Экспериментальные исследования процесса синтеза водорода в интенсивной гидродинамической кавитации в жидких углеводородах

В данной работе проведены экспериментальные исследования процесса получения водорода с помощью интенсивной гидродинамической кавитации в жидких углеводородах. Физико-химические процессы, происходящие в кавитационном пузырьке на последней стадии его сжатия, весьма схожи с процессами, происходящими во взрывной камере. Достигаемые при этом значения давления и температуры обеспечивают термодинамическую стабильность продуктов реакции и получение газообразной смеси (аэрозоля) водорода и нанокластеров углерода, что подтверждено теоретическими расчетами. Контролируемое добавление водородсодержащих жидкостей и изменение условий сжатия кавитационных пузырьков позволяют управлять процессом синтеза водорода, что является важным шагом в развитии современных высокотехнологичных методов альтернативной энергетики. Пульсация сферической полости описана уравнениями Кирквуда – Бёте, которые являются одной из наиболее точных математических моделей процессов пульсаций при произвольной скорости движения границы полости. Предложенная модель позволяет полностью описывать процесс пульсаций кавитационных полостей, проводить всесторонние параметрические исследования и оценивать влияние различных параметров процесса на коллапс полостей.  Данная работа выполнена в продолжение экспериментов по кавитационному синтезу углеродных наноструктур. При быстром движении химически чистого бензола (С6H6) по профилированному каналу в виде сопла Вентури, в жидкости формируются кавитационные полости, сжимающиеся в рабочей камере, в которой создается резкий скачок давления. Давление в ударной волне, достигающее 80–90 МПа, обеспечивает близкий к адиабатическому сжатию коллапс кавитационных пузырьков. В результате ряда быстро протекающих физико-химических процессов испарения, нагрева и термической диссоциации паров углеводородных жидкостей, в полости синтезируется твердая углеродная фаза и газообразная водородсодержащая фаза, которая затем подвергается разделению.

кавитация, углеводородные жидкости, водород, гидродинамическое сжатие, наноструктуры, ударные волны, уравнения Кирквуда – Бёте

1. Galimov, E.M. Possibility of Natural Diamond Synthesis under Conditions of Cavitation Occurring in a Fast-moving Magmatic Melt / E.M. Galimov // Nature. – 1973. – Vol. 243 – P. 389.

2. Galimov, E.M. Experimental corroboration of the synthesis of diamond in the cavitation process / E.M. Galimov [et al.] // Doklady Physics. – 2004. – Vol. 49 – I. 3 – P. 150–153.

3. Voropaev, S.A. Synthesis of diamondlike nanoparticles under cavitation in toluene / S.A. Voropaev [et al.] // Doklady Physics. – 2012. – Vol. 57. – I. 10. – P. 373–377.

4. Formalev, V.F. On Thermal Solitons during Wave Heat Transfer in Restricted Areas / V.F. Formalev, S.A. Kolesnik // High Temperature. – 2019. – Vol. 57. – I. 4. – P. 498–502.

5. Formalev, V.F. Heat Transfer in a Half-Space with Transversal Anisotropy Under the Action of a Lumped Heat Source / V.F. Formalev, S.A. Kolesnik // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. – 2019. – Vol. 92. – I. 1. – P. 52–59.

6. Formalev, V.F. Mathematical modeling of heat transfer in anisotropic plate with internal sinks / V.F. Formalev, S.A. Kolesnik, B.A. Garibyan // AIP Conf. Proc. – 2019. – Vol. 2181. – article 020003.

7. Formalev, V.F. Simulation of Nonequilibrium Heat Transfer in an Anisotropic Semispace Under the Action of a Point Heat Source / V.F. Formalev, E.M. Kartashov, S.A. Kolesnik // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. – 2019. – Vol. 92. – I. 6. – P. 1537–1547.

8. Gidaspov, V.Y. A software package for simulation of unsteady flows of the reacting gas in the channel / V.Y. Gidaspov, V.K. Golubev, N.S. Severina // Bulletin of the South Ural State University, Series: Mathematical Modelling, Programming and Computer Software. – 2016. – Vol. 9. – I. 3. – P. 94–104.

9. Gidaspov, V.Y. Numerical Simulation of the Detonation of a Propane-Air Mixture, Taking Irreversible Chemical Reactions into Account / V.Y. Gidaspov, N.S. Severina // High Temperature. – 2017. – Vol. 55. – I. 5. – P. 777–781.

10. Gidaspov, V.Y. Numerical Study of the Influence of Water Droplets on the Structure of a Detonation Wave in a Hydrogen–Air Fuel Mixture / V.Y. Gidaspov, O.A. Moskalenko, N.S. Severina // High Temperature. – 2018. – Vol. 56. – I. 5. – P. 751–757.

11. Gidaspov, V.Y. Modeling of detonation of metalgas combustible mixtures in high-speed flow behind a shock wave / V.Y. Gidaspov, N.S. Severina // High Temperature. – 2019. – Vol. 57. – I. 4. – P. 514–524.

12. Borovik, I.N. Influence of the turbulent Prandtl number on numerical simulation reaction flow / I.N. Borovik, E.A. Strokach, N.S. Severina // AIP Conference Proceedings. – 2019. – Vol. 2181. – I. 1. – P. 020029.

13. Severina, N.S. Software complex for solving the different tasks of physical gas dynamics / N.S. Severina // Periodico Tche Quimica. – 2019. – Vol. 16. – I. 32. – P. 424–436.

14. Voropaev, S.A. Photoluminescence of nitrogendoped nanodiamonds of cavitation synthesis / S.A. Voropaev [et al.] // Doklady Physics. – 2014. – Vol. 59. – I. 12. – P. 564–567.

15. Bulychev, N.A. Hydrogen Production by LowTemperature Plasma Decomposition of Liquids / N.A. Bulychev [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Vol. 42. – P. 20934–20938.

16. Bulychev, N.A., Plasma Discharge in Liquid Phase Media under Ultrasonic Cavitation as a Technique for Synthesizing Gaseous Hydrogen / N.A. Bulychev [et al.] // Bulletin of the Lebedev Physical Institute. – 2018. – Vol. 45. – I. 9. – P. 263–266.

17. Bulychev, N.A. On the Hydrogen Production during the Discharge in a Two-Phase Vapor-Liquid Flow / N.A. Bulychev // Bulletin of the Lebedev Physics Institute. – 2019. – Vol. 46. – I. 7. – P. 219–221.

18. Bulychev, N.A. Plasma discharge with surround glow in the liquid phase under the impact of ultrasound / N.A. Bulychev [et al.] // Bull. Lebedev Phys. Inst. – 2012. – Vol. 39. – No. 7. – P. 214–220.

19. Klassen, N. Laser and electric arc synthesis of nanocrystalline scintillators / N. Klassen [et al.] // IEEE Trans. Nucl. Sci., – 2010. – Vol. 57. – No. 3. – P. 1377– 1381.

20. Burkhanov, I.S. Nanoscale metal oxide particles produced in the plasma discharge in the liquid phase upon exposure to ultrasonic cavitation. 2. Sizes and stability. Dynamic light scattering study / I.S. Burkhanov [et al.] // Bulletin of the Lebedev Physics Institute. – Vol. 41. – No. 10. – P. 297–304.

21. Bulychev, N.A. Obtaining of hydrogen in acoustoplasma discharge in liquids / N.A. Bulychev [et al.] // Proceedings of SPIE – 2018. – Vol. 10614. – article number 1061411.