System.ArgumentOutOfRangeException: 索引和长度必须引用该字符串内的位置。 参数名: length 在 System.String.Substring(Int32 startIndex, Int32 length) 在 zhuanliShow.Bind() 一种等离子体催化甲烷干重整反应机制的数值模拟方法技术_技高网

一种等离子体催化甲烷干重整反应机制的数值模拟方法技术

技术编号:41758616 阅读:9 留言:0更新日期:2024-06-21 21:40
本发明专利技术公开一种等离子体催化甲烷干重整反应机制的数值模拟方法,包括:针对原料气体二氧化碳和甲烷气体,建立输入数据文件;将输入数据文件翻译成Fortran代码;编辑等离子体催化甲烷干重整反应机制的数值模拟主程序代码;运行用户代码,实施至少一次反应动力学模拟,得到等离子体催化甲烷干重整模拟过程中所有粒子的密度、粒子源项、反应速率和源项矩阵;进行结果处理和分析,得到所有粒子的生成和消耗规律,分析得到等离子体催化甲烷干重整的反应路径。本发明专利技术解决了现有技术中存在的等离子体与催化剂界面化学反应机制难以解析的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及甲烷干重整,尤其涉及一种等离子体催化甲烷干重整反应机制的数值模拟方法


技术介绍

1、甲烷和二氧化碳是两种主要的温室气体,利用甲烷和二氧化碳的重整反应(又称甲烷干重整)制备高附加值化学品(如合成气和烯烃等)对缓解能源危机、减轻温室气体的排放而导致的全球气候变暖等环境问题具有重要的战略意义。

2、传统的甲烷与二氧化碳热催化重整技术可以有效活化两种气体并已实现工业化,但是存在温度高(>900k)、能耗高、催化剂易积碳失活等缺点。而等离子体-催化系统是在等离子体的基础上,与催化剂协同作用,可以在常温常压下实现甲烷干重整,并且能够提高反应物转化率、减少副产物种类和提高目标产物选择性。

3、现有研究大多根据实验现象推测等离子体与催化剂表面的宏观反应,鲜有深入研究等离子体和催化剂界面化学反应的时间演化规律,使得等离子体催化甲烷干重整的化学反应机理尚不清楚,阻碍了等离子体催化甲烷干重整技术的实用化发展。

4、pan等人在期刊journal of physics d:applied physics上发表的论文“numerical modeling and mechanisminvestigation of nanosecond-pulsed dbdplasma-catalytic ch4 dry reforming”究了纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体催化甲烷干重整的反应机制,其通过将泡沫镍催化剂表面反应嵌入zdplaskin求解器,构成等离子体催化重整甲烷-二氧化碳的气相-表面耦合动力学模型,使用实验装置得到气隙电压并将气隙电压转换为数值模拟中的约化电场强度,建立与实验结果契合的快速零维模型,数值模拟研究纳秒脉冲dbd等离子体催化甲烷干重整的机理与特性,得到重要气相和表面粒子密度的时间演化以及电子能量损失分布和气相-表面反应路径。但该方案的研究对象为纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体,以约化场强作为输入条件,在考虑电子附着反应时模型计算容易出错,且该方案中的负离子密度为零。


技术实现思路

1、为了至少解决现有技术存在的问题之一,本专利技术提供一种等离子体催化甲烷干重整反应机制的数值模拟方法。通过本专利技术提供的数值模拟方法能够解析等离子体催化甲烷干重整化学反应的时间演化过程,解决现有技术中存在的等离子体与催化剂界面化学反应机制难以解析的问题。

2、本专利技术提供的一种等离子体催化甲烷干重整反应机制的数值模拟方法,包含以下步骤:

3、针对原料气体二氧化碳和甲烷气体,建立输入数据文件;

4、将输入数据文件翻译成fortran代码;

5、编辑等离子体催化甲烷干重整反应机制的数值模拟主程序代码;

6、运行用户代码,实施至少一次反应动力学模拟,得到等离子体催化甲烷干重整模拟过程中所有粒子的密度、粒子源项、反应速率和源项矩阵;

7、进行结果处理和分析,得到所有粒子的生成和消耗规律,分析得到等离子体催化甲烷干重整的反应路径。

8、优选地,所述输入数据文本包括四个不同的部分,包含元素、粒子、bolsig+粒子集和化学反应库。在本专利技术的其中一个实施例中,请参阅图2,所述化学反应库由气相反应和表面反应组成。其中,气相反应分为电子碰撞电离、电子碰撞激发、电子碰撞解离、电子附着、电子-离子复合、离子-离子复合、粒子自由基反应、三体反应、振动-振动转化和振动平移弛豫等反应类型。表面反应分为直接吸附反应、埃利-里迪尔(eley-ridel,e-r)反应、朗缪尔-欣谢尔伍德(langmuir-hinshelwood,l-h)反应和解离吸附反应。

9、优选地,所述气相反应中电子碰撞反应的速率系数kj是通过将lxcat网站上获取的电子碰撞截面数据导入到内置的bolsig+求解器模块中计算得出。重粒子之间碰撞反应的速率系数kj通过标准arrhenius公式计算得到,其中,r为摩尔气体常量,t是气体温度,ea是表面活化能,a为指前因子。

10、优选地,所述直接吸附反应的反应速率系数可由下式计算:

11、

12、式中,τads表示气相物质在表面扩散和吸附损失的延时时间,st表示总表面活性位点密,γads为吸附概率。

13、优选地,所述e-r反应速率ker由式(2)计算,γer是重组概率,λ是扩散长度,d是扩散系数,v是等离子体催化甲烷干重整反应装置的体积,是粒子的平均速度。

14、

15、优选地,所述l-h反应速率klh由下式计算:

16、

17、式中,v是扩散跳变频率,kb是玻尔兹曼常数,fa和fd分别为活化能垒和扩散能垒,twall为催化剂界面温度。

18、优选地,所述解离吸附反应速率系数为:

19、

20、式中,γdad是解离吸附概率。

21、优选地,所述将输入数据文件翻译成fortran代码中,使用zdplaskin软件包中的预处理程序将输入数据文件翻译成fortran代码。预处理使用的语义分析检查每个元素、粒子、反应是否唯一,以及每个反应中的电荷和元素组成是否平衡。

22、优选地,所述编辑等离子体催化甲烷干重整反应机制的数值模拟主程序代码,包括:

23、调用子程序包init()初始化模块,设置原料气体二氧化碳和甲烷的比例和各种粒子初始密度;

24、通过set(get)_conditions()程序包指定计算条件的参数。所需参数包括气体温度和放电功率密度;

25、通过timestep()程序包设置dvode求解器的时间步长,调用set_config()程序包设置dvode求解器的绝对和相对容差。

26、优选地,基于粒子的产生和损耗反应机制,粒子数密度随时间的演化可由所述输入数据文件的化学反应计算如下:

27、

28、其中和分别表示物种i在反应j左侧和右侧的化学计量系数;t是时间;ni是物种i在反应左侧的数密度;kj是反应j的速率系数。

29、优选地,运行用户代码进行反应动力学模拟时,为了确保化学反应机制模拟时的偶然性,可以对化学反应实施多次反应动力学模拟,并排除模拟过程中的偶然性影响。

30、优选地,运行用户代码实施反应动力学模拟后,所述等离子体催化甲烷干重整反应机制数值模拟方法的输出数据列表包括不同时刻的放电功率密度、气体和电子温度、所有粒子的密度、粒子源项、反应速率和源项矩阵。

31、优选地,所述进行结果处理和分析,得到所有粒子的生成和消耗规律,分析得到等离子体催化甲烷干重整的反应路径中,在源项矩阵中提取每种粒子产生的和消耗的具体反应,得到所有粒子的生成和消耗规律,分析得到等离子体催化甲烷干重整的反应路径。

32、本专利技术相较于现有技术,至少具有以下有益效果:

33、1、本专利技术提出的一种等离子体催化甲烷干重整反应机制的模拟方法,能够揭示等离子体和本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种等离子体催化甲烷干重整反应机制的数值模拟方法,其特征在于,步骤包括:

2.根据权利要求1所述的一种等离子体催化甲烷干重整反应机制的数值模拟方法,其特征在于,所述输入数据文本包含元素、粒子、BOLSIG+粒子集和化学反应库。

3.根据权利要求2所述的一种等离子体催化甲烷干重整反应机制的数值模拟方法,其特征在于,所述化学反应库包括气相反应和表面反应。

4.根据权利要求3所述的一种等离子体催化甲烷干重整反应机制的数值模拟方法,其特征在于,所述气相反应分为电子碰撞电离、电子碰撞激发、电子碰撞解离、电子附着、电子-离子复合、离子-离子复合、粒子自由基反应、三体反应、振动-振动转化和振动平移弛豫等反应类型;所述表面反应分为直接吸附反应、埃利-里迪尔反应、朗缪尔-欣谢尔伍德反应和解离吸附反应。

5.根据权利要求4所述的一种等离子体催化甲烷干重整反应机制的数值模拟方法,其特征在于,直接吸附反应的反应速率系数可由下式计算:

6.如权利要求1所述的一种等离子体催化甲烷干重整反应机制的数值模拟方法,其特征在于,所述将输入数据文件翻译成Fortran代码中,使用等离子体仿真软件中的预处理程序将输入数据文件翻译成Fortran代码。

7.如权利要求6所述的一种等离子体催化甲烷干重整反应机制的数值模拟方法,其特征在于,预处理使用的语义分析检查每个元素、粒子、反应是否唯一,以及每个反应中的电荷和元素组成是否平衡。

8.如权利要求1所述的一种等离子体催化甲烷干重整反应机制的数值模拟方法,其特征在于,所述编辑等离子体催化甲烷干重整反应机制的数值模拟主程序代码,包括:

9.如权利要求1所述的一种等离子体催化甲烷干重整反应机制的数值模拟方法,其特征在于,运行用户代码进行反应动力学模拟时,对化学反应实施多次反应动力学模拟。

10.如权利要求1-9任一所述的一种等离子体催化甲烷干重整反应机制的数值模拟方法,其特征在于,所述进行结果处理和分析,得到所有粒子的生成和消耗规律,分析得到等离子体催化甲烷干重整的反应路径中,仿真输出数据列表包括不同时刻的放电功率密度、气体和电子温度、所有粒子的密度、粒子源项、反应速率和源项矩阵,在源项矩阵中提取每种粒子产生的和消耗的具体反应,得到所有粒子的生成和消耗规律,分析得到等离子体催化甲烷干重整的反应路径。

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【技术特征摘要】

1.一种等离子体催化甲烷干重整反应机制的数值模拟方法,其特征在于,步骤包括:

2.根据权利要求1所述的一种等离子体催化甲烷干重整反应机制的数值模拟方法,其特征在于,所述输入数据文本包含元素、粒子、bolsig+粒子集和化学反应库。

3.根据权利要求2所述的一种等离子体催化甲烷干重整反应机制的数值模拟方法,其特征在于,所述化学反应库包括气相反应和表面反应。

4.根据权利要求3所述的一种等离子体催化甲烷干重整反应机制的数值模拟方法,其特征在于,所述气相反应分为电子碰撞电离、电子碰撞激发、电子碰撞解离、电子附着、电子-离子复合、离子-离子复合、粒子自由基反应、三体反应、振动-振动转化和振动平移弛豫等反应类型;所述表面反应分为直接吸附反应、埃利-里迪尔反应、朗缪尔-欣谢尔伍德反应和解离吸附反应。

5.根据权利要求4所述的一种等离子体催化甲烷干重整反应机制的数值模拟方法,其特征在于,直接吸附反应的反应速率系数可由下式计算:

6.如权利要求1所述的一种等离子体催化甲烷干重整反应机制的数值模拟方法,其特征在于,所述将输入数据文件翻译成fortran代码中,使用等...

【专利技术属性】
技术研发人员:郑雅霜郝艳捧崔兆仑阳林李立浧
申请(专利权)人:华南理工大学
类型:发明
国别省市:

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