Моделирование образования ацетилена из метана в плазменной струе

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Настоящая работа посвящена численному моделированию реакции конверсии метана в ацетилен в условиях плазмоструйного пиролиза и сравнению полученных результатов с имеющимися экспериментальными данными. Расчеты проводились в рамках модели реактора идеального вытеснения для атмосферного давления. Проведен анализ основных процессов разложения метана и образования ацетилена в случаях, когда в качестве плазмообразующего газа использовался либо водород, либо метан. Результаты расчетов основных продуктов разложения метана (водорода и ацетилена) хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. В. Билера

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук

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

Ю. А. Лебедев

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук

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

А. Ю. Титов

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук

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

И. Л. Эпштейн

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук

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

Список литературы

  1. Антонов В.Н., Лапидус А.С. Производство ацетилена. М.: Химия, 1970. 416 с.
  2. Темкин О.Н., Шестаков Г.К., Трегер Ю.А. Ацетилен: Химия. Механизмы реакций. Технология. М.: Химия, 1991. 416 с.
  3. Pässler P., Hefner W., Buckl K. et al. Acetylene. In Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, 7th ed.; Wiley-VCH Verlag GmbH & Co: Weinheim, Germany, 2008. https://doi.org/10.1002/14356007.a01 097.pub3
  4. Shlyapin D.A., Afonasenko T.N., Glyzdova D.V. et al. // Catalysis in Industry. 2022. V. 14. № 3. P. 251.
  5. Bedenko S.P., Dement’ev K.I., Maximov A.L. // Petroleum Chemistry. 2022. V. 62. № 9. P. 989.
  6. Arutyunov V.S., Savchenko V.I., Sedov I.V., Nikitin A.V. // Catalysis in Industry. 2022. V. 14. № 1. P. 1.
  7. Maretina I.A. // Russ. J. Appl. Chem. 1996. V. 69. № 3. P. 311.
  8. Maretina I.A., Trofimow B.A. // Russ. Chem. Rev. 2000. V. 69. № 7. P. 591.
  9. Slovetskii D.I., Mankelevich Yu.A., Slovetskii S.D., Rakhimova T.V. // High Energy Chemistry. 2002. V. 36. № 1. P. 44.
  10. Кинетика и термодинамика химических реакций в низкотемпературной плазме. Под ред. Л.С. Полака. М.: Наука, 1965. 255 с.
  11. Bilera I.V., Lebedev Y.A. // Petroleum chemistry. 2022. V. 62. № 4. P. 329.
  12. Dors M., Nowakowska H., Jasinski M., Mizeraczyk J. // Plasma Chem. Plasma Process. 2014. V. 34. № 2. P. 313.
  13. Hughes K.J., Turanyi T., Clague A.R., Pilling M.J. // Int. J. Chem. Kinet. 2001. V. 33. № 9. P. 513.
  14. Cheng Y., Li T., Rehmet C., An H. et al. // Chemical Engineering J. 2017. V. 315. P. 324.
  15. An H., Cheng Y., Li T., Cheng Y. // Fuel Processing Technology. 2018. V. 172. P. 195.
  16. Wang H., You X., Joshi A.V. et al., USC Mech Version II. High-Temperature Combustion Reaction Model of H2/CO/C1-C4 Compounds. http://ignis.usc.edu/USC_Mech_II.htm, May 2007.
  17. Appel J., Bockhorn H., Frenklach M. // Combustion and Flame. 2000. V. 121. P. 122.
  18. Ma J., Su B., Wen G., Ren Q. et al. // Int. J. Hydrogen Energy. 2016. V. 41. № 48. P. 22689.
  19. Marinov N.M., Pitz W.J., Westbrook C.K. et al. // Combustion and Flame. 1998. V. 114. № 1–2. P. 192–213.
  20. Holmen A., Rokstad O.A., Solbakken A. // Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 1976. V. 15. № 3. P. 439.
  21. Zhang H., Wang W., Li X. et al. // Chemical Engineering J. 2018. V. 345. P. 67.
  22. Heijkers S., Aghaei M., Bogaerts A. // J. Physical Chemistry C. 2020. V. 124. № 13. P. 7016.
  23. Ravasio S., Cavallotti C. // Chem. Eng. Sci. 2012. V. 84. P. 580.
  24. Agafonov G.L., Smirnov V.N., Vlasov P.A. // Proc. Combust. Inst. 2011. V. 33. № 1. P. 625.
  25. Shao C., Kukkadapu G., Wagnon S.W. et al. // Comb. Flame. 2020. V. 219. P. 312.
  26. Kozlov G.I., Khudyakov G.N., Kobzev Yu.N. // Petroleum Chemistry U.S.S.R. 1967. V. 7. № 1. P. 83.
  27. Кобзев Ю.Н., Козлов Г.И., Худяков Г.Н. // Химия высоких энергий. 1970. Т. 4. № 6. С. 519.
  28. Epstein I.L., Lebedev Yu.A., Tatarinov A.V. Bilera I.V. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2018. V. 51. 214007.
  29. GRI-Mech 3.0. http://combustion.berkeley.edu/gri-mech/
  30. Wang H., Frenklach M. // Comb. Flame. 1997. V. 110. P. 173
  31. Mehl M., Pitz W.J., Westbrook C.K., Curran H.J. // Proc. Combust. Inst. 2011. V. 33. P. 193.
  32. Curran H.J., Gaffuri P., Pitz W.J., Westbrook C.K. // Comb. Flame. 1998. V. 114. № 1–2. P. 149.
  33. Merkulov A.A., Ovsyannikov A.A., Polak L.S. et al. // Plasma Chem. Plasma Process. 1989. V. 9. № 1. P. 95.
  34. Merkulov A.A., Ovsyannikov A.A., Polak L.S., Popov V.T., Pustilnikov V.Yu. // Plasma Chem. Plasma Process. 1989. V. 9. № 1. P. 105.
  35. Эмануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики. М.: Высшая школа, 1974. 399 с.
  36. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1987.
  37. Lebedev Yu.A., Tatarinov A.V., Epstein I.L. // Plasma Chem. Plasma Processing. 2019. V. 39. № 4. P. 787, https://doi.org/10.1007/s11090-019-09975-8
  38. Frenklach M., Wang H. // Proc. Comb. Inst. 1991.V. 23. P. 1559.
  39. Shterenberg A.M. // Vestnik Samarsk. Univer. Phys.-Math. Ser. 1998. P. 55 (in Russian).
  40. Winters H. // J. Chem. Phys. 1975. V. 63. P. 3462.
  41. Cacciatore M., Capitelli M., Dilonardo M. // Chem. Phys. 1978. V. 34. P. 193.
  42. Morgan Database (2014). www.lxcat.net. Retrieved 29 Aug 2014.
  43. Janev R., Reiter D. // Phys. Plasmas. 2004. V. 11. P. 780–829.
  44. Starikovsky A., Aleksandrov N. // Progr. Energy Combust. Science. 2013. V. 39. P. 61.
  45. Wang W., Snoeckx R., Zhang X. et al. // J. Physical Chemistry C. 2018. V. 122. № 16. P. 8704.
  46. Овсянников А.А. Химические реакции в турбулентных потоках низкотемпературной плазмы в сб. Низкотемпературная плазма 3. Под ред. Л.С. Полака и Ю.А. Лебедева, Новосибирск: Наука, 1981.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема плазмохимического реактора. 1 – плазмотрон, 2 – реактор, 3 – зона закалки, 4 – подача водорода или метана (природного газа), 5 – подача дополнительного потока метана (природного газа), 6 – закалка водой, 7 – поток продуктов реакции в узел разделения

Скачать (64KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Механизм образования молекулы зародыша частиц сажи

Скачать (144KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость газовой температуры (а), объемных концентраций метана (б), молекулярного водорода (в) и ацетилена (г) от времени пребывания газа в реакторе при разных значениях расхода холодного метана F2 для случая F1 = 50 л/мин, Т1 = 3500 К, Т2 = 300 К, р = 1 атм. F2 /F1 = 1.0 (1), F2 /F1 = 1.2 (2), F2 /F1 = 1.4 (3), F2/F1 = 1.6 (4), F2/F1 = 2.0 (5)

Скачать (421KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость экспериментальных [27] (символы и тонкие сплошные линии) и расчетных (толстые сплошные линии) значений концентраций метана и основных продуктов его распада от соотношения величины потоков холодного и горячего метана для случая F1 = 50 л/мин, Т1 = 3500 К, Т2 = 300 К, р = 1 атм. Толстые пунктирные линии – расчет с учетом перемешивания холодного и горячего потоков. 1, 2 – Н2; 3, 4 – C2H2; 5, 6, 11 – CH4; 7, 8, 12 – C4H2; 9, 10, 13 – C4H4

Скачать (117KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость выхода сажи от времени пребывания газа в реакторе при разных значениях расхода холодного метана F2 для случая М1 = 50 л/мин, Т1 = 3500 К, Т2 = 300 К, р = 1 атм. F2/F1 = 1.0 (1), F2/F1 = 1.2 (2), F2/F1 = 1.4 (3), F2/F1 = 1.6 (4), F2/F1 = 2.0 (5)

Скачать (107KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость экспериментальных [26] (символы и тонкие сплошные линии) и расчетных (толстые сплошные линии) выходов основных компонентов: (а) от объемного расхода метана при расходе водорода 50 л/мин, (б) от объемного расхода водорода при расходе метана 80 л/мин. 1, 2 – H2; 3, 4 – С2H2; 5, 6 – СH4; 7, 8 – С2H4

Скачать (199KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимость от времени содержания метана и продуктов его пиролиза для оптимальных условий табл. 2. 1 – СН4, 2 – Н2, 3 – С2Н4, 4 – С2Н2

Скачать (95KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024