Д С Левко - Неравновесной плазме газового разряда - страница 1

Страницы:
1 

УДК 537.52

Левко Д.С., Щедрин А.И., Черняк В.Я., Юхименко В.В., Наумов В.В. КОНВЕРСИЯ ЭТАНОЛА В НЕРАВНОВЕСНОЙ ПЛАЗМЕ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА

Исследуется возможность получения молекулярного водорода в плазмохимическом реакторе, применяющемся для конверсии смеси воздуха с парами этилового спирта и воды. Показано, что концентрация Н2 линейно зависит от тока, протекающего через разряд, что согласуется с результатами экспериментов, и уменьшается при увеличении скорости прокачки воздуха через зазор между электродами. Кроме того, выяснено, что значение [Н2] достигает более высоких значений по сравнению с другими методами. Рис. 4. Ист. 4. Ключевые слова: этанол, водород, неравновесная плазма, газовый разряд.

В качестве одной из возможных альтернатив традиционным топливам (нефти и природному газу) в настоящее время предлагается использовать этанол. Это вызвано двумя причинами. Во-первых, его можно получить из восстанавливаемых источников: биомассы и промышленных отходов. А во-вторых, при его сжигании выделяется относительно малое количество загрязняющих веществ. Тем не менее, низкая скорость распространения волны горения не позволяет использовать этанол в качестве топлива для автомобильных двигателей. Чтобы ее увеличить, спирт необходимо обогащать свободным водородом. Для этого в настоящее время предлагается использовать различные плазменные технологии [1].

Большинство методов основано на том, что через область разряда продуваются пары жидкости [2], либо их смесь с воздухом. При этом разряд в результате ионизационно-перегревной неустойчивости нестабилен относительно перехода из тлеющего режима в дуговой. Это приводит к быстрому разрушению электродов и, как следствие, к выходу из строя оборудования. В связи с этим исследование плазмохимических реакторов идет в двух основных направлениях: повышение выхода водорода и увеличение времени службы оборудования.

В работе исследуется плазменная кинетика, протекающая в разряде в смеси паров этанола и воды, и воздуха в электрическом разряде в газовом канале с жидкой стенкой в новом плазмохимическом реакторе. Показано, что его использование позволяет добиваться высокого выхода водорода. Преимуществами реактора являются малые размеры, простота в управлении и отсутствие предварительного подогрева рабочей смеси перед введением в зону разряда.

Схема области разряда представлена на рис. 1. Воздух со скоростью G = 55 см3/с прокачивается через трубки 5 (радиус 2.5 мм, расстояние между ними 2 мм), помещенные в жидкость 3. При этом один из электродов 1 (радиус 1.5 мм) вставлен в трубку, а второй 4 лежит на дне сосуда, то есть полностью покрыт раствором (смесь воды и этилового спирта). Разряд горит в полости 2, заполненной смесью воздуха и паров компонентов раствора.

Непрерывное продувание воздуха через область разряда обеспечивает постоянный отвод тепла, что приводит к стабилизации разряда. Кроме того, жидкость, являющаяся проводником второго рода, выступает в качестве дополнительного балластного сопротивления, стабилизирующего разряд.

Для расчета плазменной кинетики полное время горения разряда (время эксперимента) делилось на равные промежутки времени, длительность которых определялась временем продувания воздуха через межэлектродный промежуток = V/ G, где V - объем полости). Для параметров установки оно составляло -0.74 мс. Температура нейтрального газа в разряде была принята равной измеренной экспериментально температуре окружающей жидкости (Tg - 323 К). В рассматриваемом случае - это 95% раствор этилового спирта. Кроме того, при расчетах через времяпрокачки состав газа в разрядном промежутке полностью обновлялся, то есть предыдущий интервал не влиял на последующие. Это позволило рассчитывать кинетику только на одном временном интервале. Такой подход корректен в рассматриваемых условиях, поскольку длительность одного временного интервала меньше времени диффузии газа из области разряда.

Рис. 1. Схема области разряда в экспериментальной установке, использовавшейся для конверсии

смеси воздуха с парами этанола и воды

Концентрации веществ (H2, CO, CO2, CH4 и другие углеводороды; за основу была взята схема [3]), образующихся в разряде в плазмохимических реакциях, определялись численным решением системы кинетических уравнений

= Sei+ S kjNj + S kiniNmN, +.... (1)

Здесь Ni, Nj, Nm, Nj - концентрации молекул и радикалов, ку, kiml - константы скоростей молекулярных процессов с участием j-ой компоненты. Скорости образования продуктов электронно-молекулярных реакций Sei определялись соотношением:

Sei

Wei

W 1

V EeiSWei+SWi

ii

(2)

где W - мощность, вкладываемая в разряд, V - объем, занимаемый разрядом (цилиндр с радиусом трубок). Величины Wei - удельная мощность, расходуемая на электронно-молекулярный процесс неупругого рассеяния с пороговой энергией eei, Wt - удельная мощность, затрачиваемая на нагрев газа.

ФРЭЭ во внешнем электрическом поле E = 20 кВ/см рассчитывалась из кинетического уравнения Больцмана в двухчленном приближении аналогично [4]. Она имеет вид, характерный для случая, когда плазмоформирующим газом является азот [4]. При ее расчетах учитывались только процессы с участием азота, кислорода и паровжидкостей, поскольку концентрации остальных веществ много меньше концентраций указанных компонентов и на функцию распределения влияют слабо.

Вне разряда рассчитывалась кинетика по уравнению (1) без учета электронно-молекулярных реакций в пузырьке, заполненном газом, в течение времени заполнения объема сосуда, не занятого жидкостью. Оно составляло 10с. При этом температура газа оставалась неизменной и равной Tg.

На рис. 2 приведена динамика концентраций некоторых компонентов газовой смеси. Видно, что в области разряда происходит их активное образование. За разрядом электронно-молекулярные процессы не протекают, поэтому нет источников активных атомов и радикалов. Это приводит к выходу на насыщение концентраций устойчивых молекул. Тем не менее, видно, что через некоторое время начинают меняться [Н2] и [СО]. Это вызвано реакцией водяного сдвига (CO + H2O H2 + CO2, [1]), приводящей к полной конверсии оксида углерода в молекулярный водород.

105      104      103      ю2      101      10° 10і

Рис. 2. Рассчитанные зависимости концентраций некоторых компонентов газовой смеси от

времени

Рассчитанные зависимости концентраций наиболее устойчивых компонентов от тока, протекающего через разряд, приведены на рис. 3. Видно, что [H2] растет практически по линейному закону.

Вне разряда, как уже указывалось, единственным процессом, оказывающим заметное влияние на концентрацию молекулярного водорода, является реакция водяного сдвига.

При пробое кинетика H2 определяется процессом

C2H5OH + H CH3CH2O + H2 (3)

Поскольку [C2H5OH] практически не меняется, величина [H2] определяется только концентрацией атомарного водорода. В рассматриваемом случае главным процессом генерации Н является реакция диссоциации воды, скорость которой (2) линейна по удельной мощности (току). Поэтому [H2] также линейна по W/ V.

Также на рис. 3 приведена экспериментально определенная зависимость концентрации Н2 от тока. Ее согласие с рассчитанной зависимостью позволяет сделать вывод о корректности выбранной для описания кинетики модели.

Рис. 3. Зависимости концентраций наиболее устойчивых компонент от тока, протекающего через разряд для скорости прокачки воздуха 55 см3/с

Важной характеристикой экспериментальной установки является скорость прокачки воздуха через межэлектродный промежуток. Результаты расчетов ее влияния на концентрации наиболее устойчивых компонентов представлены на рис. 4: при увеличении G [H2] уменьшается с выходом на насыщение в области высоких значений аргумента. Это связано с тем, что увеличение скорости прокачки ведет к уменьшению времени пребывания газовой смеси в зоне разряда и к уменьшению времени действия реакции (5).

Рис. 4. Зависимости концентраций наиболее устойчивых компонент от скорости прокачки воздуха через зазор между электродами для тока 100 мА

Таким образом, проведенные исследования показывают, что использование предложенного плазменного реактора позволяет добиваться высокого выхода водорода (~ 5-1018см~3), получаемого при конверсии смеси паров этанола и воды, и воздуха. Это, а также устойчивость разряда по отношению перехода из тлеющего режима в дуговой, позволяют сделать вывод о перспективности рассмотренной установки.

Литература

1. Petitpas G., Rollier J.-D., Darmon A. et al. A comparative study of non-thermal plasma assisted reforming technologies // International Journal of Hydrogen Energy. - 2007. - Vol. 32. - P. 2848-2867.

2. Sekine Y., Urasaki K., Asai Sh. et al. A novel method for hydrogen production from liquid ethanol / water at room temperature // Chem. Commun. - 2005. - P.78-79.

3. Petrova M.V., Williams F.A. A small detailed chemical-kinetic mechanism for hydrocarbon

combustion // Combustion and Flame. - 2006. - Vol. 144. - P. 526-544.

4. Калюжная А.Г., Левко Д.С., Щедрин А.И. Сравнение различных методов расчета плазменной кинетики в барьерном разряде // ЖТФ. - 2008. - Том 78. - С. 122-126.

Левко Д.С., Щедрин А.І., Черняк В.Я., Юхименко В.В., Наумов В.В. Конверсія етанолу в нерівноважній плазмі газового розряду

Досліджується можливість отримання молекулярного водню в плазмохімічному реакторі, який використовується для конверсії суміші повітря з парами етанолу та води. Показано, що концентрація Н2 зростає за лінійним законом в залежності від струму, який протікає через розряд. Це узгоджується з результатами експериментів. Також отримано, що [H2] зменшується при збільшенні швидкості продування повітря через міжелектродний проміжок. Крім того, з'ясовано, що [Н2] досягає найбільших значень у порівнянні з іншими методами. Рис. 4. Дж. 4.

Ключові слова: етанол, водень, нерівноважна плазма, газовий розряд.

Levko D.S., Shchedrin АЛ., Chernyak V.Ya., Yukhymenko V.V., Naumov V.V. Ethanol conversion in the nonequilibrium gas discharge plasma

It is investigated the opportunity to obtain hydrogen in plasma chemical reactor. The last one is using for conversion of mixture air / ethanol / water vapors. It is shown that H2 concentration is the linear function of the discharge current. It is in good agreement with the experimental results. Also, it decreases when the rate of air pumping through the discharge region increases. It is obtained that [H2] reaches higher values in comparison with other methods. Fig. 4. Ref. 4.

Keywords: ethanol, hydrogen, nonequilibrium plasma, gas discharge.

Левко Д.С. - к.ф.-м.н., м.н.с., отдел газовой электроники, Институт физики Национальной Академии Наук Украины.

Щедрин А.И. - д.ф.-м.н., вед.н.с., отдел газовой электроники, Институт физики Национальной Академии Наук Украины.

Черняк В.Я. - д.ф.-м.н., профессор, радиофизический факультет, Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко.

Юхименко В.В. - м.н.с., радиофизический факультет, Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко.

Наумов В.В. - к.ф.-м.н., с.н.с., радиофизический факультет, Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко.

Страницы:
1 


Похожие статьи

Д С Левко - Неравновесной плазме газового разряда