Нульмерная модель СВЧ - разряда в воде при барботировании метана через разрядную зону

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В нульмерном приближении проведено моделирование СВЧ-разряда внутри пузырька с метаном в кипящей воде с учетом изменения размера плазменного пузыря. Также проведено моделирование процесса закалки продуктов реакций после отрыва пузыря от поверхности электрода. Рабочее давление – одна атмосфера. Показано, что основными продуктами являются H2, CO2 и CO. Отношение концентраций CO2 и CO зависит от отношения начальных потоков паров воды и метана. Рассчитанные концентрации основных продуктов разложения метана и воды хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Ю. А. Лебедев

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: lebedev@ips.ac.ru
Россия, Москва

Т. С. Батукаев

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Email: lebedev@ips.ac.ru
Россия, Москва

И. В. Билера

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Email: lebedev@ips.ac.ru
Россия, Москва

А. В. Татаринов

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Email: lebedev@ips.ac.ru
Россия, Москва

А. Ю. Титов

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Email: lebedev@ips.ac.ru
Россия, Москва

И. Л. Эпштейн

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Email: lebedev@ips.ac.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Arutyunov V.S. // Combust. Plasma Chem. 2021. V. 19. P. 245.
  2. Holladay J.D., Hu J., King D.L., Wang Y. // Catal. Today. 2009. V. 139. P. 244.
  3. Abbas H.F., Daud W.M.A.W. // Int. J. Hydrogen Energy. 2010. V. 35. P. 1160. https://doi.org/10.1016/ j.ijhydene.2009.11.036
  4. Dincer I., Acar C. // Int. J. Hydrogen Energy. 2015. V. 40. P. 11094. https://doi.org/10.1016/ j.ijhydene.2014.12.035
  5. Nikolaidis P., Poullikkas A. // Renew. and Sustain. Energy Rev. 2017. V. 67. P. 597. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.09.044
  6. Slovetskii D. I. // High Energy Chem. 2006. V. 40. P. 86. https://doi.org/10.1134/S0018143906020044
  7. Burlica R., Shih K. Y., Hnatiuc B., Locke B. R. // Indust. Engin. Chem. Res. 2011. V. 50. P. 9466. https://doi.org/10.1021/ie101920n
  8. Mizeraczyk J., Urashima K., Jasiński M., Dors M. // Int. J. Plasma Environ. Sci. Technol. 2014. V. 8. P. 89.
  9. Mizeraczyk J., Jasiński M. // The European Phys. J. Appl. Phys. 2016. V. 75. P. 24702. https://doi.org/10.1051/epjap/2016150561
  10. Nedybaliuk O.A., Chernyak V.Y., Fedirchyk I.I., Demchina V.P., Bortyshevsky V.A., Korzh R.V. // Quest. Atomic Sci. Technol. 2016. V. 6. P. 276.
  11. Lian H.Y., Liu J.L., Li X.S., Zhu X., Weber A.Z., Zhu A.M. // Chem. Engineer. J. 2019. V. 369. P. 245. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.03.069
  12. Wang B., Lü Y., Zhang X., Hu S. // J. Natural Gas Chem. 2011. V. 20. P. 151. https://doi.org/10.1016/S1003-9953(10)60160-0
  13. Henriques J., Bundaleska N., Tatarova E., Dias F.M., Ferreira C.M. // Int. J. Hydrogen Energy. 2011. V. 36. P. 345. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.09.101
  14. Bundaleska N., Tsyganov D., Saavedra R., Tatarova E., Dias F.M., Ferreira C.M. // Int. J. Hydrogen Energy. 2013. V. 38. P 9145. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.05.016
  15. Wang Y.F., You Y.S., Tsai C.H., Wang L. C. // Int. J. Hydrogen Energy. 2010. V. 35. P. 9637. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.06.104
  16. Hrycak B., Czylkowski D., Miotk R., Dors M., Jasinski M., Mizeraczyk J. // Open Chem. 2015. V. 13. P. 317. https://doi.org/10.1515/chem-2015-0039
  17. Miotk R., Hrycak B., Czylkowski D., Dors M., Jasinski M., Mizeraczyk J. // Plasma Sources Sci. Technol. 2016. V. 25. P. 035022. https://doi.org/10.1088/0963-0252/25/3/035022
  18. Bardos L., Baránková H., Bardos A. // Plasma Chem. Plasma Process. 2017. V. 37. P. 115. https://doi.org/10.1007/s11090-016-9766-6
  19. Yan J., Du C. Hydrogen Generation from Ethanol Using Plasma Reforming Technology. Hangzhou: Springer, Zhejiang University Press, 2017.
  20. Bundaleska N., Tsyganov D., Tatarova E., Dias F.M., Ferreira C.M. // Int. J. Hydrogen Energy. 2014. V. 39. P. 5663. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.01.194
  21. Levko D.S., Tsymbalyuk A.N., Shchedrin A.I. // Plasma Phys. Rep. 2012. V. 38. P. 913. https://doi.org/10.1134/S1063780X1210008X
  22. Shchedrin A.I., Levko D.S., Chernyak V.Y., Yukhimenko V.V., Naumov V.V. // JETP Lett. 2008. V. 88. P. 99. https://doi.org/10.1134/S0021364008140063
  23. Wang W., Zhu C., Cao Y. // Int. J. Hydrogen Energy. 2010. V. 35. P. 1951. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2009.12.170
  24. Adamovich I., Agarwal S., Ahedo E., Alves L.L., Baalrud S., Babaeva N., Bogaerts A., Bourdon A., Bruggeman P.J., Canal C., Choi E.H., Coulombe S., Zoltan Donkó Z., Graves D.B., Hamaguchi S., Hegemann D., Hori M., Kim H.-H., Kroesen G.M.W., Kushner M.J., Laricchiuta A., Li X., Magin T.E., Mededovic Thagard S., Miller V., Murphy A.B., Oehrlein G.S., Puac N., Sankaran R.M., Samukawa S., Shiratani M., Šimek M., Tarasenko N., Terashima K., Thomas Jr.E., Trieschmann J., Tsik ata S., Turner M.M., Van Der Walt I.J., Van De Sanden M.C.M, von Woedtke T. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2022. V. 55. P. 373001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/ac5e1c
  25. Malik M.A., Ghaffar A., Malik S.A. // Plasma Sources Sci. Technol. 2001. V. 10. P. 82. https://doi.org/10.1088/0963-0252/10/1/311
  26. Foster J.E. // Phys. Plasmas. 2017. V. 24. P. 055501. https://doi.org/10.1063/1.4977921
  27. Rezaei F., Vanraes P., Nikiforov A., Morent R., Geyter N. // Materials. 2019. V. 12. P. 2751. https://doi.org/10.3390/ma12172751
  28. Locke B.R. // Int. J. Plasma Environ. Sci. Technol. 2012. V. 6. P. 194.
  29. Rybkin V.V., Shutov D.A. // Plasma Phys. Rep. 2017. V. 43. P. 1089.
  30. Vanraes P., Bogaerts A. // Appl. Phys. Rev. 2018. V. 5. P. 031103. https://doi.org/10.1063/1.5020511
  31. Lebedev Yu.A. // Plasma Phys. Rep. 2017. V. 43. P. 676. https://doi.org/10.1134/S1063780X17060101
  32. Horikoshi S., Serpone N. // RSC Adv. 2017. V. 7. P. 47196.
  33. Lebedev Yu.A. // High Temp. 2018. V. 56. P. 811. https://doi.org/10.1134/ S0018151X18050280
  34. Lebedev Yu.A. // Polymers. 2021. V. 13. P. 1678. https://doi.org/10.3390/polym13111678
  35. Nomura S., Toyota H., Mukasa S., Yamashita H., Maehara T., Kawashima A. J. // J. Appl. Phys. 2009. V. 106. P. 073306. https://doi.org/10.1063/1.3236575
  36. Nomura S., Toyota H., Tawara M., Yamashota H. // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 88. P. 231502. https://doi.org/10.1063/1.2210448
  37. Liu J.L., Zhu T.H., Sun B. // Int. J. Hydrogen Energy. 2022. V. 47. P. 12841.https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.02.041
  38. Sun B., Zhao X., Xin Y., Zhu X. // Int. J. Hydrogen Energy. 2017. V. 42. P. 24047. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.08.052
  39. Lebedev Yu.A., Tatarinov A.V., Epshtein I.L., Titov A.Y. // High Energy Chem. 2022. V. 56. P. 448. https://doi.org/10.1134/S001814392206011X
  40. Batukaev Т.S., Bilera I.V., Krashevskaya G.V., Lebedev Yu.A., Epstein I.L. // Plasma Proc. Polym. 2023. V. 20. P. e2300015. https://doi.org/10.1002/ppap.202300015
  41. B atukaev Т.S., Bilera I.V., Krashevskaya G.V., Lebedev Yu.A. // Processes. 2023. V. 11. P. 2292. https://doi.org/10.3390/pr11082292
  42. Wang Q., Wang J., Zhu T., Zhu X., B. Sun B. // Int. J. Hydrogen Energy. 2021. V. 46. P. 34105.
  43. Wang Q., Wang J., Sun J., Sun S., Zhu X., Sun B. // Chemical Engineer. J. 2023. V. 465. P. 142872.
  44. Wang Q., Sun S., Yang Y., Zhu X., Sun B. // Energy. 2024. V. 289. P. 130023.
  45. Сердюков В.С. Экспериментальное исследование микрохарактеристик и теплообмена при кипении жидкостей в условиях различных давлений: Дис. … канд. физ.-матем. наук. Новосибирск, 2020.
  46. Hagelaar G., Pitchford L. // Plasma Sources Sci. Technol. 2005. V. 14. P. 722.
  47. Triniti Database. www.lxcat.net. Retrieved on May, 2024.
  48. Janev R.K., Reiter D. // Phys. Plasmas. 2002. V. 9. P. 4071.
  49. Morgan Database. www.lxcat.net. Retrieved on May, 30, 2024.
  50. Janev R.K., Reiter D. // Phys. Plasmas. 2004. V. 11. P. 780.
  51. Avtaeva S., General A., Kel’man V. // J. Phys. D: Applied Phys. 2010. V. 43. P. 315201.
  52. Aoki H., Kitano K., Hamaguchi S. // Plasma Sources Sci. Technol. 2008. V. 17. P. 025006.
  53. Pancheshnyi S., Biagi S., Bordage M., Hagelaar G., Morgan W., Phelps A., Pitchford L. // Chem. Phys. 2012. V. 398. P. 148.
  54. Rehman F., Lozano-Parada J.H., Zimmerman W.B. // Int. J. Hydrogen Energy. 2012. V. 37. P. 17678.
  55. Wang W., Snoeckx R., Zhang X., Cha M., Bog aerts A.J. // Phys. Chem. C. 2018. V. 122. P. 8704
  56. Tsyganov D., Bundaleska N., Tatarova E., Dias A., Henriques J., Rego A., Ferraria A., Abrashev M.V., Dias F.M.M., Luhrs C.C., Phillips J. // Plasma Sources Sci. Technol. 2016. V.2 5. P. 015013.
  57. Райзер Ю.П. Физика газового разряда, М.: Наука, 1992.
  58. GRI-Mech 3.0 http://combustion.berkeley.edu/gri-mech/
  59. COMSOL Multiphysics. https://comsol.com/chemicalreactionengineering
  60. Пархоменко В.Д., Полак Л.С., Сорока П.И., Цыбулев П.Н., Мельников Б.И., Гуськов А.Ф. Процессы и аппараты плазмохимической технологии. Киев: Вища школа, 1979.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема образования плазменных пузырей в воде. Стрелками внутри центральной трубки-антенны показана подача метана. Стрелки вне трубки-антенны – СВЧ-волны. На торце центрального электрода-антенны расположен пузырь с плазмой. Всплывающие пузыри находятся вне зоны разряда, они содержат продукты химических реакций, происходящих в процессе закалки.

Скачать (52KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Эволюция пузыря в нульмерной модели: 1 – пузырь в начальный момент, 2 – пузырь в момент отрыва, 3 – всплытие пузыря.

Скачать (29KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость газовой температуры в пузыре от времени для разных значений величины М при значении Р = 200 Вт, F CH 4 = 50 мл/мин: 1 – M = 0.5; 2 – M = 3, 3 – M = 5.

Скачать (211KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Эволюция размера плазменного пузыря: 1 – M = 0.5; 2 – M = 3, 3 – M = 5. Р = 200 Вт, F CH 4 = 50 мл/мин.

Скачать (214KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Эволюция среднего приведенного поля: 1 – M = 0.5; 2 – M = 3, 3 – M = 5. Р = 200 Вт, F CH 4 = 50 мл/мин.

Скачать (214KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Концентрации основных заряженных частиц до отрыва пузыря от антенны: 1 – электроны; 2 – сумма концентраций отрицательных ионов, 3 – сумма концентраций положительных ионов. М = 3, Р = = 200 Вт, F CH 4 = 50 мл/мин.

Скачать (220KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Концентрации основных нейтральных частиц до отрыва пузыря от антенны для разных величин М : M = 0.5 (а); M = 3 (b), M = 5 (c); 1 – Н 2 О, 2 – СН 4, 3 – Н 2, 4 – СО 2, 5 – СО. Р = 200 Вт, F CH 4 = 50 мл/мин.

Скачать (719KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Схема образования СО из метана и паров воды.

Скачать (83KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Скорость основных процессов образования и гибели CO: M = 0.5 (a); 1 – НCO + Н 2 О = H + Н 2 + + СО; 2 – Н + НCCО = CН 2 + СО; 3 – CO + ОH = = CO 2 + H; 4 – O 1 (D) + CО → CO 2 ; M = 5 (б); 1 – НCO + Н 2 О = H + Н 2 + СО; 2 – Н + НCО = Н 2 + + СО; 3 – CO + ОH = CO 2 + H; 4 – O – + CО → CO 2 + + e ; Р = 200 Вт.

Скачать (131KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Суммарная скорость образования и распада CO 2 : 1 – M = 0.5; 2 – M = 3, 3 – M = 5. Р = 200 Вт, F CH 4 = 50 мл/мин.

Скачать (62KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Скорость закалки в зависимости от времени; M = 3; Р = 200 Вт, F CH 4 = 50 мл/мин.

Скачать (45KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Продукты разложения метана и водяного пара в зависимости от потока метана. 1, 2, 3 – мольные доли Н 2, СО и СО 2 соответственно, эксперимент; 1 ′, 2 ′, 3 ′ – мольные доли Н 2, СО и СО 2, расчет ( мл/мин, Р = 200 Вт).

Скачать (59KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024