ВВЕДЕНИЕ
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 зесьма 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, сказывается возможным в неравновесной плазме, когда реакция стимулируется, например, колебательным возбуждением реагентоз. 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 80-90% Г5,6-9].
Существенное повышение эффективности химической реакции 3 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 + 1/2112
По сравнению с диссоциацией СО2, 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 откосится, например, к разложению сероводорода до водорода и элементарной серы.
Н2Б = 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 пребызания 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 Еыше). 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 зремя внимание исследователей, является скользящая дуга. Хотя энергетическая эффективность плазмохимических процессов з этом разряде зачастую оказывается ниже аналогичных показателей для СВЧ и ВЧ разрядов, сравнительная простота скользящей дуги, а также возможность масштабирования до еысоких
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 ЗЧИР для плазмохимических приложений, состоит в том, что энергетическая эффективность, достигнутая в
плазмохимических реакторах на основе ВЧИР, значительно ниже, чем е реакторах на основе СВЧР, и составляет порядка 20-30% для реакции диссоциации СО* [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.
Указанные обстоятельства делают необходимым решение следующих задач в области теоретического описания и численного моделирования пространственно-неоднородных плазмохимических разрядов.
Во-первых, создание физической модели пространственнонеоднородного разряда в потоке газа, для определения его характеристик, режимов горения, а также исследования вопросов устойчивости горения разряда, решения проблемы масштабирования по мощности и частоте.
Во-вторых, необходимо построение модели, позволяющей описывать плазмохимические процессы в быстропроточных разрядах с учётом их сильной пространственной неоднородности а также влияния гидродинамических факторов на параметры процесса.
В-третьих, необходимо описание и оптимизация конкретных плазмохимических процессов в пространственно - неоднородных разрядах с учётом специфики их механизма и кинетики. Рассмотрение указанных задач определяет структуру диссертационной работы.
В первой главе предложена аналитическая модель ВЧИ разряда в потоке газа, проанализирована устойчивость его горения, рассмотрены вопросы обеспечения нужной величины удельного
энерговклада, масштабирования быстропроточного ВЧИР по частоте и мощности.
Во второй главе приведено описание численной модели ВЧИ разряда развитой в рамках предложенного подхода, а также приводятся результаты численного моделирования ВЧИР и их сопоставление с результатами специально выполненных экспериментов.
В третьей главе основные идеи, развитые при описании ЗЧИР, используются для разработки модели скользящей дуги. Анализируются возможные режимы горения скользящей дуги, её переход из термической в неравновесную фазу.
Четвёртая глава посвящена описанию химических реакций в химических разрядах с сильной пространственной неоднородностью. В рамках построенной численной модели на примере диссоциации сероводорода и разложения закиси азота показана возможность локализации зоны плазмохимической реакции, определены условия такой локализации, получены зависимости энергетической эффективности плазмохимических процессов от макропараметров разряда и газодинамических условий его горения. Кроме того, описана численная модель дугового разряда и приведены результаты соответствующих расчётов.
- Київ+380960830922