振动激发态在非平衡等离子体重整CH4/CO2过程的动力学作用研究

摘要

采用非平衡等离子体将甲烷转化为目的产物是目前等离子体应用研究的热点。在非平衡等离子体转化甲烷的研究中，研究人员已经开展了一系列工作，并取得了丰硕的成果;然而基于等离子体内部的复杂性以及目前测量手段的不足，导致对等离子体重整甲烷过程中详细动力学过程的研究仍有很多方面需要研究。在详细化学反应模型的建立过程中，研究人员往往需要对整个放电过程进行简化、近似处理，忽略反应过程中许多过程的影响，如放电过程中大量进行的电子碰撞激发过程，以得到简化的化学反应动力学模型。因此本文重点对电子碰撞激发中的电子振动激发过程进行研究。
　　本文以HP-mech为基础，考虑主要反应物以及生成物振动态粒子的生成以及随后参与化学反应过程，完善整个CH4/CO2/He化学反应模型。对整个化学反应动力学过程进行研究，重点研究振动态粒子在反应历程中的影响及作用，主要内容如下:
　　(1)考虑放电反应中主要反应物及产物的振动态粒子生成:选取CH4/CO2/He放电反应机理;随后考虑主要反应物以及产物的振动能级以及对应的碰撞截面;考虑模型中振动态粒子生成所涉及的能量松弛过程以及化学反应过程;完善CH4/CO2/He动力学模型。
　　(2)搭建CH4/CO2/He放电实验平台，利用气相色谱仪对放电功率为5～25W内各组分浓度进行测量，通过与构建的模型的模拟结果进行对比，验证模型的准确性。
　　(3)基于电子碰撞截面数据，求解玻尔兹曼方程，获得放电过程中电子能量分布函数(EEDF)及电子能量损失分布，对放电阶段的放电特性进行分析。
　　(4)对模型中的典型基团以及物质的生成速率分析及敏感性进行分析，对生成速率与反应时间求积分获得各组分的主要生成与消耗路径，对敏感性分析获得主要影响组分生成与消耗最大的几个基元反应;随后对模型中主要振动态粒子的生成速率分析，给出振动态粒子的主要生成与消耗路径及影响化学反应过程的部分重要反应路径。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 甲烷的转化方法

1．3 等离子体介绍

1．4 等离子体转化甲烷过程研究进展

1．5 等离子体转化动力学研究进展

1．6 论文工作的提出及主要研究内容

2 模拟与实验方法

2．1 数值模拟方法

2．1．1 BOLSIG+软件

2．1．2 CHEMKIN软件

2．2 实验装置及原料

2．3 连续放电过程分析

2．4 数据处理

2．5 本章小结

3 分子振动态体系的建立

3．1 振动态粒子运动特点

3．2 分子的振动能级

3．3 反应物以及主要生成物的碰撞截面

3．3．1 H2分子碰撞截面

3．3．2 CO分子碰撞截面

3．3．3 CH4分子碰撞截面

3．3．4 CO2分子碰撞截面

3．4 振动态粒子的松弛过程

3．5 振动态粒子参与的化学反应过程

3．6 振动态粒子的热力学参数

3．7 本章小结

4 动力学模型的构建及验证

4．1 动力学模型的构建

4．2 模型的对比验证

4．3 本章小结

5 非平衡等离子体重整CH4／CO2的动力学研究

5．1．1 电子能量分布函数(EEDF)及平均电子能量

5．1．2 放电过程能量损失分布

5．2 放电反应过程粒子的反应历程

5．2．1 主要反应物及产物的反应历程

5．2．2 振动态粒子参与的反应速率变化

5．3 反应物以及主要产物的反应路径及敏感性

5．3．1 反应物的生成与消耗路径及敏感性分析

5．3．2 自由基以及产物的生成与消耗路径及敏感性分析

5．4 振动态粒子的生成与消耗路径

5．4．1 CH4振动态粒子的生成与消耗路径

5．4．2 CO2振动态粒子的生成与消耗路径

5．4．3 H2振动态粒子的生成与消耗路径

5．4．4 CO振动态粒子的生成与消耗路径

5．5 本章小结

6．1 本文研究总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简历及攻读硕士／博士学位期间取得的研究成果

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