Использование неравновесной плазмы тлеющего разряда при атмосферном давлении для конверсии водородосодержащих веществ

Размещено на http://www.allbest.ru/

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра физической информатики и атомно-молекулярной физики

Курсовая работа

Использование неравновесной плазмы тлеющего разряда при атмосферном давлении для конверсии водородосодержащих веществ

студента 3 курса

Ящука Андрея Владимировича

Руководители: Зав. лабораторией Физики газового разряда

Института физики им. Б.И. Степанова

НАН Беларуси

доктор физ.-мат. наук Симончик Л.В.;

доцент кафедры физической информатики

и атомно-молекулярной физики Сикорский В.В.

Минск 2011

Содержание

Введение

1. Элементы теории

1.1 Неравновесная плазма

1.2 Тлеющий разряд при атмосферном давлении

1.3 Использование тлеющего разряда атмосферного давления для конверсии водородосодержащих веществ

2. Описание установки

3. Эксперимент

4. Результаты

Выводы

Список используемой литературы

Введение

Разряды, генерирующие неравновесную плазму в воздухе атмосферного давления, известны с позапрошлого века (корона и барьерный разряд). Коронный разряд реализуется также в природных условиях - «огни святого Эльма». Барьерный разряд (БР) в 1857 году был создан Симменсом для озонирования воздуха. В последние годы интерес к неравновесным разрядам в воздухе при атмосферном давлении резко возрос, а область применений таких разрядов растёт непрерывно. Привлекательные особенности работы с плазмой при атмосферном давлении: возможность избавиться от вакуумной техники, простота ввода и вывода обрабатываемого материала, технически приемлемые требования к источникам энергопитания, ожидаемые невысокие эксплуатационные расходы. Для многих применений требуется поддержание плазмы, протяженной хотя бы в одном направлении.

Многие современные технологии основаны на использовании неравновесной плазмы. Особенно привлекательны для практических приложений плазменные технологии, реализующиеся при атмосферном давлении, поскольку при этом не требуется вакуумная техника, существенно упрощается эксплуатация плазменных установок, увеличивается производительность газоразрядных устройств и приборов. Кроме того, применение неравновесной плазмы при атмосферном давлении может привести к новым подходам в технологии, новым способам получения и обработки материалов. Прежде всего в создании мощных газоразрядных лазеров и источников света, в очистке и модификации поверхностей, в плазмохимических технологиях, в решении экологических задач. Несмотря на современный уровень знаний в области физики плазмы и газового разряда, получение однородной неравновесной плазмы при атмосферном давлении и в больших объемах, что необходимо для технологических применений, представляет сложную инженерную проблему. Это связано с тем, что с увеличением давления газа происходит уменьшение размеров характерных областей тлеющего разряда и резко возрастает объемное тепловыделение в катодной области. Это приводит к изменению плотности газа и, как следствие, к изменению нормальной плотности тока, соответствующей данному давлению.

В настоящее время известен ряд разрядных методик, используемых в создании технологий обработки газов, поверхностей и микробиологических объектов: БР, импульсно-периодическая корона (ИПК), непрерывный тлеющий разряд в потоке воздуха (НТРВ), разряд с микро-катодами, ВЧ и СВЧ разряды. Для создания плазмы при атмосферном давлении широко используются микроразряд с полым катодом, разряд с диэлектрическими капиллярными электродами и, особенно, различные виды барьерного разряда. Объемная плотность мощности данных газовых разрядов не превышает нескольких десятков Ватт в кубическом сантиметре и при этом разрядный объем составляет единицы кубических сантиметров. Поэтому создание устройств, генерирующих плазму тлеющего разряда при атмосферном давлении с повышенным энерговкладом и в большом (10 см³ и более), является насущной задачей, решение которой существенно расширит возможности применения тлеющих разрядов атмосферного давления в технике.

Целью курсовой работы является исследование возможности использования неравновесной плазмы катодной области тлеющего разряда для конверсии водородосодержащих веществ и получения синтез-газа.

1. Элементы теории

1.1 Неравновесная плазма

Плазма (от греч. рлЬумб «вылепленное», «оформленное») - четвёртое (после твёрдого, жидкого и газообразного) агрегатное состояние вещества. Плазма отличается от обычного газа тем, что состоит из ионов и электронов, а не из одних лишь нейтральных атомов. Главное в том, что благодаря дальнодействию кулоновских сил и подвижности легких электронов в плазме огромную роль играют коллективные процессы, т.е. колебания и волны.

Слово «ионизированный» означает, что от электронных оболочек значительной части атомов или молекул отделён по крайней мере один электрон. Слово «квазинейтральный» означает, что, несмотря на наличие свободных зарядов (электронов и ионов), суммарный электрический заряд плазмы приблизительно равен нулю. Присутствие свободных электрических зарядов делает плазму проводящей средой, что обуславливает её заметно большее (по сравнению с другими агрегатными состояниями вещества) взаимодействие с магнитным и электрическим полями.

Плазма обычно разделяется на низкотемпературную и высокотемпературную, равновесную и неравновесную.

Плазма, состояние которой не является состоянием полного термодинамического равновесия, называется неравновесной. Примерами неравновесной плазмы могут быть:

1. «неизотермическая» плазма, в которой температуpa электронов отличается от температуры ионов;

2. плазма, пространственно неоднородная, в частности ограниченная магнитным полем;

3. плазма, содержащая отд. направленные потоки электронов или ионов.

Как правило, неравновесность плазмы приводит к её неустойчивости, проявляющейся в нарастании возмущений и «раскачке» волн различных типов. Плазма атомарного газа считается неравновесной, если ее электронная температура превышает газовую (T_e >> T_g). Температура электронов T_e определялась из средней энергии электронов согласно выражению

;

степень неравновесности плазмы положительного столба зависит от силы разрядного тока. При токах менее 10 мА температуры различаются на два порядка, что говорит о сильной неравновесности плазмы. В то же время при токах более 1 А это различие уменьшается до 4-5 раз.

1.2 Тлеющий разряд при атмосферном давлении

Под термином «газовый разряд» обычно понимают все явления и процессы, связанные с протеканием электрического тока через газ. Само название разряд произошло от названия медленно протекающего процесса потери заряда заряженными металлическими телами, расположенными на подставке из изолятора, что наблюдалось ещё в XVI веке.

Тлеющий разряд, один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах. Происходит при низкой температуре катода, отличается сравнительно малой плотностью тока на катоде и большим (порядка сотен вольт) катодным падением U потенциала. Тлеющий разряд может возникать при давлениях р газа вплоть до атмосферного, однако подавляющее большинство исследований тлеющего разряда проведено при р от сотых долей до нескольких мм. рт. ст. Электроны из катода тлеющего разряда испускаются главным образом под действием ударов положительных ионов и быстрых атомов (и частично - за счёт фотоэффекта и энергии метастабильных атомов). Для внешнего вида тлеющего разряда в длинной цилиндрической трубке при давлениях порядка десятых долей мм. рт. ст. и выше характерно наличие ряда областей, визуально сильно отличающихся одна от другой (рис.1).

Рис. 1. Схематическое изображение областей тлеющего разряда в газоразрядной трубке

Происхождение этих областей объясняется особенностями элементарных процессов ионизации и возбуждения атомов и молекул. Важнейшей из них, определяющей само существование тлеющего разряда при указанных условиях, является катодное тёмное пространство, в котором в результате ударной ионизации электронами образуются положительные ионы, обеспечивающие эмиссию электронов из катода. Напряжение между электродами Тлеющий разряд (напряжение горения) зависит в основном от двух параметров: произведения р на расстояние l между электродами (рЧ l) и плотности тока на катоде j. Общая классификация различных форм Тлеющий разряд была установлена в исследованиях советского учёного Б. Н. Клярфельда и его учеников. Она распространяется на случай сверхмалых значений p l и j, когда в пространстве между электродами отсутствует пространственный заряд и поле практически однородно. В таком, по терминологии Клярфельда, простейшем Тлеющий разряд отсутствуют упомянутые выше отдельные области, и газ ионизуется электронами во всём межэлектродном промежутке. При увеличении p l и j возможно существование двух форм Тлеющий разряд - нормального и плотного. В первом из них электроны эмитирует только часть поверхности катода. При этом j и U остаются постоянными, а с ростом тока эмиссия происходит со всё большей площади катода. Плотный Тлеющий разряд наблюдается при больших j. Для него характерно резкое возрастание напряжения горения с ростом тока.

Особой формой Тлеющий разряд является разряд с полым катодом (катод имеет форму полого цилиндра или двух параллельных пластин). В таком Тлеющий разряд электроны, многократно колеблющиеся между стенками катода, интенсивно ионизуют газ. Тлеющий разряд с полым катодом отличается от обычного Тлеющий разряд значительно большими плотностью тока и яркостью свечения. Свойства и характеристики Тлеющий разряд используются в технике.

Рис. 2. Вид тлеющего разряда при атмосферном давлении при различных значениях силы тока

Тлеющий разряд атмосферного давления на постоянном токе в плане исследования свойств неравновесной плазмы сложного состава имеет ряд преимуществ перед другими источниками - это его стационарность и стабильность параметров.

Анодные свечения большинства разрядов контрагированы либо организованы в виде отдельных пятен на поверхности анода. Относительные размеры, яркость и цвет свечения областей разрядов изменяются при варьировании рабочего газа. Поперечные размеры характерных областей разряда зависят от величин разрядного тока. Диаметр отрицательного свечения изменяется от нескольких сотен микрометров при разрядном токе порядка 1 мА до сантиметра при 1 А.

Еще одна особенность разрядов при промежутке 1 мм - положительные столбы всех разрядов являются контрагированными.

Контрагированный разряд (от лат. contraho - стягиваю, сжимаю) - электрический разряд в газе, диаметр столба которого существенно уменьшен по сравнению с тем же разрядом при меньших силах тока. При контракции (самосжатии) разряда в несколько раз возрастает объёмная плотность энергии в плазме столба и поэтому резко увеличивается общая яркость свечения и изменяется его спектральный состав. Контракция происходит вследствие качественного изменения условий энергетического баланса с ростом силы тока в радиально неоднородном столбе плазмы. В плазме молекулярных газов, например, это изменение возникает вследствие резкого увеличения скорости переноса тепла при приближении степени диссоциации к полной. В атомарных газах при значительно больших токах (десяти или сотни кА) условия баланса резко меняются и возникает контракция, когда собственное магнитное давление становится больше газокинетического.

Рис. 3. Вид тлеющего разряда при атмосферном давлении при токе 5 мА

Фотографии разрядов при токе 5 мА и различных значениях межэлектродного расстояния представлены на рисунке 3. Промежуток изменялся от 0.06 мм до 1.4 мм. Как видно, видимые изменения структуры разряда имеют место при промежутках менее 0.5 мм. При промежутках менее чем примерно 0.1 мм, площадь отрицательного свечения незначительно увеличивается. Анодные свечения становятся более однородными и их радиальные размеры становятся сравнимыми с отрицательными свечениями.

1.3 Использование тлеющего разряда атмосферного давления для конверсии водородосодержащих веществ

Создание экономически выгодных методов получения водорода представляет значительный интерес для развития современного общества. Использование водорода вместо углеводородного сырья позволит решить проблемы доступных источников энергии, энергетической безопасности и загрязнения окружающей среды парниковыми газами. В последние десятилетия для получения водорода интенсивно изучается возможность создания малогабаритных переносных источников в различных газовых разрядах, генерирующих неравновесную плазму (коронном, искровом, барьерном, ВЧ, СВЧ и тлеющем). Такие источники характеризуются низкой температурой плазмообразующего газа ~0.1 эВ и высокой ~10 эВ энергией электронов. Эти электроны способны эффективно инициировать процессы диссоциации молекулярных соединений в плазме разряда.

Плазма в катодной области ТРАД является более неравновесной, чем плазма положительного столба. Это связано со значительной величиной напряженности электрического поля в области катодного падения потенциала. Максимальная величина средней энергии электронов в этой области может значительно превышать 10 эВ. Исходя из этого, предлагается использовать катодную область тлеющего разряда атмосферного давления для осуществления плазмохимических преобразований водородосодержащих веществ.

В настоящее время большое внимание уделяется исследованиям, направленным на использование нетрадиционных возобновляемых видов топлива вместо нефтяных топлив. Уже сейчас в качестве топлив используются этанол, метанол, синтетический бензин, биотопливо, отработанное масло. В ряде случаев нетрадиционное топливо удается применять без радикального изменения конструкции топливной аппаратуры и двигателей внутреннего сгорания. Однако, зачастую, использование нетрадиционных топлив затрудняется вследствие низкой скорости распространения волны горения. По этой причине этанол не применяется в чистом виде в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, а используется в качестве 20% добавки к бензину. Эта смесь (газохол) является обычным топливом в Бразилии, где этанол получают из сахарного тростника и маниока.

Другим способом, улучшающим поджигание и горение нетрадиционных топлив является добавление к ним легковоспламеняющихся газов H₂ и СО. Среди возможных технологий получения водорода и синтез-газа нетепловая конверсия углеводородов в низкотемпературной неравновесной плазме рассматривается как перспективная альтернатива применяемым технологиям, включая паровую конверсию и частичное окисление. Обладая высокой селективностью и реакционной способностью химических преобразований, неравновесная плазма обеспечивает достаточно высокую производительность при относительно низких энергозатратах. Роль технологий, использующих неравновесную плазму, особенно возросла в последние 15 лет вследствие перехода к газовым разрядам атмосферного давления, что позволило не только исключить дорогостоящую вакуумную технику, но и повысить вкладываемую в плазму энергию. Поэтому разработка новых методов конверсии углеводородов в неравновесной плазме при атмосферном давлении для замены традиционных затратных технологий равновесной плазмохимии и создание простых, безопасных и эффективных устройств получения водорода из возобновляемых источников энергии и снижение выбросов парниковых газов является актуальной.

Изучение фундаментальных характеристик тлеющих разрядов атмосферного давления являются актуальными в настоящее время. Полученные результаты будут использованы для дальнейшего развития моделей тлеющего разряда и оптимизации различных его приложений. Конверсия водородосодержащих веществ в катодной области тлеющего разряда атмосферного давления представляет интерес в плане разработки малогабаритных источников водорода и синтез-газа.

2. Описание установки

конверсия углеводород плазма атмосферный

Рис. 4. Схематическое изображение установки (А - боковая пластина, Б - крышка)

На рисунке 4 представлен корпус установки, который состоит из двух скрепляющихся четырьмя винтами пластин, между которых зажимается катод и крышка, фиксирующая аноды. Пластины и крышка выполнены из асбестоцемента (диэлектрика). В пластинах в целях изоляции помещены прокладки из керамических трубок, в которых закрепляются латунные аноды, которые представляют собой стержни имеющие 4 миллиметра в диаметре на концах и 6 миллиметров в диаметре в середине. Катод представляет собой медный волновод. Расстояние между катодом и анодами составляет 1 миллиметр.

Рис. 5. Схематическое изображение источника питания

Рис. 6. Схематическое изображения цепи питания установки

Цепь питания для установки показана на рисунке 6, где ИПВН - источник питания высокого напряжения, ИПНН - источник питания низкого напряжения, R1 и R2 - балластные сопротивления, равные 1 МОм и 1кОм соответственно. После вторых балластных сопротивлений установлены диоды, для того чтобы исключить течение тока в обратном направлении.

3. Эксперимент

Целью эксперимента являлось получение тлеющего разряда и рассмотрение возможности применения его для конверсии водородосодержащих веществ. Для того чтобы получить тлеющий разряд на расстоянии 1 мм, через балластные сопротивления было пропущено напряжение в 3 кВ с источника питания высокого напряжения, таким образом зажжен заряд был при токе в 3 мА. С помощью источника питания низкого напряжения на установку был подан большой ток - 200 мА, благодаря которому разряд увеличился в площади и стал более устойчив. Охлаждалась установка водой, пропускаемой через волновод - это также стабилизировало разряды.

4. Результаты

В ходе эксперимента был получен тлеющий разряд. Зажигание произошло при значении напряжения приблизительно в 2,9 кВ - результат показан на рисунке 7.

Рис. 7. Тлеющий разряд (без подключения второго источника питания)

На рисунке видны три положительных столба тлеющих разрядов, также яркие точки на катоде обозначают катодную область. Результат подключения источника питания низкого напряжения показан на рисунке 8.

Рис. 8. Тлеющий разряд (с подключением источника питания низкого напряжения)

На рисунке 8 ярко выражены тлеющие разряды, особенно четко различимы катодная область и положительный столб, темные области не различимы ввиду компактности разряда.

Выводы

В ходе настоящей курсовой работы был изучен и получен тлеющий разряд, а также рассмотрена и изучена возможность использования неравновесной плазмы тлеющего разряда при атмосферном давлении для конверсии водородосодержащих веществ. Был поставлен эксперимент по получению тлеющего разряда. В связи с нехваткой времени для постановки эксперимента, не было проведено исследование возможности использования разряда для конверсии водородосодержащих веществ.

Список используемой литературы

1. «Физика газового разряда» - Райзер Ю.П. - Издательство «Наука», Москва. 1987.

2. «Основы физики плазмы» - Н. Кролл, А. Трайвелпис - под редакцией А. М. Дыхне - Издательство «Мир», Москва. 1975.

3. «Плазменная Астрофизика» - С. А. Каплан, В. Н. Цытович - Издательство «Наука», Москва. 1972.

4. «Электричество» - Калашников С.Г. - Издательство «Наука», Москва. 1985.

5. «DC atmospheric pressure glow microdischarges in the currentrange from microamps up to amperes» - Архипенко В.И., Кириллов А.А., Сафронов Е.А., и Симончик Л. В. - The European Physical Journal D (2010).

6. «Effect of the reactor surface roughness on benzene oxidation in dielectric barrier discharges» - Jing Li, Shi-Tong Han, Shu-Pei Bai, Xi-Cheng Shi, Su-Ling Han, Hua Song, Xi-Ming Zhu, Wen-Cong Chen2 и Yi-Kang Pu - Plasma Sources Science and Technology (2008).

7. «Conversion of carbon dioxide to value-added chemicals in atmospheric pressure dielectric barrier discharges» - Sabine Paulussen, Bert Verheyde, Xin Tu, Christophe De Bie, Tom Martens, Dragana Petrovic, Annemie Bogaerts и Bert Sels - Plasma Sources Science and Technology (2010).

8. «Production of hydrogen via conversion of hydrocarbons using a microwave plasma» - Mariusz Jasinski, Mirosіaw Dors, Helena Nowakowska, Gerietta V Nichipor и Jerzy Mizeraczyk - Journal of Physics D: Applied Physics (2011).

9. «Interstellar Enols are Formed in Plasma Discharges of Alcohols» - Jing Wang, Yuyang Li, Taichang Zhang, Zhenyu Tian, Bin Yang, Kuiwen Zhang, Fei Qi, Aiguo Zhu,3 Zhifeng Cui, and Cheuk-Yiu Ng - The Astrophysical Journal (20.03. 2008).

10. «Hydrogen generation in self-sustained normal DC atmospheric pressure glow discharge in helium-ammonia mixture» - Архипенко В.И., Кириллов А.А., Згировский С.М., и Симончик Л. В.

11. «Self-sustained dc atmospheric pressure normal glow discharge in helium: from microamps to amps» - Архипенко В.И., Кириллов А.А., Сафронов Е.А., Згировский С.М., и Симончик Л.В. Pu - Plasma Sources Science and Technology (2009).

Размещено на Allbest.ru