Моделирование химически активных пространственно-неоднородных разрядов в потоке газа Петрусев, Андрей Сергеевич

Краткое описание

Петрусев, Андрей Сергеевич.
Моделирование химически активных пространственно-неоднородных разрядов в потоке газа : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.04.08. - Москва, 1999. - 91 с. : ил.
Введение диссертации (часть автореферата)на тему «Моделирование химически активных пространственно-неоднородных разрядов в потоке газа»
Поиск альтернативных путей проведения химических процессов привёл к возникновению нового направления химической физики и технологии - исследованию химических процессов в плазме низкотемпературных разрядов - плазмохимии [1,2] . Важным достоинством плазмохимических реакторов является чрезвычайно высокая скорость химических реакций, при возможности одновременного достижения высокой энергетической эффективности процесса, его одностадийности и технологичности.
Однако, реакции идущие в плазме газового разряда могут иметь весьма различные механизмы. В 'зависимости от параметров разряда и способов его организации, один и тот же процесс может осуществляться по-разному и с различной энергетической эффективностью [2,3]. Это обстоятельство делает необходимым, с одной стороны, нахождение оптимального механизма осуществления плазмохимического процесса, а с другой стороны - создание разрядных систем, в которых эти условия были бы реализованы при необходимом уровне мощности.
Как показали результаты исследований [2,4], для ряда эндоэргических процессов, в частности, для разложения двуокиси углерода,
С02=С0+1/202 достижение энергозатрат, близких к термодинамически минимальным, оказывается возможным в неравновесной плазме, когда реакция стимулируется, например, колебательным возбуждением реагентов. В результате теоретического и экспериментального изучения кинетики и энергобаланса неравновесных плазмохимических процессов такого типа, были определены условия для их высокоэффективного проведения: оптимальные величины энерговклада, температуры газа, значение приведённой напряжённости электрического поля. На примере диссоциации диоксида углерода, было экспериментально показано, что энергетическая эффективность процесса может достигать 8090% [5,6-9] .
Существенное повышение эффективности химической реакции в неравновесной плазме с колебательным возбуждением реагентов достигается также и для случая конверсии метана в ацетилен [2],
СН4 = 1/2С2Н2+3/2Н2 и разложения ЫгО с образованием монооксида азота [2]
Ы20 = N0 + 1/2Ы2
По сравнению с диссоциацией СОг, для эффективного осуществления этих процессов требуется не только реализация определённых параметров плазмы (колебательной и поступательной температур, степени ионизации), но и фиксация продуктов, которые неустойчивы по отношению к реакциям разложения даже при сравнительно низких температурах. Это накладывает дополнительные требования на кинетику процесса. В этом случае важно не только обеспечить определённую величину энерговклада в колебательные степени свободы, но и провести эффективную закалку продуктов.
Другая возможность снижения энергозатрат может быть реализована для эндоэргических реакций с кластеризующимися продуктами в быстровращающихся, пространственно-неоднородных плазмохимических реакционных зонах [8,9]. Это относится, например, к разложению сероводорода до водорода и элементарной серы.
НгБ = Н2 + 1/2Б
Энергетическая цена этого процесса в быстровращающемся СВЧ разряде составила в минимуме 0,8Эв в расчёте на одну молекулу водорода, что более чем вдвое ниже теоретически предельной величины для энергетической цены этого процесса в квазиравновесной плазме [2].
Повышение энергетической эффективности в этом случае происходит за счёт центробежного эффекта, т.е. селективного выноса более тяжелых продуктов, и осуществляющейся при этом внутренней рекуперации энергии. Исследования кинетики и энергобаланса химических реакций показали, что достижение высокой энергетической эффективности, наряду с оптимизацией удельного энерговклада, температуры, времени пребывания в разряде, требует также достижения определённой тангенциальной скорости газа для реализации центробежного эффекта.
К настоящему времени, как в случае процессов, стимулируемых колебательным возбуждением реагентов, так и в случае процессов с центробежным выносом продуктов реакции, наилучшие результаты были достигнуты в различных типах быстропроточных СВЧ и ВЧ разрядов умеренного давления (от ЮОТорр и выше) . Причём максимальная энергетическая эффективность во всех случаях достигалась в диапазоне давлений, в котором начиналась контракция разряда. Характерной особенностью разрядов в этих условиях наряду с определяющим влиянием гидродинамических факторов на их параметры и условия горения является и сильная пространственная неоднородность распределения основных разрядных параметров [5] . Особым типом пространственно-неоднородного разряда, привлекающим внимание последнее время внимание исследователей, является скользящая дуга. Хотя энергетическая эффективность плазмохимических процессов в этом разряде зачастую оказывается ниже аналогичных показателей для СВЧ и ВЧ разрядов, сравнительная простота скользящей дуги, а также возможность масштабирования до высоких уровней мощности поддерживают интерес к этому типу разряда. Кроме того, интерес вызван также тем обстоятельством, что в определённых режимах скользящая дуга может по-видимому переходить в неравновесную форму[84].
Одним из основных вопросов, возникающих при описании и оптимизации плазмохимических процессов в пространственно-неоднородных разрядах состоит в совмещении двух противоречащих друг другу, на первый взгляд, условий. С одной стороны высокоэффективное протекание химических реакций в плазме требует, как отмечалось выше определённых значений параметров разряда, с другой стороны быстропроточные ВЧ и СВЧ разряды при умеренных давлениях, а также скользящая дуга характеризуются сильной пространственной неоднородностью распределения этих параметров. Выяснение ответа на этот вопрос, а также определение внешних газодинамических и газоразрядных факторов, влияющих на локализацию зоны химической реакции является необходимым условием оптимизации и масштабирования плазмохимических процессов.
Построение теоретического описания контрагированных пространственно - неоднородных разрядов в потоке газа представляет интерес также для решения проблемы масштабирования плазмохимических разрядов по мощности при сохранении достигнутого при малых уровнях мощности эффективности химических процессов. Наличие критериев подобия, которые могут быть получены в рамках такого описания может значительно упростить организацию процесса на высоком уровне мощности.

Другая проблема, возникающая при масштабировании плазмохимических разрядов состоит в том, что режим работы некоторых из них в области оптимальных с точки зрения плазмохимического процесса параметров разряда является неустойчивым. Так, основная трудность, возникающая при использовании ВЧИР для плазмохимических приложений, состоит в том, что энергетическая эффективность, достигнутая в плазмохимических реакторах на основе ВЧИР, значительно ниже, чем в реакторах на основе СВЧР, и составляет порядка 20-30% для реакции диссоциации СОг [2]. Это обусловлено, главным образом, тем, что индукционный разряд в области параметров, обеспечивающих высокую энергетическую эффективность процесса, теряет устойчивость и гаснет.Следует ожидать, что аналогичные проблемы могут возникнуть при решении задачи масштабирования плазмохимических разрядов по частоте в диапазоне низких частот. Актуальность её обусловлена тем, что низкочастотные разряды, оставаясь безэлектродными, поддерживаются технически более простыми источниками питания на основе тринисторных ключей.