КОНВЕРСИЯ ЭТИЛЕНА В БАРЬЕРНОМ РАЗРЯДЕ: ЭКСПЕРИМЕНТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ
Аннотация
Изучена селективная конверсия этилена и его смесей с аргоном и воздухом в барьерном разряде. Плазмохимическое превращение протекает без образования полимероподобных веществ или продуктов глубокого окисления до кислородсодержащих соединений и различных предельных и непредельных углеводородов. Синтез осуществляется в газожидкостном реакторе в присутствии воды, что обеспечивает вывод образовавшихся веществ из разрядной зоны и исключает повторное воздействие на них плазмы разряда. Обработка этилена в барьерном разряде приводит к образованию предельных и непредельных углеводородов С1–С5+ с преобладанием соединений с четырьмя атомами углерода в молекуле, суммарное содержание которых в продуктах реакции достигает 58,4 мас.%. Добавка к этилену аргона не оказывает существенного влияния на состав и содержание веществ в продуктах реакции, наблюдается увеличение конверсии этилена с 5,4 до 58,9 мас.%. Обработка смеси этилена с добавками воздуха приводит к образованию гидроксильных и карбоксильных соединений с суммарным содержанием в продуктах ~29 мас.%. и предельных, и непредельных углеводородов С1–С4 с преимущественным содержанием ацетилена до ~47 мас.%. Конверсия этилена за один проход реакционной смеси через реактор в данных условиях составляет 12,8 мас.%. В результате оценки потерь энергии электронов барьерного разряда в электронно-молекулярных взаимодействиях в процессе конверсии этилена установлено, что 78% энергии электронов барьерного разряда тратится в основном на возбуждение электронных состояний молекул этилена, а добавки аргона позволяют увеличить ее до 86%. В случае конверсии смесей этилена с добавками воздуха показано, что на возбуждение электронных состояний молекулы этилена тратится всего ~14% энергии разряда, а основное ее количество (65%) расходуется на возбуждение различных состояний молекул азота. Полученные данные использованы для разработки модели химической кинетики превращения этилена в барьерном разряде. Предложенная модель содержит более 280 реакций и хорошо согласуется с экспериментальными данными. В результате моделирования получены новые данные о поведении молекулы этилена в условиях плазмы барьерного разряда со средней энергией электронов 4-5 эВ. Полученные результаты будут полезны при разработке современных методов переработки этилена, ориентированных на технологическую простоту и компактность химического процесса, отвечающего принципам «зеленой химии» и низкого уровня углеродного следа в окружающей среде.
Для цитирования:
Рябов А.Ю., Кудряшов С.В. Конверсия этилена в барьерном разряде: эксперимент и моделирование. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 8. С. 6-14. DOI: 10.6060/ivkkt.20246708.12t.
Литература
Fridman A. Plasma chemistry. Cambridge: Cambridge university press. 2008. DOI: 10.1017/CBO9780511546075.
Gusev G.I., Gushchin A.A., Grinevich V.I., Izvekova T.V., Kvitkova E.Yu., Rybkin V.V. Destruction of aqueous solutions of 2,4-dichlorophenol in a plasma-catalytic barrier discharge reactor. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 11. P. 103-111. DOI: 10.6060/ivkkt.20216411.6507.
Leshchik A.V., Ochered'ko A.N., Ryabov A.Yu., Petrenko T.V., Kudryashov S.V. Effect of temperature on benzene and toluene oxidation in a barrier discharge. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 11. P. 18-24. DOI: 10.6060/ivkkt.20236611.10t.
Miao Y., Yokochi A., Jovanovic G., Zhang S., Jouanne A. Application-oriented non-thermal plasma in chemical reaction engineering: A review. Green Energy Environ. 2023. V. 1. N 1. P. 100004. DOI: 10.1016/j.gerr.2023.100004.
Yabe T., Sekine Ya. Methane conversion using carbon dioxide as an oxidizing agent: A review. Fuel Process. Technol. 2018. V. 181. P. 187–198. DOI: 10.1016/j.fuproc.2018.09.014.
Chen H.L., Lee H.M., Chen S.H., Chao Y., Chang M.B. Review of plasma catalysis on hydrocarbon reforming for hydrogen production – Interaction, integration, and prospects. Appl. Catal. B. 2008. V. 85. N 1-2. P. 1–9. DOI: 10.1016/j.apcatb.2008.06.021.
Puliyalil H., Jurković D.L., Dasireddy V.D.B.C., Li-kozar B. A review of plasma-assisted catalytic conversion of gaseous carbon dioxide and methane into value-added platform chemicals and fuels. RSC Adv. 2018. V. 48. P. 27481–27508. DOI: 10.1039/C8RA03146K.
Tiwari S., Caiola A., Bai X., Lalsare A., Hu J. Micro-wave plasma-enhanced and microwave heated chemical reactions. Plasma Chem. Plasma Process. 2020. V. 40. P. 1–23. DOI: 10.1007/s11090-019-10040-7.
Slaets J., Loenders B., Bogaerts A. Plasma-based dry reforming of CH4: Plasma effects vs. thermal conversion. Fuel. 2024. V. 360. P. 130650. DOI: 10.1016/j.fuel.2023.130650.
Sreethawong T., Suwannabart T., Chavadej S. Ethylene epoxidation in low-temperature AC dielectric barrier discharge: effects of oxygen-to-ethylene feed molar ratio and operating parameters. Plasma Chem. Plasma Process. 2008. V. 28. P. 629–642. DOI: 10.1007/s11090-008-9149-8.
Xiong H., Zhu X., Lu S., Zhou C., Xu W., Zhou Z. Enhancement of plasma-catalytic oxidation of ethylene oxide (EO) over FeMn catalysts in a dielectric barrier discharge reactor. Sci. Total Environ. 2021. V. 788. P. 147675. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2021.147675.
Kudryashov S., Ryabov A., Shchyogoleva G. A new approach to the non-oxidative conversion of gaseous al-kanes in a barrier discharge and features of the reaction mechanism. J. Phys. D. 2016. V. 49. P. 025205. DOI: 10.1088/0022-3727/49/2/025205.
Ryabov A.Yu., Kudryashov S.V., Ochered’ko A.N. Modeling the kinetics of nonoxidative conversion of a propane–water mixture in dielectric-barrier discharge plasma. High Energy Chem. 2021. V. 55. P. 238–242. DOI: 10.1134/S0018143921030103.
Brandenburg R. Dielectric barrier discharges: progress on plasma sources and on the understanding of regimes and single filaments. Plasma Sources Sci. Technol. 2017. V. 26. P. 053001. DOI: 10.1088/1361-6595/aa6426.
Jahromi Z., Mardani A., Mahdi salehi M. Numerical study of exhaust chemical composition in a methane DBD plasma actuator under different operating conditions. Fuel. 2024. V. 361. P. 130649. DOI: 10.1016/j.fuel.2023.130649.
Sim J-W., Kim T-H., Kang N., Lee H.J., Lee E-H. Effective thermo-electric-mechanical modeling of capacitively coupled plasma in low-pressure conditions: Modeling and application in dry etching. Appl. Math. Model. 2024. V. 127. P. 32–59. DOI: 10.1016/j.apm.2023.11.021.
Hagelaar G.J.M., Pitchford L.C. Solving the Boltzmann equation to obtain electron transport coefficients and rate coefficients for fluid models. Plasma Sources Sci. Technol. 2005. V. 14. N 4. P. 722–733. DOI: 10.1088/0963-0252/14/4/011.
Ianni J.C. Kintecus V5.5. 2023. http://www.kintecus.com.
Viehland database [Electronic source]. – Access mode: www.lxcat.net.
NIST Chemical kinetics database. – URL: http://kinetics.nist.gov.
Ianni J.C. Atropos V1.00, 2023 http://www.kintecus.com/atropos.htm.
Varga T., Olm C., Nagy T., Zsely I.G., Valko E., Palvolgyi R., Curran H.J., Turanyi T. Development of a joint hydrogen and syngas combustion mechanism based on an optimization approach. Int. J. Chem. Kinet. 2016. V. 48. N 8. P. 407–422. DOI: 10.1002/kin.21006.
Blitz M.A., Pilling M.J., Robetrson S.H., Seakins P.W., Speak T.H. Global master equation analysis of rate data for the reaction C2H4 + H ⇄ C2H5: ΔfH0⊖C2H5. J. Phys. Chem. A. 2021. V. 125. P. 9548–9565. DOI: 10.1021/acs.jpca.1c05911.
Janev R.K., Reiter D. Collision processes of C2,3Hy and C2,3H+y hydrocarbons with electrons and protons. Phys Plasmas. 2004. V. 11. P. 780–829. DOI: 10.1063/1.1630794.
