Некоторые аспекты получения ацетилена из метана с использованием низкотемпературной плазмы Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

вблизи 750 см"1 смещается в область меньших длин волн, а полуширина полосы в спектре дика-тиона значительно увеличивается.

2. Интенсивность характеристических полос в области 1200 - 1300 см-1 существенно уменьшается, эти полосы отсутствуют в спектре дикатиона.

3. В спектре катиона и дикатиона дипрази-на появляются полосы в области 1200 - 1300 см-1, отсутствующие для молекулярной формы.

4. Полосы в ИК спектре дикатиона дипра-зина значительно шире соответствующих полос молекулярной формы и формы катиона.

5. В спектрах катиона и дикатиона дипра-зина появляется интенсивное поглощение в области >3500 см-1, обусловленное валентными колебаниями К-И-связи.

На основе проведенного анализа ИК спектров можно сделать вывод, что полосы 758, 1259, 1287 см-1, приведенные в литературе [8] как характеристические для дипразина соответствуют молекулярной форме.

ЛИТЕРАТУРА

1. Машковский М.Д. Лекарственные средства. М.: Новая волна. 2000. Т. 1. 540 с.

2. Харитонов С.В., Горелов И.П. Хим. фарм. журн. 2000. Т. 34. № 11. С. 54-56.

3. Панов В. А., Лаврешин А.Н., Мизелева Е.С. Проблемы экспертизы в медицине. 2002. № 4. С. 35-36.

4. Петров Н.В. и др. Фармация. 1993. Т. 42. № 5. С. 33-35.

5. Говда Б.Г., Сетарамаппа Дж., Мелванки М.Б. Журн. аналит. химии. 2003. Т. 58. № 6. С. 571-575.

6. Гайдук О.В., Панталер Р.П., Бланк А.Б. Журн. аналит. химии. 2004. Т. 59. № 7. С. 768-772.

7. Крамаренко В.Ф. Химико-токсикологический анализ. Киев: Высшая школа. 1982. 272 с.

8. Еремин С.К., Изотов Б.Н., Веселовская Н.В. Анализ наркотических средств: руководство по химико-токсикологическому анализу наркотических и других одурманивающих веществ. М.: Мысль. 1993. 246 с.

9. Беляев А.В. и др. Судебно-медицинская экспертиза. 1997. № 3. С. 23-28.

10. Макаренко Т.Ф. Судебно-медицинская экспертиза. 1993. № 4. С. 26-28.

11. Anthony P. Scott, Leo Radom. J. Phys. Chem. 1996. V. 100. P. 16502-16513.

12. Применение спектроскопии в химии / Под ред. В. Веста. М.: Изд-во ин. лит. 1959. 660 с.

13. Беллами Л. Инфракрасные спектры сложных молекул. М.: Изд-во. ин. лит. 1963. 591с.

14. Томилин О.Б. и др. Химия гетероциклических соединений. 2000. № 9. С. 1259-1265.

15. Томилин О.Б. и др. Химия гетероциклических соединений. 1996. № 3. С. 420-426.

Кафедра аналитической химии

УДК 665.642:665.64.097.3

Г.Г. Гарифзянова

НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЦЕТИЛЕНА ИЗ МЕТАНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ

(Казанский государственный технологический университет) E mail: [email protected]

Разработан безопасный синтез ацетилена из метана с применением низкотемпературной плазмы.

Ацетилен является реакционноактивным полупродуктом для промышленного органического синтеза, из которого получают уксусную кислоту, винилацетилен, трихлорэтилен, винилхлорид и т.д. Благодаря обладанию высокой теплотворной способности (13387 ккал/м3), он находит применение для газопламенной резки и сварки металлов. Получают его в основном из карбида кальция, ко-

торый синтезируется из извести и углерода при 2000оС [1]. Производство карбида кальция остается громоздким, энергоемким и тяжелым по условиям труда, а получающийся из технического карбида кальция ацетилен имеет примеси РИ3 и И28, которые отравляют катализаторы, используемые для последующих синтезов.

Перечисленные недостатки требуют созда-

ния новых методов получения. Получить ацетилен можно термоокислительным крекингом, который протекает в присутствии кислорода, окисляющего часть метана. Но в продуктах крекинга, кроме ацетилена, содержится водород, оксид углерода.

Наиболее прогрессивным методом является получение ацетилена из природного газа с использованием низкотемпературной плазмы. Плаз-мохимическому способу получения ацетилена посвящено значительное количество работ [2-5].

Целью этого исследования была разработка технологии получения высококачественного ацетилена из природного газа с применением низкотемпературной плазмы.

В качестве плазмообразующего газа применялся водород. В струе такой плазмы можно провести направленный синтез ацетилена.

МЕХАНИЗМ РЕАКЦИИ ПОЛУЧЕНИЯ АЦЕТИЛЕНА ИЗ МЕТАНА

Процесс распада метана происходит по реакции:

СН4 ^ СИз^ ^ С2Н6 ^ С2Н4 ^ С2Н2 ^ С +Н (1) Решающее значение в этой цепной реакции имеют метильные радикалы, зарождение которых происходит согласно реакциям (2) и (з):

СН4 ^ СН3. + Н. АН=450 кДж/моль (2) СН4 + Н. ^ СН3. + Н2 АН=53.9 кДж/моль (3) Реакция (3) энергетически более выгодна и ее скорость зависит от скорости реакции распада водорода на радикалы. По этой реакции также образуют реакционноспособные свободные радикалы, которые являются инициаторами продолжения цепи. Рекомбинация метильных радикалов приводит к обрыву цепи:

СН3. + СН3. ^ С2Н6 (4)

В дальнейшем происходит дегидрирование этана в этилен, а затем этилена в ацетилен.

Для осуществления реакции (3) важное значение имеет генерация атомов водорода. Поэтому была рассчитана степень диссоциации молекул водорода в зависимости от температуры и давления в плазмотроне:

Н2 ^ 2Н. (5)

Константа равновесия этой реакции: Кр = Р%/ Рн 2

При расчетах принимается: Кр=2,45-10-1 при 7=3500 К и Кр=2,52-10-1 при 7=4000 К [6]. Парциальное давление реагирующих газов определяется по формулам: Р = Р —

1 Н2 общ

Ph = P.

2 x

1 + x

общ '

1 + x

Подставляем значения парциальных давлений в выражение константы равновесия реакции (5):

K = (1 + x)

4 x 2 P 2

общ 0

4 x 2 P,

общ ,

P,

общ

1 - x

2

1 + x

откуда x =

K r

K + 4 P

р общ

Т, К

Ра

Kp

%

Результаты расчетов степени диссоциации водорода по реакции (5) при различных параметрах процесса приведены в табл. 1.

Таблица 1

Степень диссоциации молекулы водорода на атомы при Т=3500-4500°С, Р=0,1-4 атм Table. Dissociation degree of hydrogen molecule at Т=3500-4500°С, Р=0.1-4 atmosphere

№ п/п

1 3500 1,0 2,45-10-1 0,24 24,0

2 4000 1,0 2,52 0,625 62,5

3 3500 4,0 2,45-10-1 0,123 12,3

4 4000 4,0 2,52 0,37 37,0

5 3500 0,1 2,45-10-1 0,62 62,0

6 4000 0,1 2,52 0,93 93,0

Как видно из табл. 1, давление значительно влияет на процессы диссоциации молекулы водорода: чем выше давление, тем меньше степень диссоциации. При давлении 0,1 атм., Т=3500 К степень диссоциации составляет 62%, т.е. такая же, как и при Т=4000 К и давлении 1 атм.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Исследование процесса пиролиза метана проводили на лабораторной установке мощностью до 12 кВт, изображенной на рисунке.

Установка состоит из следующих узлов: электропитания плазмотрона 1; подачи плазмообразующего газа и охлаждающей воды; подготовки и подачи сырья на пиролиз; охлаждение пирогаза; отбор проб и получение газообразных продуктов пиролиза.

Водород подавался в плазмотрон 2 из баллонов. Его расход регулировался с помощью ротаметров. Охлаждение деталей плазмотрона, закалочных теплообменников производится обессоленной водой.

где х— степень диссоциации молекулярного водорода.

часть сепаратора 9 и затем обратно через теплообменник 10 поступало в емкость 11.

В реакторе 3 поддерживался следующий режим пиролиза: температура - 3500 К, давление -0,1 атм., энергоемкость плазменной струи - 3-4 кВт-ч/м3, время контакта - 1-10-2 с, расход метана - 0,6 кг/ч.

Для определения состава пирогаза использовали хроматограф "Цвет-500". Результаты эксперимента представлены в табл. 2.

Таблица2

Химический состав пирогаза, полученного из метана при Т=3500 К, ^=0,1 атм Table. Chemical composition of pyro-gas obtained from

Рис. Схема лабораторной установки (см. обозначения в тексте).

Fig. Scheme of laboratory set up (see notations in text).

Плазменный поток, являющийся теплоносителем и катализатором, поступал в реактор 3. Перпендикулярно к плазменному потоку подавался природный газ. В реакторе 3 происходило образование основного продукта - ацетилена. После реактора 3 продукты реакции охлаждались в теплообменниках 4 и 5. В теплообменнике 4 противотоком нагревался метан, а в теплообменнике 5 -пирогаз охлаждался до температуры 340-350 К. Пирогаз в циклоне 6 и фильтре 7 очищался от те-хуглерода, проходил через вакуумсоздающее устройство 8, сепаратор 9, каплеотбойник 13 и через огнепреградитель 14 сбрасывался в атмосферу. Давление в пирогазе после сепаратора 9 поддерживалось в пределах до 1,4 ати. В качестве транспортирующей жидкости использовалось дизельное топливо, которое подавалось по системе через емкость 11 дозировочным насосом 12 в верхнюю

№ п/п Наименование %, масс.

1 ацетилен 51,67

2 этилен 10,17

3 метан 16,83

4 водород 15,33

5 техуглерод 6,0

Таким образом, показана возможность направленного синтеза ацетилена из метана и разработан узел для создания необходимого вакуума в плазмоагрегате.

ЛИТЕРАТУРА

1. Антонов В.Н., Лапидус А. С. Производство ацетилена. М.: Химия. 1970. 416 с.

2. Жуков М.Ф. и др. Плазмохимическая переработка угля. М.: Наука. 1990. С. 169-171.

3. Дзюба В. Л., Даутов Г.Ю., Абдуллин И.Ш. Электродуговые и высокочастотные плазмотроны в химико-металлургических процессах. Киев: Виша школа. 1991. С. 149-150.

4. Пархоменко В.Д. и др. Плазма в химической технологии. Киев: Техника. 1986. С. 45-46.

5. Баранов И.Е. и др. Химия высоких энергий. 2005. Т.39. №4. С. 312-316.

6. Еремин Е.Н. Основы химической термодинамики. М.: Высшая школа. 1974. 341 с.