Plasma Physics ReportsPlasma Physics ReportsФизика плазмы0367-29213034-6371The Russian Academy of Sciences67746210.31857/S0367292124080108NZRWWMLOW TEMPERATURE PLASMAНИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМАResearch Article0D model of microwave discharge in water with barbotage of methane through the discharge zoneНульмерная модель СВЧ - разряда в воде при барботировании метана через разрядную зонуLebedevYu. А.ЛебедевЮ. А.
Russian Federation
lebedev@ips.ac.ruBatukaevT. S.БатукаевТ. С.
Russian Federation
lebedev@ips.ac.ruBileraI. V.БилераИ. В.
Russian Federation
lebedev@ips.ac.ruTatarinovA. V.ТатариновА. В.
Russian Federation
lebedev@ips.ac.ruTitovA. Yu.ТитовА. Ю.
Russian Federation
lebedev@ips.ac.ruEpsteinI. L.ЭпштейнИ. Л.
Russian Federation
lebedev@ips.ac.ruTopchiev Institute of Petrochemical Synthesis, Russian Academy of SciencesИнститут нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН1512202450894695820032025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0367-2921/article/view/677462

A microwave discharge inside of a methane bubble in boiling water is modeled in a 0D approximation taking into account the change in the size of the plasma bubble. The process of quenching the reaction products after the bubble detaches from the electrode surface is also simulated. The working pressure is 1 atm. It is shown that the main reaction products are H2, CO2, and CO. The ratio of CO2 and CO concentrations depends on the ratio of the initial flows of water vapor and methane. The calculated concentrations of the main decomposition products of methane and water are in good agreement with experimental data.

В нульмерном приближении проведено моделирование СВЧ-разряда внутри пузырька с метаном в кипящей воде с учетом изменения размера плазменного пузыря. Также проведено моделирование процесса закалки продуктов реакций после отрыва пузыря от поверхности электрода. Рабочее давление – одна атмосфера. Показано, что основными продуктами являются H2, CO2 и CO. Отношение концентраций CO2 и CO зависит от отношения начальных потоков паров воды и метана. Рассчитанные концентрации основных продуктов разложения метана и воды хорошо согласуются с экспериментальными данными.

microwave discharge in waterhydrogen production from methanesteam reformingmodelingСВЧ-разряд в водеполучение водорода из метанапаровой риформингмоделированиеArutyunov V.S. // Combust. Plasma Chem. 2021. V. 19. P. 245.Holladay J.D., Hu J., King D.L., Wang Y. // Catal. Today. 2009. V. 139. P. 244.Abbas H.F., Daud W.M.A.W. // Int. J. Hydrogen Energy. 2010. V. 35. P. 1160. https://doi.org/10.1016/ j.ijhydene.2009.11.036Dincer I., Acar C. // Int. J. Hydrogen Energy. 2015. V. 40. P. 11094. https://doi.org/10.1016/ j.ijhydene.2014.12.035Nikolaidis P., Poullikkas A. // Renew. and Sustain. Energy Rev. 2017. V. 67. P. 597. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.09.044Slovetskii D. I. // High Energy Chem. 2006. V. 40. P. 86. https://doi.org/10.1134/S0018143906020044Burlica R., Shih K. Y., Hnatiuc B., Locke B. R. // Indust. Engin. Chem. Res. 2011. V. 50. P. 9466. https://doi.org/10.1021/ie101920nMizeraczyk J., Urashima K., Jasiński M., Dors M. // Int. J. Plasma Environ. Sci. Technol. 2014. V. 8. P. 89.Mizeraczyk J., Jasiński M. // The European Phys. J. Appl. Phys. 2016. V. 75. P. 24702. https://doi.org/10.1051/epjap/2016150561Nedybaliuk O.A., Chernyak V.Y., Fedirchyk I.I., Demchina V.P., Bortyshevsky V.A., Korzh R.V. // Quest. Atomic Sci. Technol. 2016. V. 6. P. 276.Lian H.Y., Liu J.L., Li X.S., Zhu X., Weber A.Z., Zhu A.M. // Chem. Engineer. J. 2019. V. 369. P. 245. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.03.069Wang B., Lü Y., Zhang X., Hu S. // J. Natural Gas Chem. 2011. V. 20. P. 151. https://doi.org/10.1016/S1003-9953(10)60160-0Henriques J., Bundaleska N., Tatarova E., Dias F.M., Ferreira C.M. // Int. J. Hydrogen Energy. 2011. V. 36. P. 345. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.09.101Bundaleska N., Tsyganov D., Saavedra R., Tatarova E., Dias F.M., Ferreira C.M. // Int. J. Hydrogen Energy. 2013. V. 38. P 9145. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.05.016Wang Y.F., You Y.S., Tsai C.H., Wang L. C. // Int. J. Hydrogen Energy. 2010. V. 35. P. 9637. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.06.104Hrycak B., Czylkowski D., Miotk R., Dors M., Jasinski M., Mizeraczyk J. // Open Chem. 2015. V. 13. P. 317. https://doi.org/10.1515/chem-2015-0039Miotk R., Hrycak B., Czylkowski D., Dors M., Jasinski M., Mizeraczyk J. // Plasma Sources Sci. Technol. 2016. V. 25. P. 035022. https://doi.org/10.1088/0963-0252/25/3/035022Bardos L., Baránková H., Bardos A. // Plasma Chem. Plasma Process. 2017. V. 37. P. 115. https://doi.org/10.1007/s11090-016-9766-6Yan J., Du C. Hydrogen Generation from Ethanol Using Plasma Reforming Technology. Hangzhou: Springer, Zhejiang University Press, 2017.Bundaleska N., Tsyganov D., Tatarova E., Dias F.M., Ferreira C.M. // Int. J. Hydrogen Energy. 2014. V. 39. P. 5663. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.01.194Levko D.S., Tsymbalyuk A.N., Shchedrin A.I. // Plasma Phys. Rep. 2012. V. 38. P. 913. https://doi.org/10.1134/S1063780X1210008XShchedrin A.I., Levko D.S., Chernyak V.Y., Yukhimenko V.V., Naumov V.V. // JETP Lett. 2008. V. 88. P. 99. https://doi.org/10.1134/S0021364008140063Wang W., Zhu C., Cao Y. // Int. J. Hydrogen Energy. 2010. V. 35. P. 1951. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2009.12.170Adamovich I., Agarwal S., Ahedo E., Alves L.L., Baalrud S., Babaeva N., Bogaerts A., Bourdon A., Bruggeman P.J., Canal C., Choi E.H., Coulombe S., Zoltan Donkó Z., Graves D.B., Hamaguchi S., Hegemann D., Hori M., Kim H.-H., Kroesen G.M.W., Kushner M.J., Laricchiuta A., Li X., Magin T.E., Mededovic Thagard S., Miller V., Murphy A.B., Oehrlein G.S., Puac N., Sankaran R.M., Samukawa S., Shiratani M., Šimek M., Tarasenko N., Terashima K., Thomas Jr.E., Trieschmann J., Tsik ata S., Turner M.M., Van Der Walt I.J., Van De Sanden M.C.M, von Woedtke T. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2022. V. 55. P. 373001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/ac5e1cMalik M.A., Ghaffar A., Malik S.A. // Plasma Sources Sci. Technol. 2001. V. 10. P. 82. https://doi.org/10.1088/0963-0252/10/1/311Foster J.E. // Phys. Plasmas. 2017. V. 24. P. 055501. https://doi.org/10.1063/1.4977921Rezaei F., Vanraes P., Nikiforov A., Morent R., Geyter N. // Materials. 2019. V. 12. P. 2751. https://doi.org/10.3390/ma12172751Locke B.R. // Int. J. Plasma Environ. Sci. Technol. 2012. V. 6. P. 194.Rybkin V.V., Shutov D.A. // Plasma Phys. Rep. 2017. V. 43. P. 1089.Vanraes P., Bogaerts A. // Appl. Phys. Rev. 2018. V. 5. P. 031103. https://doi.org/10.1063/1.5020511Lebedev Yu.A. // Plasma Phys. Rep. 2017. V. 43. P. 676. https://doi.org/10.1134/S1063780X17060101Horikoshi S., Serpone N. // RSC Adv. 2017. V. 7. P. 47196.Lebedev Yu.A. // High Temp. 2018. V. 56. P. 811. https://doi.org/10.1134/ S0018151X18050280Lebedev Yu.A. // Polymers. 2021. V. 13. P. 1678. https://doi.org/10.3390/polym13111678Nomura S., Toyota H., Mukasa S., Yamashita H., Maehara T., Kawashima A. J. // J. Appl. Phys. 2009. V. 106. P. 073306. https://doi.org/10.1063/1.3236575Nomura S., Toyota H., Tawara M., Yamashota H. // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 88. P. 231502. https://doi.org/10.1063/1.2210448Liu J.L., Zhu T.H., Sun B. // Int. J. Hydrogen Energy. 2022. V. 47. P. 12841.https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.02.041Sun B., Zhao X., Xin Y., Zhu X. // Int. J. Hydrogen Energy. 2017. V. 42. P. 24047. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.08.052Lebedev Yu.A., Tatarinov A.V., Epshtein I.L., Titov A.Y. // High Energy Chem. 2022. V. 56. P. 448. https://doi.org/10.1134/S001814392206011XBatukaev Т.S., Bilera I.V., Krashevskaya G.V., Lebedev Yu.A., Epstein I.L. // Plasma Proc. Polym. 2023. V. 20. P. e2300015. https://doi.org/10.1002/ppap.202300015B atukaev Т.S., Bilera I.V., Krashevskaya G.V., Lebedev Yu.A. // Processes. 2023. V. 11. P. 2292. https://doi.org/10.3390/pr11082292Wang Q., Wang J., Zhu T., Zhu X., B. Sun B. // Int. J. Hydrogen Energy. 2021. V. 46. P. 34105.Wang Q., Wang J., Sun J., Sun S., Zhu X., Sun B. // Chemical Engineer. J. 2023. V. 465. P. 142872.Wang Q., Sun S., Yang Y., Zhu X., Sun B. // Energy. 2024. V. 289. P. 130023.Сердюков В.С. Экспериментальное исследование микрохарактеристик и теплообмена при кипении жидкостей в условиях различных давлений: Дис. … канд. физ.-матем. наук. Новосибирск, 2020.Hagelaar G., Pitchford L. // Plasma Sources Sci. Technol. 2005. V. 14. P. 722.Triniti Database. www.lxcat.net. Retrieved on May, 2024.Janev R.K., Reiter D. // Phys. Plasmas. 2002. V. 9. P. 4071.Morgan Database. www.lxcat.net. Retrieved on May, 30, 2024.Janev R.K., Reiter D. // Phys. Plasmas. 2004. V. 11. P. 780.Avtaeva S., General A., Kel’man V. // J. Phys. D: Applied Phys. 2010. V. 43. P. 315201.Aoki H., Kitano K., Hamaguchi S. // Plasma Sources Sci. Technol. 2008. V. 17. P. 025006.Pancheshnyi S., Biagi S., Bordage M., Hagelaar G., Morgan W., Phelps A., Pitchford L. // Chem. Phys. 2012. V. 398. P. 148.Rehman F., Lozano-Parada J.H., Zimmerman W.B. // Int. J. Hydrogen Energy. 2012. V. 37. P. 17678.Wang W., Snoeckx R., Zhang X., Cha M., Bog aerts A.J. // Phys. Chem. C. 2018. V. 122. P. 8704Tsyganov D., Bundaleska N., Tatarova E., Dias A., Henriques J., Rego A., Ferraria A., Abrashev M.V., Dias F.M.M., Luhrs C.C., Phillips J. // Plasma Sources Sci. Technol. 2016. V.2 5. P. 015013.Райзер Ю.П. Физика газового разряда, М.: Наука, 1992.GRI-Mech 3.0 http://combustion.berkeley.edu/gri-mech/COMSOL Multiphysics. https://comsol.com/chemicalreactionengineeringПархоменко В.Д., Полак Л.С., Сорока П.И., Цыбулев П.Н., Мельников Б.И., Гуськов А.Ф. Процессы и аппараты плазмохимической технологии. Киев: Вища школа, 1979.