Allpool on nende kolme termilise lagunemise diagrammid. Biokütuse termilise lagunemise protsesside uurimine ja selle energiakasutuse efektiivsuse tõstmise võimaluste väljatöötamine

Loeng nr 18. Termiline lagunemine

Bibliograafiline link

Valik 1.

1. Neutronite arv 4N14 aatomis:
A. 7.

B. Lämmastik.

3. Lämmastiku oksüdatsiooniaste on +5, kui kombineerida järgmise valemiga:
G. HN03.

4. Lämmastiku minimaalne oksüdatsiooniaste ühendis (loetletud allpool) valemiga:
A. N2.

B. Fosfor.

6. Aatomi väikseim raadius:
G. F.

B. Ca3P2.

8. Dilämmastikhape vastab oksiidile valemiga:
B. N203.

10. Koefitsient enne oksüdeerivat ainet reaktsioonis, mille skeem
Ag + HN03(KOHC) -> AgN03 + N02 + H20:
B. 4.

11. Koostage molekulaarvõrrandid järgmiste teisenduste reaktsioonide jaoks:
P -> P205 -> H3P04 -> Na3P04.

1. 4P + 5O2 = 2P2O5
P0 -5e →P+5 redutseerija
O20 + 2*2e→2O-2 oksüdeeriv aine
2. P2O5 + 3H2O = 2H3PO4
3. H3PO4 + 3NaOH = Na3PO4 + 3H2O
3H+ + 3OH- = 3H2O

12. Täitke fraas: "Allotroopia on..."
sama keemilise elemendi kahe või enama lihtsa aine olemasolu, mis on erineva struktuuri ja omadustega.

13. Milliste ainetega, mille valemid on: KOH, CO2, Zn, CuO, HC1, CaCO3, reageerib lahjendatud lämmastikhape? Kirjutage üles võimalike reaktsioonide võrrandid molekulaarses vormis.
HNO3 + KOH → KNO3 + H2O
3CuO + 6HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 3H2O
10HNO3 lahjendatud + 4Zn = 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
2HNO3 + CaCO3 = Ca(NO3)2 + H2O + CO2

14. Täitke vask(II)nitraadi termilise lagunemise skeem:
Cu(N03)2 --> CuO + X + 02.

2Cu(NO3)2 = 2CuO + 4NO2 + O2
Summa koefitsient = 9

15. Kui 37 g kaltsiumhüdroksiidi reageeris ammooniumsulfaadiga, saadi 15 g ammoniaaki. Arvutage ammoniaagi saagise massiosa teoreetiliselt võimalikust.
Ca(OH)2 +(NH4)2SO4 =CaSO4+2NH3*H2O
M Ca(OH)2=40+32+2=74g/mol.
n Ca(OH)2 = 37: 74 = 0,5 mol
1 mol Ca(OH)2: 2 mol NH3
0,5:1 mol
M NH3 = 17 g \ mol
kaal 17*1=17 g.
saagis (NH3) = 15: 17 = 0,88 = 88%

2. variant.

A OSA. Valikvastustega testid

1. Neutronite arv 7N15 aatomis:
A. 8.

B. Fosfor.

3. Lämmastiku oksüdatsiooniaste on +4, kui kombineerida järgmise valemiga:
B. N02.

4. Fosfori minimaalne oksüdatsiooniaste kombinatsioonis valemiga:
B. PH3.

5. Loetletud keemilistest elementidest on ühendites suurim elektronegatiivsus:
V. Sera

6. Aatomi väikseim raadius, mille sümbol on:
G. C1.

7. Ainult redutseerija võib olla aine valemiga:
B. NH3.

8. Fosforhape H3P03 vastab oksiidile valemiga:
B. P2O3

Cu + HN03(KOHC) -> CU(N03)2 + N02 + H20:
B. 4.

B OSA. Vabavastusega küsimused

11. Koostage skeemi järgivate reaktsioonide molekulaarvõrrandid
NO → N02 → HN03 → NaN03.

1. 2NO + O2 = 2NO2
N+2 -2e→N+4 redutseerija
O20 +2*2e→2O-2 oksüdeeriv aine
2. 4NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3
3. HNO3 + NaOH = NaNO3 + H2O
H+ + OH- = H2O

12. Täitke järgmine fraas: "Saltpeter on..."
Kaaliumi, naatriumi, ammooniumi nitraatsool, mida kasutatakse lõhkeainetehnoloogias ja agronoomias väetisena.

13. Milliste ainetega, mille valemid on: Mg, Ag, AgN03, BaO, C02, KN03, NaOH, ortofosforhape interakteerub? Kirjutage üles võimalike reaktsioonide võrrandid molekulaarses vormis.
3NaOH + H3PO4 = Na3PO4 + 3H2O
3 Mg + 2H3PO4 = Mg3(PO4)2↓ + 3H2
2H3PO4 + 3BaO = Ba3(PO4)2 + 3H2O
Na3PO4 + 3AgNO3 = Ag3PO4↓ + 3NaNO3

14. Täitke naatriumnitraadi termilise lagunemise skeem
NaN03 → NaN02 + X.
Leidke võrrandis olevate koefitsientide summa.
2NaNO3 = 2NaNO2 + O2
Koefitsientide summa – 5

15. Millise ruumala ammoniaaki (n.a.) saab 15 m3 lämmastiku reageerimisel vesiniku liiaga, kui ammoniaagi saagis on 10% teoreetiliselt võimalikust?
N2 + 3H2 = 2NH3
n(N2) = 15 000 /22,4 = 669 (mol)
n(NH3) = 2 x 669 = 1339,28 (mol)
Vteor.(NH3) = 1339,28*22,4 = 29999 (dm3)
Vpract. (NH3) = 29999*0,9 = 26999 (dm3) = 26 999 m3

3. võimalus.

A OSA. Valikvastustega testid

1. Neutronite arv 20Ca40 aatomis:
B. 20.

2. Elektronide jaotus energiatasemete vahel elemendi 2e, 5e aatomis vastab:
A. Azot.

3. Lämmastiku oksüdatsiooniaste on +2, kui kombineerida järgmise valemiga:
B. EI.

4. Lämmastiku maksimaalne oksüdatsiooniaste kombinatsioonis valemiga:
G. HN03.

A. Bor.

A.S.

G. N3P04.

8. Lämmastikhape vastab oksiidile valemiga:
G. N205.

10. Koefitsient enne oksüdeerijat ahelas
Ag + HN03 (lahjendatud) -> AgN03 + NO + H20:
B. 4.

B OSA. Vabavastusega küsimused

11. Koostage vastavalt diagrammile molekulaarreaktsiooni võrrandid
N2 → NH3 → NH3 H20 → (NH4)2S04.
Vaatleme võrrandit 1 ORR-i teooria seisukohalt, kirjutame võrrandi 3 ioonsel kujul.
1. N2 + 3H2 = 2NH3
N20 +2*3е→2N-3 oksüdeeriv aine
H20 -2*1е→2H+1 redutseerija
2. NH3 + H2O = NH3*H20
3. 2NH3*H20 + H2SO4 = (NH4)2SO4 +2H2O
2NH3*H20 + 2H+= 2NH4+ +2H2O

12. Täitke fraas: "Ammooniumi katioonis sisalduvate aatomite arv..."
võrdub 5-ga.

13. Milliste ainetega, mille valemid on: S03, KOH, CaO, Mg, N205, Na2C03, reageerib lahjendatud lämmastikhape? Kirjutage üles võimalike reaktsioonide võrrandid molekulaarses vormis.
HNO3 (lahjend.) + KOH = KNO3 + H2O
2HNO3 + CaO = Ca(NO3)2 + H2O
10HNO3 lahjendatud + 4Mg = 4Mg(NO3)2 + N2O + 3H2O
2HNO3 + Na2CO3 = 2NaNO3 + H2O + CO2

14. Täitke hõbenitraadi termilise lagunemise skeem
AgNOg → Ag + X + 02.
Kirjutage võrrandisse koefitsientide summa.
2AgNO3 = 2Ag + 2NO2 + O2
7

15. Lämmastik mahuga 56 liitrit (n.o.) reageeris vesiniku liiaga. Ammoniaagi mahuosa on 50% teoreetiliselt võimalikust. Arvutage toodetud ammoniaagi maht.
N2 + 3H2 = 2NH3
n(N2) = 56 /22,4 = 2,5 (mol)
n(teor.)(NH3) = 2*2,5 = 5 (mol)
Vpract. (NH3) = 5 * 22,4 * 0,5 = 56 l

4. võimalus.

A OSA. Valikvastustega testid

1. Neutronite arv isotoobis 19K39:
AJAL 20.

2. Elektronide jaotus energiatasemete vahel elemendi 2e, 8e, 5e aatomis vastab:
B. Fosfor.

3. Lämmastiku oksüdatsiooniaste on 0, kui kombineerida järgmise valemiga:
A. N2.

4. Fosfori maksimaalne oksüdatsiooniaste kombinatsioonis järgmise valemiga:
G. N3P04.

5. Loetletud keemilistest elementidest on ühendites madalaim elektronegatiivsus:
A. Berüllium.

6. Keemilise elemendi aatomi suurim raadius, mille tähis on:
A. Si.

7. Oksüdeerijaks võib olla ainult aine valemiga:
G. HN03.

8. Ortofosforhape vastab oksiidile valemiga:
G. P2O5.

10. Koefitsient enne oksüdeerijat ahelas
Cu + HN03(dil) -> CU(N03)2 + NO + H20:
G. 8.

B OSA. Vabavastusega küsimused

11. Koostage molekulaarreaktsiooni võrrandid vastavalt skeemile:
NO → N02 → HN03 → NH4N03.
Vaatleme võrrandit 1 ORR-i seisukohast, kirjutame võrrandi 3 ioonsel kujul.
1. 2NO + O2 = 2NO2
N+2 -2e→N+4 redutseerija
O20 +2*2e→2O-2 oksüdeeriv aine
2. 4NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3
3. NH3 + HNO3 = NH4NO3
NH3 + H+ = NH4+

12. Täitke fraas: "Fosfori allotroopsed modifikatsioonid on..."
valge, punane ja must fosfor

13. Milliste ainetega, mille valemid on: Zn, CuO, Cu, NaOH, S02, NaN03, K2C03, interakteerub ortofosforhape? Kirjutage üles võimalike reaktsioonide võrrandid molekulaarses vormis.
3NaOH + H3PO4 = Na3PO4 + 3H2O
3 Zn + 2H3PO4 = Zn3(PO4)2↓ + 3H2
3CuO + 2H3PO4 = Cu3(PO4)2 + 3H2O
3K2CO3 + 2H3PO4 = 2K3PO4 + 3H2O + 3CO2

14. Täitke raud(II)nitraadi termilise lagunemise skeem:
Fe(N03)2 → FeO + N02 + X.
Leidke võrrandis olevate koefitsientide summa.
2Fe(NO3)2 = 2FeO + 4NO2 + O2

15. 62 g fosfori põletamisel hapnikus saadi teoreetiliselt võimalikust kogusest 130 g fosfor(V)oksiidi. Arvutage fosforoksiidi (V) saagise massiosa.
4P + 5O2 = 2P2O5
n(P) = 62/31 = 2 mol
nteor.(P2O5) = 0,5*2 = 1 mol
mteor.(P2O5) = 1*142 = 142 g
väljund = mpract./mtheor. = 130/142 = 0,92 = 92%

Käesolevas artiklis esitatakse ülevaade kirjandusest erinevate kütuste analüüsimiseks kasutatavate termiliste meetodite kohta: erinevad kivisöe klassid, erinevad biokütused ja biomass. Tehakse ülevaade termogravimeetrilistest uuringutest, kirjeldatakse termogravimeetrilisi kõveraid ning analüüsitakse erinevate kütuste termilise lagunemise protsessi nii inertses kui oksüdeerivas keskkonnas. Kineetiliste parameetrite, nagu aktiveerimisenergia ja preeksponentsiaalne tegur, arvutamiseks kasutatakse erinevaid mudeleid. Artiklis kirjeldatakse neid mudeleid ja võrreldakse erinevate mudelite alusel määratud kineetiliste parameetrite väärtusi. Veel üks paljutõotav suund teatud kineetiliste omaduste kasutamiseks on põlemisprotsesside, soojusülekande ja vedeliku dünaamika numbriline modelleerimine (CFD – Computational Fluid Dynamics Modeling). Esitatakse nendel eesmärkidel kasutatavate kaubanduslike tarkvarade ja arendustoodete ülevaade. Tehakse järeldused kineetiliste karakteristikute edasise rakendamise kohta põlemisprotsesside uurimisel.

biokütus

termiline lagunemine

termogravimeetriline uuring

kineetiline uuring

aktiveerimise energia

preeksponentsiaalne tegur

numbriline modelleerimine.

1. Ljubov V.K. Biokütuste energiakasutuse efektiivsuse tõstmine / V.K. Ljubov, S.V. Ljubova. – Arhangelsk, 2010. – 496 lk.

2. Boyko E.A. Tahkete orgaaniliste kütuste kompleksse termilise analüüsi skeemi täiustamine / E.A. Boyko, DG. Didichin, M. Yu. Ugay ja teised // Laup. teaduslik tr.: Ökoloogia ja linnaarengu probleemid. T.1. – Krasnojarsk, 2001. – Lk.314-319.

3. Uribe M.I. Vedelfaasi reaktsioonide kineetiline analüüs programmeeritud temperatuuriandmetest. Potentsiaalsete kineetiliste mudelite järjestikune diskrimineerimine / M.I. Uribe, A.R. Salvador, A.I. Guilias // Thermochim. Acta. – 1995. – V.94. – nr 2. – Lk.333-343.

4. Boyko E.A. Tahkete orgaaniliste kütuste kompleksse termilise analüüsi skeemi täiustamine / E.A. Boyko, DG. Didichin, M. Yu. Ugay ja teised // Laup. teaduslik tr.: Ökoloogia ja linnaarengu probleemid. T.1. – Krasnojarsk, 2001. – Lk.314-319.

5. Shishmarev P.V. Kompleksse termilise analüüsi täiustamine ja rakendamine Kansko-Achinsk Coalsi energiakasutuse praktikas: väitekiri. ...kann. need. Sci. – Föderaalne Riigieelarveline Kõrgharidusasutus “Krasnojarski Riiklik Tehnikaülikool”, 2006. – 208 lk.

6. Bodorev M.M. Tammelaastude kasutamisel põhinevate lauaveinide valmistamise tehnoloogia täiustamine: lõputöö. ...kann. need. Sci. Moskva Riiklik Tehnoloogiaakadeemia. – Moskva, 2002 – 258 lk.

7. M. Braga R., M.A. Melo D., M. Aquino F. Riisikestade ja elevandirohu pürolüüsi kineetika iseloomustus ja võrdlev uuring. J Therm Anal Calorim. 2013; doi:10.1007/s10973-013-3503.

8. Li L., Wang G., Wang S., Qin S. Energiakultuuride maapirni termogravimeetriline ja kineetiline analüüs hajutatud aktiveerimisenergia mudeli abil. J Therm Anal Calorim. 2013; doi:10.1007/s10973-013-3115-2.

9. Zhao H., Yan H., Dong S., Zhang Y., Sun B., Zhang C., Ai Y., Chen B., Liu Q., Sui T., Qin S. Pürolüütikumi termogravimeetria uuring makrovetikate Macrocystis pyrifera jäägi omadused ja kineetika. J Therm Anal Calorim. 2013; 111:1685-1690.

10. G. Mothe M., H.M. Carvelho C., F.C. Servulo E., G. Mothe C. Raskete toorõlide kineetiline uuring termilise analüüsi abil. J Therm Anal Calorim. 2013; 111:663-668.

11. Oliveira L.E., Giordani D.S., Paiva E.M. Babassust, palmiõlist ja mineraaldiislikütusest pärineva biodiisli lendumise kineetilised ja termodünaamilised parameetrid termogravimeetrilise analüüsi (TG) abil. J Therm Anal Calorim. 2013; doi:10.1007/s10973-011-2163-8.

12. Slopiecka K., Bartocci P., Fantozzi F. Papli puidu pürolüüsi termogravimeetriline analüüs ja kineetiline uuring. Rakenduse energia. 2012; 97: 491-497.

13. Villanueva M., Proupin J., Rodriguez-Anon J.A., Fraga-Grueiro L., Salgado J., Barros N. Metsa biomassi energeetiline iseloomustamine kalorimeetria ja termilise analüüsi abil. J Therm Anal Calorim. 2011; 104:61-67.

14. Nowak B., Karlstrom O., Backman P., Brink A., Zevenhoven M., Voglsam S., Winter F., Hupa M. Mass transfer limitation in thermogravimetry of biomass gasification. J Therm Anal Calorim. 2013; 111:183-192.

15. Williams A., Jones J.M., Ma L., Pourkashanian M. Tahkete biomassikütuste põletamisel tekkivad saasteained. Prog Energy Combustion Sci 2012;38:113-137.

16. http://www.netzsch-thermal-analysis.com/en/products-solutions/thermogravimetric-analysis/tg-449-f3-jupiter.html. Kasutatud 30. juulil 2014

17. http://ru.mt.com/ru/ru/home/products/Laboratory_Analytics_Browse/TA_Family_Browse/TGA.html

18. http://www.perkinelmer.com/Catalog/Product/ID/N53 70742

19. http://www.shimadzu.com/an/thermal/tga50.html

20. http://www.ssi.shimadzu.com/products/literature/Mass_Spec/GCMS-QP2010_Plus_F.pdf

21. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ac60286a 799? JournalCode=ancham

22. http://www.ulvac-riko.co.jp/English/index_eng.htm

23. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ac50049a774

24. http://www.linseis.com/ru/pribory/termogravimet rija/tga-pt1000/

25. http://www.leco.com/

26. http://www.tainstruments.com/product.aspx?id=31&n=1&siteid=11&gclid=CMzFn-iX0cECFcTVcgode0UARQ

27. Pokrobko S., Krol D. Kuivlagunemise termogravimeetrilised uuringud. J Therm Anal Calorim. 2012; doi: 10.1007/s10973-012-2398-z.

28. Li L., Wang G., Wang S., Qin S. Energiakultuuride maapirni termogravimeetriline ja kineetiline analüüs hajutatud aktivatsioonienergia mudeli abil. J Therm Anal Calorim. 2013; doi:10.1007/s10973-013-3115-2.

29. D.K. Shen, S. Gu, K. H. Luo, A.V. Bridgewater, M.X. Fang Kineetiline uuring puidu termilise lagunemise kohta oksüdatiivses keskkonnas. Kütus. 2009; doi: 10.1016/j.fuel.2008.10.034.

30. Prins M.J., Ptasinski K.J., Janssen FJJG. J Anal Appl Pyrolysis 2006; 77:28-34.

31. Fang M.X., Shen D.K., Li Y.X., Yu C.J., Luo Z.Y., Cen K.F. J Anal Appl Pyrolysis 2006; 77:22-7.

32. Bilbao R., Mastral J.F., Aldea M.E., Ceamanos J. J. Anal Appl Pyrolysis 1997; 39:53-64.

33. D.K. Shen, S. Gu, Baosheng Jin, M.X. Fang. Puidu termilise lagunemise mehhanismid inertses ja oksüdatiivses keskkonnas, kasutades DAEM meetodeid. Bioressursi tehn. 2011; 102:2047-52.

34. Korobeinichev O.P., Paletski A.A., Munko B. Gonchikzhapov, Shundrina I.K., Haixiang Chen, Naian Liu. Metsakütuste põlemiskeemia ja lagunemise kineetika. Procedia Eng. 2013; 62:182-193.

35. Van den Velden M., Baeyens J., Brems A., Janssens B., Raf Dewil. Biomassi pürolüüsi reaktsiooni alused, kineetika ja endotermilisus. Renew Energy 2010;35:232-42.

36. Muller-Hagedorn M., Bockhorn H., Krebs L., Muller U. Võrdlev kineetiline uuring kolme erineva puiduliigi pürolüüsi kohta. J Anal Appl Pyrol 2003; 68-69: 231-49.

37. Vecchio S., Luciano G., Franceschi E. Ekspolatiivne kineetiline uuring viie puiduliigi termilise lagunemise kohta rakenduste jaoks arheoloogilises failis. Ann Chim 2006;96:715-25.

38. Shakya B. Plastijäätmete pürolüüs vesinikku sisaldava kasuliku kütuse saamiseks päikesetermokeemilise protsessi abil. Inseneriteaduste magister, märts 2007, Sydney.

39. Senneca O., Chirone R., Masi S., Salatino P. Mittefossiilsete tahkekütuste termogravimeetriline uuring 1. Inertne pürolüüs. Energiakütus 2002; 16:653-660.

40. Cai J., Liu R. Uurimused vee aurustumisest biomassi pürolüüsi protsessis. Energiakütus 2007; 21:3695-7.

41. Yao F., Wu Q., Lei Y., Guo W., Xu Y. Looduslike kiudude termilise lagunemise kineetika: aktiveerimisenergia dünaamilise termogravimeetrilise analüüsiga. Polym Degrad Stabil 2008;93:90-8.

42. Li Z., Liu C., Che Z., Qian J., Zhao W., Zhu Q. Söe ja biomassi pürolüüsi analüüs hajutatud aktiveerimisenergia mudeli abil. Bioresource Techn 2009; 100:948-952.

43. Authier O., Thunin E., Plion P., Schönnenbeck C., Leyssens G., Brilhac J-F., Porcheron L. Tolmutatud kivisöe devolatilatsiooni kineetiline uuring boileri CFD modelleerimiseks. Kütus 2014; 122:254-60.

44. Chapman P.J., Morrison S. biomassi katla CFD modelleerimine ja disaini valideerimine. Engineering/ Finishing & Converting konverentsi materjalid 2001.

45. Dekterev A.A. Kõrgtemperatuursete tehnoloogiliste protsesside matemaatiline modelleerimine. Rahvusvahelise osalusega konverents “VIII All-Russian Universities Seminar on Thermophysics and Energy”. Aruannete kokkuvõtted. - Jekaterinburg, 2013.

46. Collazo J., Porteiro J., Miguez J.L., Granada E., Gomez M.A. Väikesemahulise biomassi katla numbriline simulatsioon. Energy Conv ja Manag 2012; 64:87-96.

47. Hajek J., Jurena T. 1 MW tahke biomassi põletusseadme modelleerimine: lihtsustatud bilansipõhine voodimudel koos vabaparda CFD simulatsiooniga. Chem Eng tehingud 2012; 29:745-750.

48. Porteiro J., Collazo J., Patino D., Granada E., Gonzalez J.C.M., Miguez L. Biomassi pelletiga kodumajapidamises kasutatava katla numbriline modelleerimine. Energia ja kütused 2009; 23: 1067-75.

49. Chaney J., Liu H., Li J. Ülevaade väikesemahuliste fikseeritud kihiga biomassi pelletikatelde CFD modelleerimisest koos esialgsete tulemustega lihtsustatud lähenemisel. Energy Conv ja Manag 2012;63:149-56.

50. Papadikis K., Gu S., Bridgwater A.V., Gerhauser H. CFD rakendamine biomassi kiire pürolüüsi modelleerimiseks. Fuel Proc Techn 2009;90:504-12.

51. Ion V., Popescu F., Rolea G. Biomassi pürolüüsi mudel CFD rakendamiseks. J Therm Anal Calorim 2013; 111:1811-15.

52. Al-Abbas A.H., Naser J., Dodds D. Pruunsöe õhuga fikseeritud ja hapnikuga põletamise CFD modelleerimine 100 kW ahjus. Kütus 2011; 90: 1778-95.

53. Yang Y.B., Yamauchi H., Nasserzadeh V., Swithenbank J. Kütuse devolatilatsiooni mõjud hakkepuidu põletamisele ja simuleeritud tahkete olmejäätmete põletamisele pakitud voodis. Kütus 2003; 82:2205-2221.

Sissejuhatus

Biokütus on puhas taastuv energiaallikas. Puitbiomassi oluline omadus on see, et see praktiliselt ei sisalda väävlit ja fosforit, seega on selle põlemisel gaasilised lõppsaadused süsinikdioksiid ja veeaur. Lisaks on biokütuste – toodete, mis kuuluvad süsinikdioksiidi tootmise ja tarbimise suletud tsüklisse – laiendatud kasutamine on atraktiivne alternatiiv kaasaegse energeetika arendamisel.

Puidujäätmete töötlemise võimalikkuse hindamine näitab nende energiakasutuse laiaulatuslikke väljavaateid, samas on palju tegureid, mis puidu biomassi kasutamise efektiivsust teatud määral mõjutavad. Näiteks puitkütuste niiskusesisaldus võib varieeruda üsna laias vahemikus. See põhjustab teatud raskusi nende kasutamisel olemasolevates põletusseadmetes. Kütuse osakeste suuruse jaotus mõjutab oluliselt ka põlemistõhusust. Osakeste suuruse kõrvalekalded nii üles- kui allapoole optimaalsest antud tüüpi põletusseadme jaoks vähendavad selle töö efektiivsust. Lisaks on erinevate puitbiomassi tüüpide füüsikalis-keemilistel ja termilistel omadustel mõningaid erinevusi, mistõttu puitbiomassi spetsiifiliste omaduste tundmine võimaldab kvalifitseeritult välja töötada ja rakendada meetmeid katlaagregaatide majanduslikult ja keskkonnasäästlikuks tööks.

Sellega seoses on väga kiireloomuline ülesanne puitkütuse põletamisel toimuvate protsesside uurimine, erinevate tegurite mõju uurimine puitkütuse põletamise efektiivsusele. Selle lahendamiseks kasutatakse termoanalüüsi meetodeid.

Termoanalüüsi saab läbi viia kas kompleksse termoanalüüsi skeemi järgi, mis ühendab termogravimeetria (TG analüüs), diferentsiaaltermoanalüüsi (DTA analüüs), gaasikromatograafia (GC analüüs) ja gaaside infrapuna spektrofotomeetria (IR analüüs) ühes paigaldises. Seal on nii pikka aega kaubanduslikult toodetud derivatograafid kui ka kaasaegsed sünkroontermoanalüsaatorid.

Termoanalüüsi kasutavate uuringute edukuse määrab suuresti tehniliste seadmete tase. Esiteks kehtib see selliste füüsikalis-keemiliste meetodite kohta nagu termogravimeetriline ja diferentsiaaltermoanalüüs.

Praegu toodetakse maailma erinevates riikides suurel hulgal spetsiaalselt termilise analüüsi jaoks mõeldud seadmeid. Kui algselt spetsialiseerusid üksikud ettevõtted ühte või kahte tüüpi seadmete tootmisele, siis nüüd on tendents toota seadmekomplekse, mis pakuvad kõige täielikumat uurimistööd mitmesuguste materjalide termokeemiliste ja termofüüsikaliste omaduste kohta.

Biokütuste analüüsimise termiliste meetodite teemal on töid üsna palju, alates 1868. aastast on avaldatud rahvusvahelistes andmebaasides paiknevate termogravimeetriliste analüüside töid (Science Directi andmed). Kui arvestada Venemaa andmebaase, ei sisalda neis kuigi palju biokütuste termogravimeetriliste uuringutega seotud töid.

Andmebaasis (raamatukogus) on 1139 termogravimeetria teemadele pühendatud teost. Need on peamiselt erinevate keemiliste komponentide, segude jms termogravimeetrilised uuringud. Tahkekütuste osas on avaldatud mitmeid töid söe (Kanski-Achinski basseini) termogravimeetriliste ja kineetiliste uuringute kohta, kandidaaditöö kaitsti teemal: „Kompleksse termilise analüüsi täiustamine ja rakendamine energiakasutuse praktikas. Kansk-Achinsk söed. Seda teemat uuritakse aktiivselt Krasnojarski Riiklikus Tehnikaülikoolis. Kuid töötage biokütuste uurimisel termilise analüüsi meetodite abil: erinevate liikide puit, puidugraanulid (graanulid), briketid jne. Vene ajakirjadest ei piisa.

Venemaa ajakirjades on kompleksse termoanalüüsi teemal avaldatud 284 tööd. Neist ainult üks töö on pühendatud biokütuste uurimisele toiduainetööstuses ja töötlevas tööstuses: "Puidu termolüüsiprotsesside põhjalik termiline analüüs." Ülejäänud töödes kirjeldatakse erinevate metallide kompleksset termilist analüüsi, termokeemilisi transformatsiooniprotsesse jne. Venemaa ajakirjad, mis avaldavad selleteemalisi töid, on "Tahkekütuse keemia", "Rakenduskeemia ajakiri", "Taimsete toorainete keemia" jne.

Seega on vene tehnikakirjanduses ebapiisavalt tähelepanu pööratud tahkete kütuste uurimisele termilise analüüsi meetodite, eriti puidu biokütuste abil.

Rahvusvahelised ajakirjad, mis avaldavad selleteemalisi töid, on: Thermochimica Acta, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, Fuels, Bioresource and Biotechnology, Biomass and bioenergy, Fuel processing technology. Nendes ajakirjades on avaldatud palju töid, mis kirjeldavad erinevate biomassi tüüpide termogravimeetrilisi uuringuid: riisikestad, elevandirohi, artišokid, pähklikoored (Areca catheu), veebiomass: mikrovetikad ja pardirohi. Samuti on toornafta, biodiisli, palmiõli ja mineraaldiisli uurimisega seotud töid. Puidu biokütuseid käsitlevate tööde hulgas on artikleid papli ja pöögi, viljapuu ja Aadamapuu, aga ka mõnede okaspuuliikide termogravimeetriliste ja kineetiliste uuringute tulemuste kohta. Siiski ei piisa rahvusvahelistes väljaannetes avaldatud publikatsioonidest, mis paljastavad erinevate puiduliikide ja puidu biokütuste termogravimeetriliste ja kineetiliste uuringute tervikpildi.

Instrumentide seeria analüüs
termilise analüüsi jaoks

Töö eksperimentaalne osa viidi läbi peamiselt järgmiste ettevõtete seadmetel: Netzsch Geratebau GmbH. Selb (Saksamaa), Mettler Toledo (Šveits), Perkin-Elmer Instruments (USA), Shimadzu Corporation (Jaapan), TA Instruments (USA).

Ettevõte Netzsch Geratebau GmbH. Selb (Saksamaa) toodab sünkroonset termoanalüsaatorit STA 449 Jupiter, mis töötab temperatuurivahemikus 25-1300 °C. Temperatuuriregulaator pakub kümmet küttekiirust vahemikus 0,1 kuni 100 °C või 0,1 kuni 10 °C/min. Kaalupiir - 10 g (koos tiigliga), massi mõõtmise intervall 12,5 kuni 500 mg, täpsus + 0,05 mg. Diferentsiaaltermoanalüüsi jaoks on tundlikkus 25 µV kuni 1 mV. Seade töötab inert- ja reaktsioonigaasi puhumisel läbi reaktsioonikambri või vaakumis kuni 10-3 Pa. Eraldunud gaaside registreerimiseks on võimalik kinnitada ESA kinnitus, mis radioaktiivsete gaasiaatomite määramise alusel saadetakse kandegaasi vooluga termoanalüsaatori 403 ETA kataromeetrile.

Mettler Toledo (Šveits) termoanalüsaatorid TGA/SDTA võimaldavad samaaegseid termogravimeetrilisi ja diferentsiaalsoojusmõõtmisi. Töötemperatuuri vahemik 20 kuni 1100 või 1600 °C, kuumutuskiirus 0,01 kuni 100 °C/min; jahutusaeg 1000 kuni 100 °C 20 minutiga; sisseehitatud ultramikrokaalud kaalupiiriga 1 või 5 g, eraldusvõimega 1 või 0,1 μg. Seade rakendab ultramikrokaalude automaatset kalibreerimist sisseehitatud raskuste abil; DTA signaali eraldusvõime on - 0,005 °C; puhaste metallide standardproovide sulamistemperatuuridel põhinev kalibreerimine; ahju horisontaalne paigutus minimeerib töögaasi ebaühtlasest tarnimisest tingitud vigu; suletud ahi annab võimaluse töötada erinevates gaasikeskkondades, samuti vaakumit kuni 0,1 Pa; automaatne juhtseade kahe töögaasi jaoks; automaatne proovivõttur prooviseeria automaatseks analüüsiks; liidesed, mis pakuvad ühendust Fourier' transformatsiooni infrapuna- ja massispektromeetritega vabanenud gaasiliste toodete analüüsimiseks; lai valik tiigleid erinevatest materjalidest proovide jaoks mahuga 30 kuni 900 µl.

Perkin-Elmer Instruments (USA) on termoanalüüsi seadmeid välja töötanud aastaid. Termogravimeetria instrumente esindavad Pyris TGA mudelid. Neid iseloomustab kõrge tundlikkus, kasutus- ja hooldusmugavus. Kõigi protsesside kõrge automatiseerituse tase võimaldab minimeerida seadme seisakuid ja praktiliselt välistada juhuslikud vead, mis on põhjustatud operaatori valest tegevusest seadme laadimise etapis. Seade on ette nähtud töötama temperatuuridel kuni 1000 °C ja 1500 °C. Lisaks saab seadme varustada heitgaaside analüüsimiseks automaatse proovivõtturi või massispektromeetriga. Lisaks toodab see ettevõte kaubamärgi STA 6000 sünkroonset termoanalüsaatorit, mida kasutatakse laialdaselt termogravimeetriaga tegelevate teadlaste seas. See analüsaator, nagu paljud teised, töötab automaatrežiimis tarkvaraga, mis võimaldab saada automaatrežiimis TG, DTG, DSC ja massimuutuste kõveraid.

Shimadzu Corporation (Jaapan) pakub mitut tüüpi termoanalüütilisi instrumente. Nende hulka kuuluvad instrumendid TGA 50/50H ja TGA 51/51H, mis võimaldavad analüüsida temperatuurivahemikus 20–1000/1500 °C kuumutamiskiirusega 0,1–50/100 °C/min. Proovi massi muutumise vahemik on 20 mg kuni 2 g. Selle ettevõtte arenduste peamiste tehniliste eeliste hulgas on termoanalüüsi tööjaam TA 600 WS, mis võimaldab kombineerida nelja TGA51/51H tüüpi termoanalüsaatorit. TG, DTG, DTA, DSC mõõtmiste automaatne registreerimine ja juhtimine - toodete gaasianalüüsi andmed ja tulemused liidese kaudu RS 232. See ettevõte toodab ka seadmeid, mis võimaldavad salvestada kromatogramme. Uusim uuendus on GC-MS QP2010Plus (Shimadzu, Jaapan), mis on varustatud pürolüüsisüsteemiga EGA/PY-3030D (Frontier Lab, Jaapan). Saadud tulemusi töödeldakse GCMS Solution 2.72 tarkvara abil. Termiline lagunemisprotsess toimub hapniku juurdepääsuta, mis võimaldab analüüsida vabanenud gaasikomponente.

Termoanalüsaatorite tootmisega tegeleb lisaks eelpool käsitletud ettevõtetele ka palju teisi ettevõtteid, näiteks Stanton Redcroft analüsaatoriga Unirelax, mis võimaldab samaaegselt termogravimeetriliste ja termiliste analüüsidega mõõta materjalide mehaanilisi ja dielektrilisi omadusi, depolarisatsiooni mõõtmised, termomehaaniliste kõverate lugemine, viskoossuse mõõtmine Ettevõte "Ulvac Sinku-Rika" (Jaapan) toodab termoanalüütiliste instrumentide seeriat; Du Pont (USA) toodab termoanalüütiliste instrumentide komplekti: Thermal Analysis System; Linseisi ettevõte (USA) töötab välja tööstuslikke seadmeid termoanalüütiliste uuringute jaoks. Leco Corporationi (USA) termoanalüütilised seadmed on hea funktsionaalsusega; Termoanalüütiliste uuringute kõrge täpsuse tagab Rheometric Scientific, Inc (USA) termoanalüsaatorite seeria. Paljud neist seadmetest pole aga teadlaste seas laialdaselt kasutusel ning teaduspublikatsioonides on vähe töid, kus eksperimentaalne osa viidi läbi nende tootjate seadmetega.

Kirjanduse analüüs
termogravimeetria järgi
uurimine

Nagu eespool mainitud, on termogravimeetriliste uuringute kohta avaldatud umbes kaks tuhat artiklit. Enamik töödest avaldati ajakirjades Thermal Analysis and Calorimetry ja Thermochimica Acta. Artiklis esitatakse kuiva biomassi pürolüüsiprotsessi termogravimeetriliste uuringute tulemused: teravili, kaer, põhk, energiaistandused (cukrosorgo). Antakse iga uuritud materjali termilised omadused. Need on niiskus, lenduvate ainete sisaldus, tuhasisaldus ja madalam kütteväärtus. Uuritud biomassi keskmine niiskusesisaldus kõikus 5-10%, tuhasisaldus 2-5%, lenduvate ainete sisaldus keskmiselt 85%, madalam kütteväärtus 15,5 MJ/kg. Nende andmete põhjal võime järeldada, et lenduvate ainete sisaldus on kõrge, niiskusesisaldus madal, kuigi artiklis ei kirjeldata mingeid täiendavaid kuivatamisprotsesse. Ka tuhasisaldus on väike ja alakütteväärtus puidu biokütuste tasemel. Vastavalt uuritavate proovide elementaarsele koostisele on antud andmed süsiniku, vesiniku, lämmastiku ja hapniku sisalduse kohta õhukuivmassi kohta, mida saab võrrelda puidu biokütuse väärtustega ja jäävad vahemikku 45, vastavalt 7, 1, 44%. Erinevalt puidu biokütusest ilmneb antud põllukultuuride proovides väike väävli- ja kloorisisaldus - vastavalt 1 ja 0,05%. Jõukatelde biokütuste valikul tuleb arvestada Cl/S suhtega. Selle suhte piirväärtus on 0,454. Sellest väiksema väärtuse korral väheneb kloori söövitava toime intensiivsus järsult, kuna katla ahjus on suurem kalduvus mineraalsete väävlikomponentide tekkeks. Edasi kirjeldatakse artiklis lenduvate ainete kuivamise ja vabanemise protsesse inertses keskkonnas (argoonis) gaasivoolukiirusel 50 ml/min, iga proovi kohta saadakse TG ja DTG kõverad. Massispektroskoopia meetodi alusel viidi läbi gaasiliste saaduste kvalitatiivne ja kvantitatiivne analüüs. Artiklis on toodud ka madalama kütteväärtuse väärtused, mis määrati kalorimeetrilise paigaldise abil, ja gaasiliste toodete osakaalu protsendid: H2, CH4, H2O, CO, CO2. Põllumajanduslike biomassi pürolüüsitoodete kütteväärtused on näidanud, et neid saab kasutada gaasiturbiinide ja elektrikatelde jaoks.

Paljud termogravimeetrilisi uuringuid käsitlevad artiklid on kombineeritud kineetilise analüüsiga. Käesolevas artiklis viidi termogravimeetriliste andmete põhjal läbi riisikestade ja elevandirohu kineetiline uuring. Antakse pürolüüsiprotsessi teoreetiline kirjeldus, selle toimumise viisid ja tekkivad produktid. Uuringu eesmärk on analüüsida termilise lagunemise protsessi ja määrata selle kineetilised parameetrid, näiteks hemitselluloosi ja tselluloosi (holotselluloosi) sidemete purustamiseks vajalik aktivatsioonienergia. Kineetiline uuring viidi läbi holotselluloosi termilise lagunemise vahemikus (hemitselluloos + tselluloos) termogravimeetrilise analüüsi andmete põhjal, kasutades Ozawa-Flynn-Walli ja vaba kineetika mudeleid. Töös on antud ka matemaatilised arvutused aktivatsioonienergia, preeksponentsiaalse teguri ja reaktsioonijärjekorra määramiseks. Võrreldes riisi kesta ja elevandirohu elementaarse termofüüsikalise analüüsi andmeid, võime järeldada, et uuritud proovid erinevad omaduste poolest nii puidu biokütusest kui ka põllukultuuride biomassist, nimelt väiksema lenduvate ainete sisaldusega: riisi kesta puhul 52% ja elevandirohu puhul 65%, kõrgem tuhasisaldus: vastavalt 34% ja 7%, niiskusesisaldus ei ületanud 10%. Elementanalüüs näitas puitbiokütuse ja põllukultuuride biomassiga võrreldes madalamat süsiniku, hapniku, kuid kõrgemat vesiniku sisaldust. Klassikalised TG ja DTG kõverad on toodud tulemuste ja arutelu jaotises. Antud kõverad näitavad selgelt kuivamisprotsessi ja lenduvate ainete eraldumist. DTG kõveral on üks väljendunud tipp, mis kirjeldab lenduvate ainete vabanemise protsessi. Käesolevas töös on välja toodud ka Ozawa-Flynn-Walli ja vaba kineetika mudelite põhjal kõverad aktivatsioonienergia määramiseks sõltuvalt lagunemisastmest. Riisikestade keskmised aktiveerimisenergiad Ozawa-Flynn-Walli mudeli ja vaba kineetika mudeli põhjal olid vastavalt 221 ja 229 kJ/mol ning elevandirohu puhul 218 ja 227 kJ/mol. Saadud aktiveerimisenergiatest järeldatakse, et riisikest vajab rohkem energiat hemitselluloosi ja tselluloosi polümeeride lagundamiseks, mis on seletatav suurema tuhasisaldusega, mis toob kaasa piirangud soojus- ja massiülekandes. Uuritud biokütuseid iseloomustab sarnane termiline käitumine vaatamata nende komponentide (hemitselluloosi, tselluloosi, ligniini ja tuhasisaldus) erinevatele vahekordadele.

Artiklis esitatakse maapirni termogravimeetriliste ja kineetiliste uuringute tulemused. Seda köögivilja kasvatati soolases pinnases Yantai provintsis (Hiina). Mugulat kuivatati neli päeva, seejärel jahvatati ja sõeluti läbi 125 mikroni suuruse sõela. Termogravimeetriline uuring viidi läbi Mettler Toledo TGA/DSC1 STARe analüsaatoriga. Proovi massiks valiti 7–10 mg, mida kasutatakse tavaliselt enamikes katsetes. Pürolüüsiprotsessi kineetika hindamiseks valiti hajutatud kineetilise aktiveerimise energia mudel. Maapirni niiskuse, lenduvate ainete sisalduse, fikseeritud süsiniku- ja tuhasisalduse keskmised väärtused olid: 3,0; 75,0; 18,0; vastavalt 5,0%. Lenduvate ainete, süsiniku ja tuha sisaldus on võrreldav puidu biokütuste väärtustega. TG ja DTG analüüside iseloomulikud kõverad jagati kolme etappi. Esimene etapp, mis toimub temperatuurivahemikus ümbritsevast kuni 170 °C, teine aste vahemikus 170 °C kuni 420 °C. Kolmas etapp vastab temperatuurivahemikule 420 °C kuni 700 °C. Sõltuvalt uuritava materjali muundamise astmest saadi kineetiliste karakteristikute väärtused (aktivatsioonienergia, preeksponentsiaalne tegur, reaktsiooni järjekord). Maapirni keskmine aktiveerimisenergia oli 172 kJ/mol, mis on oma väärtuselt lähedane nii puidu biokütustele kui ka muudele biomassiliikidele. Jõuti järeldusele, et maapirni pürolüüsiprotsess toimub kolmes etapis, kusjuures põhiosa termilisest lagunemisest toimub temperatuurivahemikus 190–380 °C. Jaotatud kineetilise mudeli alusel arvutatud mugulaproovide aktivatsioonienergia jääb vahemikku 146–232 kJ/mol, olenevalt lagunemisastmest.

Esitatakse erinevate puiduliikide katseandmete analüüs: haab, kask, tamm ja mänd. Selles töös viidi läbi TG uuringud ja kineetiline analüüs õhus. Puidu biokütus koosneb hemitselluloosist, tselluloosist ja ligniinist, mis lagunevad temperatuurivahemikus: 225-325, 305-375 ja 250-500 °C. Oksüdatiivne protsess koosneb kahest etapist: esimene on biomassi põhikomponentide, lenduvate ainete vabanemise protsess ning teine etapp on ligniini lagunemine ja koksi jääkide põletamine varases staadiumis. See protsess erineb oluliselt inertses keskkonnas toimuvast termilise lagunemise protsessist, kuna hapniku olemasolul on tohutu mõju ja see põhjustab täiendavaid raskusi, näiteks materjalide lagunemisastme suurenemist madalatel temperatuuridel ja koksi jääkide põlemist. Selles artiklis käsitletakse eksperimentaalset seadet pürolüüsi ja põlemisprotsessi uurimiseks, saades kase, haava, tamme ja männi klassikaliste TG- ja DTG-kõverate kuumutamiskiirusel 10 °C minutis. Erinevalt inertsest keskkonnast on DTG kõveratel oksüdeerivas keskkonnas kaks iseloomulikku piiki. Esimene tipp vastab lenduvate ainete maksimaalsele eraldumise kiirusele ja teine iseloomustab koksijäägi põlemist. TG ja DTG uuringud viidi läbi ka suure kuumutuskiirusega 100 °C/min. DTG kõveral suure kuumutuskiiruse korral on erinevalt madalast kuumutuskiirusest vähem väljendunud tipp, mis kirjeldab koksijäägi põlemisprotsessi. Artiklis määratakse kindlaks lenduvate ainete eraldumise protsessi aktiveerimisenergiad. Kineetiline mudel põhineb Arrheniuse seadusel. Sel juhul võeti esimesena reaktsiooni järjekord. Sellele teooriale tuginedes arvutatakse kineetilised parameetrid korrelatsiooniväärtustega lineaarse regressioonikõvera alusel. Selles artiklis on kogu termilise lagunemise protsess jagatud kaheks eraldi reaktsiooniks ja igaüht neist kirjeldab Arrheniuse seadus esimest järku. Esimese reaktsiooni aktiveerimisenergia madalal temperatuuril erineb erinevate puiduliikide puhul veidi ja jääb vahemikku 104–125 kJ/mol. Aktiveerimisenergia väärtus suureneb kuumutuskiiruse suurenedes. Seevastu reaktsiooni teise etapi aktivatsioonienergia on erinevate kivimite vahel väga erinev ja jääb vahemikku 89–220 kJ/mol ning muutub sujuvamalt kuumutamiskiiruse suurenedes. Töös tehakse järeldused puiduproovide niiskuse aurustumisest, mis hakkab aurustuma temperatuuril üle 80 °C ja jätkub kuni materjali temperatuurini 120 °C. Temperatuuril 120 °C kuni 240 °C on katsetava materjali massis väike muutus, temperatuurivahemikus 240–360 °C loetakse pürolüüsiprotsess endotermiliseks, 320–450 °C puiduosakesed pürolüüsivad kiiremini ja toimub kiire ja märkimisväärne massikadu. Struktuurimuutusi esindab söekihi kokkusurumine ja lõhenemine.

Ajakirjas "Bioresource Technology" ilmus artikkel, milles kirjeldatakse puidu termilise lagunemise mehhanisme (kase näitel) inert- ja õhukeskkonnas, kasutades hajutatud aktivatsioonienergia mudeli meetodeid. Võrreldi globaalse kineetika mudeli ja hajutatud aktiveerimisenergia mudeli abil määratud aktiveerimisenergia väärtusi. Katseosa viidi läbi Mettler Toledo TGA/SDTA 8951E termoanalüsaatoriga inertses (lämmastik) keskkonnas erinevate kuumutuskiirustega: 5, 10, 15, 20, 30 ja 40 °C/min. Artiklis kirjeldatakse üksikasjalikult teoreetilisi arvutusi, mis kirjeldavad aktiveerimisenergia määramise hajutatud mudelit ja globaalset kineetilist mudelit. Artiklis jõuti ka järeldusele, et puidu termilise lagunemise määrab peamiselt tselluloosi lagunemise protsess. Sõltuvalt lagunemisastmest on hajutatud mudeli abil määratud kase aktivatsioonienergia väärtused vahemikus 175 kuni 235 kJ/mol. Esitatakse andmed kase ja männi aktiveerimisenergiate kohta, mis on määratud globaalse kineetilise mudeli abil. Sõltuvalt kuumutuskiirusest varieeruvad väärtused vahemikus 120 kuni 250 kJ/mol. Seega jääb keskmine väärtus 180 kJ/mol piiresse. Kokkuvõttes tehakse järgmised järeldused, et globaalne kineetiline mudel kirjeldab termilist lagunemist reaktsioonide kaudu, mis on ülekaalus massikao põhifaasis (lenduvate ainete saagise vahemikus). Eksperimentaalsete andmete põhjal ekstrapoleeritud kõrge korrelatsioonikordaja (R2>0,9) tõttu saab globaalset kineetilist mudelit rakendada biokütuste termilise lagunemise protsessi kirjeldamiseks nii inertses kui oksüdeerivas keskkonnas. Jaotatud kineetiline mudel kirjeldab biomassi lagunemise protsessi pöördumatute esimest järku reaktsioonide süsteemi abil. Jaotatud kineetilise mudeli tulemuste kohaselt olid aktiveerimisenergia väärtused kõrgemad kui globaalse kineetilise mudeli puhul. Jaotatud kineetilist mudelit ei saa kasutada biokütuste termilise lagunemise protsessi kirjeldamiseks oksüdeerivas keskkonnas teises etapis toimuvate reaktsioonide keerukuse tõttu.

Novosibirski Riikliku Ülikooli teadlased prof. O.P. Korobeinitšev avaldas töö, mis iseloomustas siberi männi termilise lagunemise ja põlemise protsessi. Materjalideks valiti uuringuks männikoor, männiokkad ja puidu tüveosa. Uuringud viidi läbi aeglastel kuumutamiskiirustel (10, 20, 30, 40 ja 50 K/min) Netzsch STA 409 PC sünkroontermoanalüsaatoril ja kiirel kuumutamisel kvartsvoolureaktoris (100-200 K/s). Samuti kirjeldatakse käesolevas artiklis kõiki puitkütuse termilise lagunemise ja põlemise protsessi keemilisi etappe ning kirjeldatakse termilise lagunemise protsessi tulemusena eralduvate gaasiliste toodete koostist. Metsakütuste kineetika kirjeldamiseks on välja pakutud “pseudo-kahekomponentne eraldi etappidega esmajärguline mudel”, mille pürolüüsiprotsessis eristatakse kolme etappi. Männitüvepuidu aktivatsioonienergia küttekiirustel 10-100 K/min jääb vahemikku 112-125 kJ/mol. Teise etapi aktiveerimisenergia väheneb 145-lt 80 kJ/mol-le koos kuumutamiskiiruse suurenemisega 10-100 K/min. Artiklis esitatakse ka klassikalised massikadu kõverad sõltuvalt temperatuurist erinevatel kuumutamiskiirustel: 10, 20, 30, 40, 50 K/min männikoorest võetud proovide puhul inertses keskkonnas (heeliumikeskkond) ja oksüdeerivas keskkonnas (heelium ja 21). % hapnikku). Tabel on toodud männivarre, männikoore ja männi okaste proovide keskmiste aktiveerimisenergia väärtustega. Aktiveerimisenergiad jäävad vahemikku 164–184 kJ/mol.

Itaalia teadlaste Perugia ülikoolist avaldatud papli termilise lagunemise protsessi termogravimeetrilist ja kineetilist analüüsi tutvustavas artiklis ei pakuta mitte ainult mis tahes mudeli alusel määratud kineetiliste karakteristikute väärtusi, vaid esitatakse ka võrdlus. erinevate mudelite alusel määratud kineetiliste omaduste kohta. Seega on artiklis toodud Kissingeri meetodil määratud aktiveerimisenergia väärtus, mis on 153,92 kJ/mol. Kissingeri meetod kuulub mitteisotermiliste meetodite vaba kineetika mudelisse, sealhulgas Ozawa-Flynn-Walli ja Vyazovkini mudelite hulka. Võrdluseks annab see töö papli aktiveerimisenergiate, eksponentsiaalse teguri ja lagunemisastme väärtuste tabeli, mis on määratud erinevate mudelite alusel: Ozawa-Flynn-Wall ja Kissinger. Väärtused sobivad omavahel hästi ja neil on sarnased väärtused. Seega on Ozawa-Flynn-Wall mudeli põhjal määratud keskmine aktiveerimisenergia 158,58 kJ/mol, mis on väga lähedane Kissingeri mudeli põhjal määratud aktiveerimisenergiale (153,92 kJ/mol). Katsed viidi läbi inertses keskkonnas (lämmastik) neljal erineval kuumutuskiirusel: 2, 5, 10, 15 K/min ning vastavalt sellele määrati kineetilised karakteristikud termogravimeetrilise analüüsi andmete põhjal madalatel kuumutamiskiirustel. Artiklis esitatakse ka tootest saadud aktiveerimisenergia väärtus kõrgel kuumutuskiirusel 100 K/min, mis võrdub 54,1 kJ/mol. Väärtuste erinevus on seletatav asjaoluga, et selles töös kasutatakse spetsiaalset tehnikat kiiresti kasvava papli pürolüüsi protsessi uurimiseks lõpptemperatuurini 700 °C.

Kirjanduses on ka erinevate puiduliikide TG-d ja kineetilisi analüüse kirjeldavaid töid. On avaldatud mitmeid töid, mis kirjeldavad erinevate materjalide TG analüüsi ja käitumist: plastik, puidu derivaadid, niiskuse aurustumisprotsessid, erinevad kiud.

Suur hulk töid on pühendatud vedelkütuste uurimisele: kütteõli, biodiislikütus, palmiõli ja mineraaldiislikütus.

Kütteõli aktiveerimisenergia määrati ka standardsete Friedmani ja Ozawa-Flynn-Wall mudelite abil. Sõltuvalt lagunemisastmest jääb kütteõli aktiveerimisenergia vahemikku 80–170 kJ/mol. Teatud tüüpi kütteõli puhul on aktiveerimisenergia väärtused lagunemisastmel α = 0,9 vahemikus 244 kJ/mol. Kütteõli keskmine aktivatsioonienergia kogu põlemisprotsessi jooksul jääb vahemikku 120-130 kJ/mol. Need aktiveerimisenergia väärtused määrati Thermokinetics tarkvara abil, mis arvutab termogravimeetriliste andmete põhjal aktiveerimisenergia väärtused. See töö on üks väheseid, mis kirjeldab vedelkütuste kineetikat ja termilist lagunemist, kasutades näitena kütteõli.

Artiklis viidi termogravimeetriline analüüs läbi Shimadzu termotasakaalu mudelil TGA-50 temperatuurivahemikus 303 kuni 873 K kuumutamiskiirusega 283 K/min inertses keskkonnas lämmastiku voolukiirusega 50 ml/min. Uuriti biodiisli, palmiõli ja mineraaldiisli proove. Kineetiline mudel põhineb üldisel Arrheniuse võrrandil, mis on täiendavalt integreeritud Ozawa-Flynn-Walli mudeli põhjal. Kineetilised parameetrid määrati TG kõverate põhjal, mis olid joonistatud kolmel erineval kuumutamiskiirusel: 10, 15, 20 °C/min. Mineraaldiislil oli keskmine aktiveerimisenergia 44,9 kJ/mol, biodiislil 76,37 kJ/mol, palmi diislil 87 kJ/mol. Kokkuvõttes tehakse järeldused keemistemperatuuri määramise ja selle sõltuvuse kohta lenduvate komponentide sisaldusest. Mineraaldiislil on palju lenduvaid aineid võrreldes palmidisli ja biodiisliga ning sellest tulenevalt madalam aktivatsioonienergia väärtus.

Suurt tähelepanu pöörati söe uurimisele nii välismaal kui ka meil. Artiklis on toodud andmed bituumensete ja lahja kivisöe kineetilisest analüüsist võrreldes biomassiga (maisivars). Söel on kõrgem aktiveerimisenergia väärtus kui biokütustel, mis jääb vahemikku 290–340 kJ/mol, nimelt bituumensöe puhul 299 kJ/mol ja lahja kivisöe puhul 338 kJ/mol.

Mulhouse'i Haute-Alsace'i ülikooli riskijuhtimise ja keskkonnakaitse laboratooriumi teadlased (Prantsusmaa) on avaldanud tööd kahte tüüpi kivisöe: Kolumbia ja Lõuna-Aafrika söe kineetilise uuringu kohta. Uuringud viidi läbi Haute-Alsace'i ülikooli laboris toodetud langevat tüüpi reaktoris. Söe puhul saadi väärtused vastavalt 120 ja 119 kJ/mol. Need väärtused on alla keskmise, kuna nende määramiseks kasutati optimeeritud parameetritega Kobayashi skeemi. Artiklis kirjeldatakse üksikasjalikult teoreetilisi arvutusi selle meetodi abil kineetiliste parameetrite määramiseks.

Kokkuvõttes võib järeldada, et andmeid kineetiliste omaduste kohta saab kasutada lenduvate ainete eraldumise protsesside arvulisel modelleerimisel, lenduvate ainete eraldumise protsessi enda massibilansi ja energiabilansi arvutamiseks. Saadud kineetilisi karakteristikuid saab kasutada soojus- ja massiülekande võrrandites, millel põhineb simulatsiooniks loodud tarkvara tööalgoritm. Levinuim tarkvara on kaubanduslik toode Ansys Fluent, mis on mõeldud katlaagregaatide põlemisseadmetes toimuvate protsesside, nimelt põlemisprotsesside, soojus- ja massiülekande ning soojusülekande simuleerimiseks. Seda tarkvara ei kasuta mitte ainult teadlased protsesside simuleerimiseks, vaid ka suured katlaseadmete tootjad, nagu Alstom jt, samuti suure hulga vedelike dünaamika, soojusülekande ja põlemise, arvutuslike vedelike dünaamika meetodite ja probleemide simuleerimiseks. laialdaselt kasutatakse nende baasil realiseeritud tarkvarapakette (CFX, STAR, CCM+, OpenFoam, Flow Vision jne). Siberi föderaalülikool on välja töötanud oma tarkvarapaketi SigmaFlow, mis rakendab universaalsete CFD pakettide jaoks traditsioonilist metoodikat. See on algsete võrrandite diskretiseerimine kõverjoonelistes mitteortogonaalsetes koordinaatides tsentreeritud mallil; võrrandisüsteemi lahendamine globaalsete iteratsioonidega füüsikalisteks protsessideks jagamise kontseptsiooni raames, kasutades järjekindla rõhukorrektsiooni protseduuri (SIMPLE) Rhee-Chow regulaarsusega; transpordivõrrandite konvektiivliikmete diskretiseerimine implitsiitses osas, kasutades vastuvoolu ühepoolseid erinevusi ja eksplitsiitses osas korrektsioon kõrgemat järku lähendusskeemidele; diferentsiaalvõrrandite lahendamine multigrid meetodite abil.

Nii tööstuslike katlasõlmede kui ka väikese võimsusega katelde uurimise kohta on avaldatud mitmeid töid. Samuti on avaldatud mitmeid töid biomassi, ligniini pürolüüsiprotsessi CFD modelleerimise kohta.

Seega on paljulubavaks teaduslikuks suunaks termilise lagunemise protsessi kineetiliste karakteristikute määramine eksperimentaalselt või termogravimeetriliste andmete põhjal ning kineetiliste karakteristikute edasine kasutamine põletusseadmetes toimuvate protsesside modelleerimiseks.

Maryandõšev P.A., Tšernov A.A., Ljubov V.K. BIOKÜTUSE TERMILISE LAGUDE PROTSESSIDE UURIMINE JA SELLE ENERGIAKARUTUSE EFEKTIIVSUSE SUURENDAMISE VIISTE ARENDAMINE // International Journal of Experimental Education. – 2015. – nr 1. – Lk 29-37;
URL: http://expeducation.ru/ru/article/view?id=6316 (juurdepääsu kuupäev: 30.04.2019). Toome teie tähelepanu kirjastuse "Loodusteaduste Akadeemia" poolt välja antud ajakirjad

Reaktsioonid toatemperatuuril

Loengu konspekt

1. Ainete termilise lagunemise põhimõte.

2. Tsirkoonliiva lagunemine.

3. Kaoliini kuivatamine.

Dissotsiatsiooniprotsess, võttes arvesse saavutatud kõrgeid temperatuure, võib olla väga oluline ka muidu väga stabiilsete oksiidide puhul, mille dissotsiatsioonipinge on näidatud joonisel fig. 54. On teada, et oksiidide dissotsiatsioon toimub siis, kui dissotsiatsioonipinge ületab ümbritsevas atmosfääris oleva hapniku osarõhu.

Väga väikeses koguses hapnikku sisaldava gaasi kasutamisel võib hapniku osarõhk, näiteks argooni puhul, ulatuda mitme Pascali suurusjärku; võimalik on selliste tugevate sidemete nagu AlO 3, SiO 2 ja MgO dissotsiatsioon ja lagunemine.Avaldatud on ka töid MoS 2-st molübdeeni tootmisest.

Algse Hinarki (Shira-Korman) lagundustehnoloogiaga segati tulekindlate toorainete töötlemisel maaki ainult sellise koguse süsinikuga, et tagada vormitud küpsetatud elektroodi elektrijuhtivus. Edasise töö käigus jõuti järeldusele, et anoodi on võimalik saada maagi ja süsiniku segust, mis on lõdvalt grafiitpuuri pakitud. Tänu sellele oli võimalik säästa raha varraste elektroodide tootmisel. Mõlemat tüüpi anoodide puhul koosnes plasmaleek valdavalt üksikute elementide aurudest, sealhulgas teatud osa süsinikuaurudest, mis ulatusid ligikaudu 15–20%. Õhus vabalt kondenseeruvad põlemissaadused koosnesid oksiidide segust, mille atmosfääri sattus gaasiline süsinikmonooksiid. Kuigi lähteaine sisaldas keerulisi ühendeid, nagu eukseniit või tulekindlad silikaadid, leiti, et jahutamisel toimunud pöördreaktsioonide tulemusena tekkisid ainult lihtsad oksiidid (st monooksiidid) või isegi suboksiidid. Vabade aatomite ja ioonide kogu viibimisaeg suure kiirusega plasmaleegis on paljude aatomite kokkupõrgete toimumiseks liiga lühike. Nii näiteks tekib rodoniiti lähteainena kasutades peeneks dispergeeritud MnO ja SiO 2 ning berülliumi kasutamisel BeO, Al 2 O 3 ja SiO 2.

Joonis 54. Oksiidide dissotsiatsioonirõhu sõltuvus temperatuurist

Massispektroskoopia abil saab eristada erineva massiga laetud osakesi. Oksiidide vastastikuse eraldamise meetodeid elektrostaatilises või magnetväljas või fraktsioneeriva kondensatsiooniga on juba katsetatud. Edukaid tulemusi on aga saavutatud vaid kastepunkti eraldamisega, mille puhul kondenseerunud tahket ainet vastuvõttev filtrikollektor asetatakse põlemissaaduste voos kohta, kus temperatuur on üle soovimatute elementide või ühendite kastepunkti. Praktikas on aga otstarbekam suurem osa oksiididest seguna kokku koguda ja siis muul viisil töödelda. Põhimõtteliselt sarnaneb see kaheetapiline protsess tavapärase maagi töötlemise protsessiga, kus maagid esmalt sulatatakse, seejärel jahutatakse ja lõpuks eraldatakse neist metall. Ainus oluline erinevus seisneb selles, et plasma töötlemisel toimuvad reaktsioonid gaasifaasis ja vaheproduktiks on väga peen pulber, mis on väga reaktsioonivõimeline. Kogemused näitavad, et lahustuvad komponendid lahustuvad väga kiiresti, samas kui lahustumatud komponendid on filtreerimise teel kergesti eraldatavad. Kuigi tekkivate osakeste läbimõõt on väga väike (ainult 0,035 - 0,050 mikronit), ei moodusta need muda. Mõnedel oksiididel (sel viisil saadud) on mõnes lahustis anomaalne lahustuvus, mis on seletatav nende võre suure hävimisastme ja ebakorrapärase struktuuriga.

Tsirkooniumdioksiidi saamine tsirkoonliiva termilise lagundamise teel. 1970. aastal tellis Ionarc Smelter Ltd katsetehase tsirkooniumdioksiidi ja naatriumsilikaadi tootmiseks tsirkoonliivast.

Tsirkooniumdioksiidi toodetakse tavaliselt suures koguses tsirkoonliiva sulatamisel suure võimsusega kolmefaasilistes kaarahjudes süsinikelektroodidega. Sel juhul aurustatakse ränidioksiid, mille keemistemperatuur on madalam kui tsirkooniumdioksiidil, ja destilleeritakse välja. Pärast järelejäänud materjali jahutamist saadakse muutuvate omadustega tsirkooniumoksiidi terad, eriti terade keskel, kus jahtumine toimub aeglasemalt. Saadud kristalliitid on üsna suured. Ülejäänud lisandid kipuvad koonduma terade erinevatesse kohtadesse. Kuid enne purustamist puhastatakse ainult terade välispind (käitava personali äranägemisel). Sel juhul segatakse saadud materjal, mille tulemusena saadakse enam-vähem homogeenne lõpptoode, kuid mitte nii homogeenne kui plasma töötlemisel saadud tsirkooniumdioksiid. milles soojus mõjub absoluutselt ühtlaselt algmaterjali tühiselt väikestele üksikutele sfäärilistele osakestele.

Plasmaprotsesside tehnoloogias on põhikohal Ionaro tööstuslik plasmaahi. See on üldotstarbeline seade paljudeks kõrgtemperatuurilisteks töötlemistoiminguteks, mille käigus materjaliosakesed lastakse läbi plasma, mille temperatuur on ligikaudu 20 000 K.

Vertikaalse ahju ülemisse ossa laaditakse tsirkoonliiv kiirusega ligikaudu 180 kg/h, siin läbib see umbes 127 mm läbimõõduga ja 910 mm pikkuse kuuma tsooni. Igal hetkel on ahjus 1 kg töödeldud materjali.

Ahju seinad on vesijahutusega ja neil ei ole tulekindlat vooderdust. Kuuma tsooni pindala ja ruumala suhe on väike, mis vähendab soojuskadusid ja võimaldab laaditud materjalil sekundi murdosa jooksul sulada.

Energiatarve on vaid 1,32 kWh/kg võrreldes 9,9 kWh/kg tavalistes sublimatsiooniahjudes. Erinevalt nendest eemaldamispõhimõttel töötavatest ahjudest on plasmaahjudele iseloomulikud suured materjalivoolukiirused, pidev töö ja palju väiksemad kapitalikulud.

Põhimõtteliselt jääb kogu eraldamisel tekkinud ränidioksiid ahju tahkeks. See hoiab ära ränidioksiidi kaasahaaramisest tingitud õhusaaste, mida tavaliselt täheldatakse tsirkoonliiva ümbersulamisel. Ahjust väljuv materjal on eraldatud tsirkoonliiv, milles üksikud osakesed ei koosne enam tsirkooniumsilikaadist, vaid tsirkooniumdioksiidi ja ränidioksiidi segust. Plasmaahju väga kõrgete temperatuuride ja sellele järgneva kiire jahutamise tõttu on lähteaine lagunemine kaheks oksiidiks peaaegu täielik. Edasise töötlemise järjekord on näidatud joonisel fig. 55.

1 - plasmaahi; 2 - tsirkoonliiv; 3 - kasutatud NaOH; 4 - naatriumhüdroksiidi vesilahus: 5 - leostumise esimene etapp; 6 - leostumise teine etapp; 7 - valamu; 8 - kuivati; 9 - filtreeritud vesi; 10 - tsentrifuug; 11 - puhastatud naatriumsilikaadi lahus; 12 - lagunenud tsirkoonium

Joonis 55. Tsirkoonliiva töötlemise skeem madala temperatuuriga plasmas

Plasmaseadmetes toodetud ränidioksiid on amorfne ja sellel on kõrge reaktsioonivõime. Amorfset ränidioksiidi saab kergesti ekstraheerida tühistestt, millega see on segatud. Eraldamiseks piisab 50% naatriumhüdroksiidi lahusest, mille keemistemperatuur on 258°C. Ekstraheerimine toimub kahes etapis. Esimeses etapis reageerib plasmaahjus saadud materjal ekstraheerimise teises etapis osaliselt kasutatud naatriumhüdroksiidiga, mille tulemusena eemaldatakse segust suurem osa olemasolevast ränidioksiidist. Samal ajal neutraliseeritakse osaliselt kasutatud naatriumhüdroksiid, et saada naatriumsilikaat reaktsiooniga:

ZrO 2 + SiO 2 + 2NaOH = Na 2 SiO 3 + ZrO 2 + H 2 O

Anumast, milles ekstraheeriti, valatakse kergem kõrge viskoossusega vedelik, lahjendatakse veega ja tsentrifuugitakse, et tagada lahuse väljapuhumine. Liigse vee aurustamisel saadakse pentahüdraat. Esimeses ekstraheerimisetapis saadud tahked ained, mis sisaldavad ligikaudu 95% tsirkooniumdioksiidi, lastakse teises etapis reageerida värske keeva 50% naatriumhüdroksiidi lahusega. Selles ekstraheerimisetapis saadakse tsirkooniumdioksiid puhtusega üle 99% poorsete sfääriliste osakeste kujul, mille suurus ei ületa enamikul juhtudel 0,2 mm. Seda materjali pestakse pöörlevas vaakumfiltris; Loputusvett kasutatakse viskoosse naatriumsilikaadi lahuse lahjendamiseks. Ülejäänud märjad tahked ained kuivatatakse jääkniiskusesisalduseni alla 1%.

Sõltuvalt kliendi nõudmistest saab protsessi lühendada ja plasmaahjus eraldatud materjalile teha ainult ühe ekstraheerimise või koguni välja jätta. Protsessi käigus saadakse kolm lõpp-produkti, mis erinevad üksteisest eelkõige ränidioksiidi sisalduse poolest. Nende kolme toote tüüpiline keemiline koostis on näidatud tabelis 12. 95% ja 99% puhtusega tooted koosnevad rabedatest, poorsetest sfäärilistest osakestest; 70% puhas materjal on tahkete klaaskuulikeste kujul. Kõigi kolme toote puhul on 95% osakestest suurus vahemikus 0,2–0,04 mm.

Tabel 12 – kolme saadud tüüpi ZrO 2 tüüpiline koostis

Plasmaahjus saadav tsirkooniumdioksiid erineb järsult tavapärasel viisil saadavast nii kristalliitide suuruse ja morfoloogia kui ka omaduste stabiilsuse poolest. Kristalliidid on väga homogeensed, nende läbimõõt varieerub vaid 0,1–0,2 mikroni piires. Lonarci toodetud toode koosneb poorsetest osakestest läbimõõduga kuni 300 mikronit, mida saab kergesti purustada mis tahes vajaliku suuruseni. Esialgsete kristalliitide väga väikeste mõõtmete tõttu saadakse osakeste suuruseks alla 0,04 mm purustamisel ka poorsed osakesed.

Protsessi eelised. Võrreldes teiste protsessidega on sellel plasmaprotsessil olulisi eeliseid, kuna puudub vajadus lähtetsirkoonmaterjali lahustada. Kvaliteetse tsirkooniumoksiidi valmistamise tüüpiline meetod klassikalise tehnoloogia abil (st kuumtöötluse ja keemilise reaktsiooni kombinatsioon) annab tsirkooniumirikka lahuse, millest tuleb tsirkoonium eraldada (tavaliselt sulfaadioonidega). Saadud sadet tuleb pesta ja põletada, et saada tsirkooniumdioksiid. Selle meetodiga tuleb materjal kuumutada kõrgel temperatuuril ja tekkiv vääveldioksiid eemaldada. Lõpptootesse jääb teatud muutuv osa sulfaadiioone.

Seevastu plasmapaigaldises tekib tsirkooniumdioksiid, kui lähteaine läbib plasma. Ainus edasine toiming on ränidioksiidi eemaldamine ekstraheerimise teel. Lisaks saab lõpptoote puhtusastet kohandada sõltuvalt tarbija nõudmistest. Järgmised eelised on kõrge kvaliteet ja kristalliidi suuruste konsistents isegi siis, kui laengus kasutatakse erineva kvaliteediga lähtematerjale.

Plasmatehnoloogial on teisigi eeliseid, näiteks väiksem keskkonnareostus. Lähtematerjalist tsirkooniumdioksiidi tootmisel ränidioksiidi ülekandumist ei toimu. Lisaks sellele ei tekita see protsess praktiliselt jäätmeid, kuna kõik protsessis kasutatud materjalid muudetakse lõpuks kasulikuks tooteks. Järgmisena saadakse kõrvalsaadusena naatriumsilikaat, mida saab kasutada pindaktiivsete ainete tootmisel.

Majandusandmed. Ionarci protsessi kasutades tsirkooniumoksiidi tootmise maksumus varieerub sõltuvalt tootmismahust. Valmistades turunõudluse testimiseks pilootkoguseid veidi rohkem kui 45 tonni üle 99% puhtusega tsirkooniumdioksiidi aastas, ei olnud tootmiskulude ja turuhindade suhe kuigi soodne. Siiski võib eeldada, et pärast tööstusettevõtte ehitamist ja kasutuselevõttu suureneb selle protsessi efektiivsus oluliselt. Ettevõtte IonarcJ sõnul saate viiekordse toodangu kasvuga säästa 40% töötlemiskuludest.

Kaoliini desilikoniseerimine termilise kokkupuutega madala temperatuuriga plasmaga. Teatud ühendite desilikatsiooni võimalus kõrgel plasmatemperatuuril on väga paljutõotav. Ostrava Mäe- ja Metallurgia Instituudis viidi edukalt läbi kaoliini silikoniseerimise katse, et testida teoreetilist võimalust kasutada seda materjali alumiiniumi tootmiseks. Katse viidi läbi järgmiselt: kaoliini ja söe segu kõvendati orgaanilise sideainega ja eksponeeriti argoonist ja lämmastikust saadud plasmaga ruumalasuhtes 1:1 plasmatemperatuuril umbes 18 000 K. Kaoliin kasutatud sisaldas 52% ränidioksiidi. Kõrge temperatuuri tingimustes toimusid kindlaksmääratud koostisega plasmaga kokkupuute tõttu järgmised protsessid:

Al 2 O 3 redutseerimine süsinikuga

2/3 Al 2O 3 + 2C = 4/3 Al + 2CO (119)

AlN-nitriidide moodustumine

Al 2 O 3 + 3C + N 2 = 2AlN + 3CO (120)

Kuid see AlN moodustumise reaktsioon kõrgel temperatuuril pärssis, kuna reaktsiooni käigus tekkisid karbiidid.

4Al + 3C = Al 4 C 3 (121)

Nendega samaaegselt toimus ka mitmeid teisi reaktsioone, peamiselt alumiiniumi, räni ja lihtsamate oksiidide moodustumisega. Katse käigus selgus, et Al 2 O 3 aurustub ja laguneb. Samal ajal tekkis gaasiline suboksiid Al 2 O, mis voolas alla ja settis reaktsioonianuma külmadesse piirkondadesse. Süsteemis leiduv ränidioksiid redutseeriti kergemini kui Al 2 O 3 . Räninitriidid tekkisid ka kergemini kui alumiiniumnitriidid. Al 2 O 3 ja SiO 2 samaaegsel redutseerimisel tekkisid sellised tooted nagu Si, SiO, SiC, mis mõjutasid protsessi edasist kulgu.

Saadud vahenitriide iseloomustab madalam termodünaamiline stabiilsus kui samaaegselt olemasolevatel karbiididel, mille tulemusena nad interakteeruvad süsinikuga, moodustades karbiide või karbonitriide ja eraldades lämmastikku.

2AlN + 3/2C=1/2Al 4 C3 + N 2 (122)

1/2Si3N4 + 3/2C = 3/2SiC + N2 (123)

Reaktsioonide kohta kehtib järgmine: toatemperatuuril on nitriidide termodünaamiline stabiilsus kõrgem kui karbiididel. Kõrgematel temperatuuridel - umbes 1700 ° C AlN ja 1500 - 1600 ° C Si 3 N 4 puhul - täheldatakse vastupidist nähtust. Lisaks nendele reaktsioonidele tuleks arvesse võtta ka karbonitriidide teket.

Katse käigus sulas grafiitnõusse pandud laeng kiiresti ja hakkas aurustuma. Reaktsioonid toimusid nii vedelas kui gaasifaasis. Sobivate temperatuuritingimuste korral toimus ainult saadud alumiiniumkarbiidi selektiivne aurustamine ja sublimaat sadestati plasmareaktori külmadesse piirkondadesse. Grafiitnõusse jäi kõrge sulamistemperatuuriga ränikarbiid. Pärast sublimaadi keemilist töötlemist Al 2 O 3 saamiseks hinnati keemilise analüüsi tulemusi. Si02 sisaldus oli 5,3% (massi järgi), st kümnendik lähteaine esialgsest sisaldusest. Võib eeldada, et kui leitakse optimaalne protsessirežiim, siis pärast korduvat kordamist on suure ränidioksiidisisaldusega materjalist võimalik saada sellise puhtusastmega alumiiniumoksiidi, et see sobib näiteks alumiiniumi tootmiseks. elektrolüüs. Loodusliku boksiidi kõrgete kulude ja nappuse tõttu on katsel aga vaid demonstratsiooniväärtus.

Kontrollküsimused

1. Mille alusel saadakse aineid termilisel meetodil.

2. Tsirkoonliiva lagunemise protsessid ja tehnoloogia.

3. Kaoliini kuivatamise protsessid ja tehnoloogia.

Kirjandus

1. Krapivina S.A. Plasmakeemia alused. L.: LTI, 1976, - 65.

2. Mosse A.L., Petškovski V.V. Madala temperatuuriga plasma rakendamine anorgaaniliste ainete tehnoloogias. Minsk: Teadus ja tehnoloogia, 1973.- 213 lk.

Kirjutage ammooniumnitraadi ja nitriti, lämmastikoksiidi (I) termilise lagunemise võrrandid. Millises vahekorras tuleks õhusegu saamiseks kasutada ammooniumnitraati ja ammooniumnitritit? Arvutage lagunemisreaktsioonide standardsed entalpiad temperatuuril 25 ° C. Tehke kindlaks, kas need protsessid on ekso- või endotermilised. Millist rõhku avaldaksid ammooniumnitraadi ja nitriti gaasilised lagunemissaadused, kui gaaside maht oleks 25 °C juures võrdne vastavate tahkete soolade mahuga? Millist ammooniumnitraadi ja nitriti massi on vaja 1 m3 mahuga üleminekuesiku täitmiseks õhuga temperatuuril 25 ° C? Arvutage, kui palju soojust eraldub ülemineku eeskoja täitmiseks vajaliku õhusegu saamiseks. Märkige põhjused, mis teie arvates võivad selle õhusegu saamise meetodi kasutamist kosmoselaevadel piirata.

Ülesanne 10-5.

Tähelepanu! Kui ülesande tekst ei ole loetav (tähed skeemidel peavad olema venekeelsed), siis palun vaadake seda failist zadcha10-5.pdf

Alltoodud muundamisskeemid kujutavad kõige olulisemaid tööstuslikke protsesse, milles kasutatakse orgaanilist ühendit A, samuti mõned tooted, mis on moodustatud A.

1..gif" width="129" height="26">

9.B+H U

10.

Kirjutage nendele diagrammidele vastavad reaktsioonivõrrandid. Pange tähele, et ühendused B, D, M, T– gaasilised lihtained ja Z– lihtaine, mis eksisteerib toatemperatuuril tahkes olekus ja millel on aatommassid D Ja Z erineda 2 korda; A , V, G4, E, F, I-L, N, P – binaarsed ühendid. Lisaks on teada, et sõltuvalt reaktiivide suhtest interaktsiooni ajal A Koos D võib tekkida (koos JA) samuti binaarne aine L, mis on tavaliselt väga ebasoovitav protsess. Kaks erinevat toodet (erinevad A) võib tekkida ka interaktsiooni käigus M Koos N. Lõpuks liitumine R To F annab adukti, mis pärast elimineerimist JA muutub tooteks, mis sarnaselt ühendiga U, mis on oluline monomeer suure molekulmassiga ühendite sünteesil.

Üheteistkümnes klass

Ülesanne 11-1.

Ained A–B on sama kvalitatiivse koostisega binaarsed ühendid. Nende koostises sisalduvate elementide X ja Y massisisaldus ning mõned ühendite omadused on kokku võetud tabelis.

Kõik kolm ühendit on toatemperatuuril gaasid. A-l ja B-l pole oma lõhna, B, vastupidi, lõhnab vastikult. Süütamisel põlevad A ja B õhus (reaktsioonid 1 ja 2), gaas B ei ole tuleohtlik. Vees lahustub A väga halvasti, B veidi paremini (reaktsioon 3), C – hästi (reaktsioon 4), samas kui B reageerib veega osaliselt ja C täielikult. Gaas A reageerib Fe 2O 3 juuresolekul ainult veeauruga temperatuuril t > 230o C (reaktsioon 5). B ja C reageerivad kergesti leeliste ja kuiva gaasilise ammoniaagi vesilahustega (reaktsioonid 6, 7, 8 ja 9) ning A ainult eritingimustel: leelisega temperatuuril t ~ 120o C ja rõhul > 5 atm. (reaktsioon 10), ammoniaagiga temperatuuril t ~ 500–800o C segatud Al 2O 3 / ThO 2 katalüsaatoril (reaktsioon 11). Viimast reaktsiooni kasutatakse tööstuslikult laialt tuntud mürgise aine tootmiseks. Huvitav on see, et B reaktsioonil ammoniaagiga temperatuuril t ~ 200–500o C ja kõrgendatud rõhul (reaktsioon 12) saadud aine on nii kahjutu, et seda lisatakse isegi närimiskummile, nagu ka B reaktsiooni produkt. leelis.

1. Arvutage A ja B molekulmassid, kui on teada, et segul, mis koosneb võrdsest mahust A ja B, on vesiniku tihedus 18 ning segul, mis koosneb ühest mahust A ja kolmest osast B, on vesiniku tihedus 20.

2. Määrata elemendid X ja Y ning ühendite A–B koostis.

3. Kirjutage kõigi ülesandes kirjeldatud reaktsioonide võrrandid.

4. Joonistage ühendi B struktuurivalem ja nimetage see.

Ülesanne 11-2.

Ühendid A–D koosnevad kolmest elemendist ja neil on sama kvalitatiivne koostis. Teavet nende kohta leiate tabelist:



Sulamistemperatuur, ºC
Seos veega	Reageerib	Lahustub	Ei lahustu	Reageerib

* – sulamine lagunemisega

Ühendite A–D sünteesi lähteaineks on oranžikaskollane oksiidi D pulber. Terava lõhnaga kollast vedelikku A võib saada gaasilise vesinikkloriidi juhtimisel üle D P 2O 5 juuresolekul (reaktsioon 1) Ühend. B sünteesitakse kuumutamisel A tsinkmetalliga (reaktsioon 2) ja selle vesilahusega - D reageerimisel kuumutamisel kontsentreeritud vesinikkloriidhappega (reaktsioon 3). B termiline dissotsiatsioon tekitab C, mis tekitab ka A (reaktsioon 4). Oranžikaspunast värvi ühend D sünteesitakse osooni juhtimisel üle A (reaktsioon 5).

1) Määrake tundmatud ained ja kirjutage üles kõigi ülesandepüstituses mainitud reaktsioonide võrrandid.

2) Millised produktid tekivad ainete A ja D koosmõjul veega? Kirjutage reaktsioonivõrrandid.

3) Ennustage aine A osakeste geomeetrilist struktuuri.

4) Kuidas saadakse laboris ühendit D (kirjutage reaktsioonivõrrand ja selle tingimused)?

Ülesanne 11-3.

Venemaa kosmoselaevad ja jaamad kasutavad alates Gagarini esimesest lennust Maa atmosfäärile võimalikult lähedast atmosfääri (hapnikusisaldus 20 mahu, rõhk 1 atm). Kosmosesse minnes on vajadus õhukeskkonda suurtes kogustes täiendada. Surugaasisegu kasutamine traditsioonilistes õhupalliballoonides on nendel eesmärkidel piiratud kehamassiga. Mõelgem võimalusele saada vajalik gaasisegu keemiliselt ammooniumisoolade termilise lagundamise abil. Ammooniumnitriti kuumutamisel eraldub lämmastik ja ammooniumnitraadi termilisel lagundamisel tekib lämmastikoksiid (I), mis kõrgemal temperatuuril laguneb katalüütiliselt lihtsateks aineteks. Lähte- ja lõppainete omadused on toodud tabelis.

Aine	NH4NO2	NH4NO3	N2O	N2	O2	H2O(l)
Df H°298, kJ/mol
T pl., ° C	diff. > 35°C		– 91		–21 8,8
T kip., ° C		diff. > 210
Tihedus, g/cm3 (tahke, vedel)

Siin Df H° 298 on ühendi moodustumise standardentalpia temperatuuril 298 K.

Ülesanne 11-4.

Tänapäeval on võimatu ette kujutada meie elu ilma plasttoodete ja sünteetiliste kiududeta: pastaka korpus, millega praegu kirjutate, särav pluus eile kohatud kenal tüdrukul, närimiskumm, mida teie vasakpoolne naaber usinalt närib, selle ülesande autori sülearvuti klaviatuur - kõik see on valmistatud suuremahulise keemiatööstuse suure molekulmassiga toodetest. Allpool on veidi teavet viie levinud sünteetilise polümeeri kohta ma-V.

Polümeer		Tööstusliku tootmise skeem
I
II	PS

1. Esitage vaheproduktide struktuurivalemid A-Z, samuti polümeeride elementaarühikute struktuurivalemeid ma-IV(välja arvatud stereoisomeerid).

2. Dešifreerige polümeeride nimede lühendid ma-III. Millistest sõnadest on tuletatud nimi "lavsan"? Täpsustage polümeeride nimed IV Ja V. Mida nimetatakse transformatsiooniprotsessiks? IV V V väävli mõjul? Milline polümeer ma-IV tekkis polükondensatsioonireaktsiooni tulemusena?

Ülesanne 11-5.

Ühendused A, IN Ja KOOS sisaldavad süsinikku, vesinikku ja hapnikku. Nende ühendite süsiniku ja vesiniku sisaldus on toodud tabelis.

On teada, et KOOS saab moodustada A või IN erinevate redutseerivate ainete mõjul. Teisel pool, A ei reageeri katalüütilise hüdrogeenimisega toatemperatuuril ja atmosfäärirõhul, ei muuda broomvett ning on vastupidav kroomhappele ja paljudele teistele oksüdeerivatele ainetele.

1. Kirjutage ühendite struktuurivalemid A, IN, KOOS.

2. Tooge üks näide redutseerivatest ainetest, mida saab muundamiseks kasutada A Ja INühendusse KOOS.

88,4 g segu A, IN Ja KOOS, võetud vahekorras 1:2:1, kuumutati kontsentreeritud kaaliumhüdroksiidi lahuse liiaga. Saadud segu jagati kaheks võrdseks osaks. Üks osa segust kuumutati üleliigse kaaliumpermanganaadiga, seejärel hapestati väävelhappega. Teine osa segust hapestati väävelhappega, vesi destilleeriti välja, lisati katalüütiline kogus väävelhapet ja kuumutati.

3. Kirjutage arutletud reaktsioonide võrrandid. Millised ühendid ja millistes kogustes tekivad mõlemal juhul? Oletame, et kõik reaktsioonid toimuvad kvantitatiivse saagisega.

Üheksas klass

Harjutus: Teile on antud järgmiste soolade lahuseid: KCl, Na 2CO 3, BaCl 2, MgSO 4, AgNO 3.

Ilma muid reaktiive kasutamata määrake, milline katseklaas sisaldab iga nimetatud aine lahust. Esitage lahendus tabeli kujul. Kirjutage tabelisse toodud reaktsioonide võrrandid.

Reaktiivid : 0,1 M KCl, 0,1 M Na2CO3, 0,1 M BaCl2, 0,1 M MgSO4, 0,1 M AgNO3

Varustus:

Kümnes klass

Harjutus: Kasutades tabelis olevaid reaktiive ja seadmeid, määrake, milline katseklaas sisaldab iga järgmise aine lahust: Na 2SO 4, MnSO 4, BaCl 2, Pb (NO 3)2, ZnSO 4, Al 2(SO 4) 3. Esitage lahendus tabeli kujul. Kirjutage tabelisse toodud reaktsioonide võrrandid.

Reaktiivid : 2M NH3∙H2O, 2M NaOH, 1M H2SO4

Varustus: rack katseklaasidega, pipett.

Üheteistkümnes klass

Harjutus: Teile antakse kaks katseklaasi, mis sisaldavad vastavalt 3 või 4 katiooni, igasse katseklaasi järgmistest katioonide komplektidest: Ag +, Zn 2+, Al 3+, Pb 2+, Ba 2+, Mn 2+, NH 4 +.

Määrake, millised katioonid on igas katseklaasis, kasutades töölaual olevaid reaktiive ja seadmeid. Esitage lahendus tabeli kujul. Kirjutage tabelisse toodud reaktsioonide võrrandid.

Reaktiivid : 2M HCl, 1M H2SO4, 2M NaOH, 2M NH3∙H2O

Varustus: rack katseklaaside, pipeti, veevanni või põletiga.

Üheksas klass

valik 1

A osa. Mitme valikuga testid 1. Neutronite arv aatomis 14 N:

A. 7. B. 8. IN. 9. G. 10.

2. Elemendi aatomi elektrooniline valem 1s2 2s2 2p3. Selle vesinikuühendi keemiline märk ja valem vastavalt:

A. Si ja SiH4 B.N ja NH3.

B. P ja PH3 G.C ja CH4.

Z. Lämmastiku oksüdatsiooniaste on +5, kui seda kombineerida järgmise valemiga:

A. N2. B. EI. B.NO2. G.HNO3.

4. Lämmastiku minimaalne oksüdatsiooniaste ühendis (loetletud allpool) järgmise valemiga:

A. N2. B. EI. B.NO2. G.HNO3.

5. Loetletud keemilistest elementidest on suurima elektronegatiivsusega ühendid:

A. IN. B. R. B. S. G. Si

6. Aatomi väikseim raadius on:

A. KOOS. B. KOHTA. B. N. G. F.

7. Ainult redutseerija võib olla aine valemiga:

A. P4. B. PH3. IN. P2 O3. G. H3 PO4

8. Lämmastikhape vastab oksiidile valemiga:

A. N2 O. B.N2 O3 . B.NO2. G.N2 O5 9. Tugevaim hapetest, mille valemid on:

A.HNO3. B.H2 SiO3 . B.H2 SO3 . G.H3PO4 10. Koefitsient enne oksüdeerivat ainet reaktsioonis, mille skeem on

Ag + НNO3 (konts.) → AgNO3 + NO2 + H2O:

A.2. B.4. IN.6. G.8

B osa. Vabavastusega küsimused.

11 .Moodustage molekulaarvõrrandid järgmiste teisenduste reaktsioonide jaoks:

P → P2 O5 → H3 PO4 → Na3 PO4

Vaatleme võrrandit 1 ORR-i seisukohast, kirjutame võrrandi 3 ioonsel kujul. 12 .Täitke fraas: "Allotroopia on..."

13 .Millise ainega, mille valemid on: KOH, CO2, Zn, CuO, HCl, CaCO3, reageerib lahjendatud lämmastikhape?

Kirjutage üles võimalike reaktsioonide võrrandid molekulaarses vormis.

14 .Täitke vask(II)nitraadi termilise lagunemise skeem:

Cu(NO3)2 → CuO + X + O2

Leidke võrrandis olevate koefitsientide summa.

15 .Kui 37 g kaltsiumhüdroksiidi reageeris ammooniumsulfaadiga, saadi 15 g ammoniaaki. Arvutage ammoniaagi saagise massiosa teoreetiliselt võimalikust.