20-mavzu. Uglerod monooksidi konversiyasi kinetikasi va nazariyasi

1.METAN VA UGLEROD MONOOKSIDINI KONVERSIYALAB OLISHNING ASOSLARI.

Umuman metan va uglerod monooksidini kislorod (yoki havo), suv bug‘i va uglerod dioksidi bilan konversiyalash mumkin. SHuni ta’kidlash kerakki, metan va uning gomologlarini kislorod yoki havo bilan to‘liq va to‘liqsiz oksidlash mumkin. To‘liq oksidlash natijasida doimo suv bug‘i va uglerod dioksidi olinadi:

SN₄ + 2O₂ = SO₂ Q+ 2N₂O + Q₁ (25.1.)

Ammo, vodorod ishlab chiqarish uchun esa, metanni to‘liqsiz oksidlash

kerakdir:

SN₄ + 0,5O₂ = SO + 2N₂ + Q₂ (Q35,65 kj) (25.2.)

Metan va boshqa uglevodorodlarni suv suv bug‘i, uglerod uch oksidi bilan to‘liqsiz oksidlab ham, vodorod olish mumkin:

SN₄ + N₂O_(bug‘) = SO + 3N₂ -Q₃ (-206,19 kj) (25.3.)

SN₄ = SO₂ = 2SO + 2N₂ -Q₄ (-247,36 kj) (25.4.)

yoki metan gomologlarining to‘liqsiz oksidlanishi:

S_n N_2n + nN₂O_(bug‘) = (2n+1) N₂ +nCO -Q (25.5.)

Vodorod olish uchun amalga oshiriladigan yuqoridagi (25.2.), (25.3.), (25.4.) to‘liqsiz oksidlash reaksiyalaridan ko‘rinib turibdiki, ularning hammasi gomogen, qaytar va kislorod ishtirokida ketadigan (25.2.) reaksiya ekzotermik lekin suv bug‘i va uglerod dioksidi ishtirokida ketadigan (25.3.) va (25.4.) reaksiyalar esa - endotermikdir. Lekin uchchala reaksiya natijasida ham uglerod monooksidi hosil bo‘ladi.

Bu uglerod monooksidi keyinchalik suv bug‘i bilan reaksiyaga kirishib, yana vodorod hosil qilishi mumkin:

SO + N₂O_(bug‘) = SO₂ + N₂ + 41,17 kj (25.6.)

YUqoridagi reaksiyalardan xulosa qilish mumkinki metanni uglerod dioksidi yoki kislorod bilan to‘liqsiz oksidlansa, 1 mol metandan 2 mol vodorod olish mumkin (25.2.) va(25.4.) reaksiyalar. Agarda metan suv bug‘i bilan to‘liqsiz oksidlansa (25.3.) va (25.6.) reaksiyalar, 1 mol metandan 3 mol vodorod olish mumkin.

Endigi gap shundaki, metan va uglerod monooksidini bir xil sharoitda bitta apparatda suv bug‘i bilan to‘liqsiz oksidlab, yuqori chiqish bilan vodorod olish mumkinmi yoki yo‘qmi, degan savolga javob berishdir. Buning uchun (25.3.) va (25.6.) reaksiyalarini birgalikda va ayrim termodinamik tekshirish ya’ni bu reaksiyalar natijasida hosil bo‘ladigan gaz aralashmasining muvozanat sharoitida tarkibini reaksion haroartga qarab o‘zgarishini ko‘rib chiqamiz: YA’ni (25.3.) va (25.6.) reaksiyalari sistemasi:

x x x 3x

SN₄ + N₂O_(bug‘) = SO + 3N₂ -206,19 kj (25.3.)

x u u u

SO + N₂O_(bug‘) = SO₂ + N₂ + 41,17 kj (25.6.)

_____________________________________________________________

SN₄ + 2N₂O_(bug‘) = SO₂ + 4N₂ -165,02 kj (25.7.)

Faraz qilaylik, dastlabki gaz aralashmasi 1 mol metan va n mol suv bug‘idan iborat.

X - metanni reaksiyaga kirishgan qismi, mol.

U - uglerod monooksidini reaksiyaga kirishgan qismi, mol.

Muvozanat holatda har bir komponentning mollar soni va parsial bosimi (25.1.- jadval) da berilgan.

1. 
   jadval.
   

Muvozanat holatda komponentlar parsial bosimi.

Komponentlar	Reaksiyaga qadar mollar soni	Reaksiyadan so‘ng mollar soni	Reaksiyadan so‘g‘ komponentlar parsial bosimi
Metan	1	1-X	(1-X)Rnisbiy _____________ = Rsn4 1+n+2X
Suv	n	n-X-U	(n-X-U)Rnisbiy -------------------=Rn2o 1+n+2X
SO	----	X-U	(X-U)Rnisbiy -------------------=Rso 1+n+2X
SO2	----	U	Urnisbiy -------------------=Rso2 1+n+2X
N2	----	3X+U	(3X+U)Rnisbiy -------------------=Rn2 1+n+2X
Jami	1+n	1+n+2X	Rnisbiy

R_nisbiy = R / R⁰ (25.0.)

Bu erda: R - umumiy bosim, MPa.

R⁰ - boshlang‘ich bosim, MPa.

Massalar ta’siri konuniga binoan (25.3.) va (25.6.) - reaksiyalarning muvozangat doimiysi:

Md_(25.3.)=R_SOxRn₂3/Rsn₄XRn₂o=(X-U)(3X+U)R²_nisbiy(1+n+2X)^-2/(1-X)(n-X-U);(25.8.)

Md_(25.6.)=Rn₂Rso₂/RsoRn₂o=(3X+U)U/(X-U)(n-X-U) (25.9.)

Bu muvozanat doimiysidan xar xil xaroratdagi mikdorlarini kuyidagi tenglamalardan topish mumkin:

Ig(Md)_(25.3.)=-984O/T+8,343IgT-2,05910^-3T+O,17810^-6T-11,96 (25.10.)

Ig(Md)_(25.6.)=+2217/T+0,297IgT+0,352510^-3T-0,050810^-6T-326 (25.11.)

Muvozanat xoldagi gaz tarkibini topish uchun (25.8.) va (25.9.) tenglamalar sistemasidan «X» va »U» topish kerak. Buning uchun dastlabki sharoitlar: Umumiy bosim R, harorat - K da, n-N₂0_(bugi)ning dastlabki mollar soni, ma’lum bulmogi kerak: Md_(25.3.), Md_(25.6.) lar esa berilgan xarorat T^oK da (25.10.) va (25.11.) tenglamalar orkali topiladi; agar n=2,R=1MPa bulsa kuyidagi natijalar olinadi: 25.2.-javdval. Konvertirlangan gaz aralashmasini muvozanat xoldagi tarkibi.

Bu - jadvaldan kurinib turibdiki, metan va uglerod monooksidini suv bugi bilan bitta konvertorda bir poganada , vodorodni chikishini yukori natijaga kutarib, konverciyalash mumkin emas, chunki past xaroratda kup mikdorda metan , yukori xaroratda esa uglerod monooksidi kup mikdorda reaksiyaga kirishi olmay kolib ketadi. SHuning uchun metan korversiyasini (25.3.) reaksiya buyicha yukori xaroratda, uglerod monooksidi konversiyasini esa (25.6.) reaksiya buyicha past xaroratda aloxida konvertorlarda utkazish kerak va bu jaraenlarni esa aloxida - aloxida konvertorlarda amalga oshirilishi mumkin.

Sun’iy ammiak ishlab chikarish uchun vodorod olishda metan konversiyasini 2 pogonada olib boriladi:

a) Kuvurli uchoklarda (pechka) metanni suv bugi bilan tuliksiz konversiya (8%gacha metan reaksiya kirishmay koladi). Bu endotermik reaksiya.

b) Konli (shaxtali) konvertorda xavo va kislorod ishtirokida konversiya ; Bu erda kislorod (a)-boskichdan kolgan metanni oksidlash uchun ketsa, xavodagi azot esa, ammiak olish uchun azot, vodorod aralashmasini hosil kilishga ketadi.

Amalietda metanni kuprok reaksiyaga kiritish uchun, uni konversiyani stexiometriyaga nisbatan kuprok mikdorda suv bugi bilan olib boriladi. Lekin xaroratni oshirish bilan, cuv bugini ortikchaligini biroz kamaytirish mumkin; sababi Le-SHatele prinsipiga muvofik, muvozanat ungga buriladi. (25.3.) - reaksiya, ya’ni:

SN₄+N₂0_(bug)= SO+3N₂-Q (25.3.)

hajm kengayishi bilan (2 xajmdan 4 xajmgacha) boradi. SHuning uchun, Le-SHatele prinsipiga muvofik (25.3.) reaksiyada bosim kullanilmasligi kerak, aks xolda reaksiya muvozanati chapga, ya’ni vodorod chikishini kamaytirishga olib keladi. Ammo, iktisod extiejlarini kuzlab, SN₄ konversiyasi 1,5-4,0 MPa gacha yukori bosimda olib boriladi, bunda apparatlarni ulchamida biroz kiskaradi. Lekin yukori bosimda muvozanat chapga ketishini kamaytirish uchun, konversiya jaraeni biroz yukori (1000^oS urniga 1280^oS) xaroratda olib boriladi. Metan konversiyasida suv bugidan tashkari, kislorod xam ishlatiladi, chunki:

SN₄+0,50₂=SO+2N₂₊Q (25.2.)

reaksiyaga muvofik kislorodli konversiya ekzotermik bulib, umumiy konversiya jaraenini avtotermik tarzda, tashkaridan issiklik sarflamay amalga oshirishga olib keladi.

Amalietda suv bugli, korbanat angidridli va bug- xavoli konversiyalarni vertikal kuvursimon uchoklarda tabiiy gazni bir kismini xavo bilan ekishdan olingan issiklik xisobiga utkaziladi, chunki bu jaraenilar endotermikdir. Agarda bug kislorod-xavoli konversim bulsa konli (shaxtali) konvertorda bir pogonada amalga oshiriladi.