1 молекулу Н2, а относительный выход водорода 5%. С учетом энергозатрат на предварительное разложение С02 в плазме КПД процесса в целом достигает 70%· Этот процесс может использоваться в качестве второй плазмохимической ступени в цикле разложения во-152 Обратные реакции -J_? ? 0 3 6 9 12 15 Т0,10гК. Рис. 5.8. Область устойчи вости по отношению к об ратным реакциям ды с предварительным плазмохимический разложением С02. При этом не требуется разделение смеси СО—02 перед осуществлением второй стадии реакции. Получение СО и водорода в гетерогенных плазмохимических системах Этот процесс может быть осуществлен путем газификации угля под воздействием неравновесно возбужденного углекислого газа или водяного пара. Процесс риформинга угля Ст + С02*^СО + СО (5.24) экспериментально осуществлен в ВЧ-разряде [86, 91, 94]. Механизм этого процесса можно представить двумя последовательными элементарными актами: поверхностной диссоциац |
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 |
Скачать книгу "Введение в водородную энергетику" (2.73Mb) |
[каталог] [статьи] [доска объявлений] [прайс-листы] [форум] [обратная связь] |
|
Введение в химию окружающей среды. Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей
среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги
заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в
разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности.
Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и
атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на
химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах.
Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии
университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга
читателей.
Химия и технология редких и рассеянных элементов. Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов
химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии
лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во
второй
части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана,
лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В
третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия,
тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание
уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В
технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика
рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов
производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие
составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по
1972 год включительно.
|
|