Simulation of gas dynamics in plasma reactor for carbon dioxide conversion

Abstract

Numerical simulation of a bulk-type plasma reactor for carbon dioxide conversion with distributed gas injection and pumping has been performed in hydrodynamic approximation by solution of Navier-Stokes equation using the mathematical package COMSOL. It is shown that the geometry of gas injection and pumping, which determines the trajectories of the particles and their residence time in reactor, can significantly affect the energy efficiency of the conversion. Different particles on their way from inlet to pumping hole move along different trajectories and spend different times inside the reactor. If the residence time of the gas in the reactor is less than optimal, the gas conversion will be incomplete. If this time is more than optimal, then an excessive amount of energy will be applied to the already converted gas. It is shown that the reactor height affects significantly the energy efficiency of plasma conversion of carbon dioxide.

Чисельне моделювання плазмового реактора об’ємного типу для конверсії діоксиду вуглецю з розподіленими напуском і відкачуванням газу виконано в гідродинамічному наближенні шляхом вирішення рівняння Нав’є-Стокса за допомогою математичного пакета COMSOL. Показано, що геометрія напуску і відкачування газу, що визначає траєкторії частинок і час їх перебування в реакторі, може істотно впливати на енергетичну ефективність конверсії. Різні частинки на своєму шляху від входу до виходу рухаються за різними траєкторіями і проводять різні часи всередині реактора. Якщо час перебування газу в реакторі менший оптимального, конверсія газу буде неповною. Якщо цей час більший оптимального, то в уже перетворений газ буде вкладена надмірна кількість енергії. Показано, що висота реактора істотно впливає на енергоефективність плазмового перетворення вуглекислого газу.

Численное моделирование плазменного реактора объемного типа для конверсии диоксида углерода с распределенными напуском и откачкой газа выполнено в гидродинамическом приближении путем решения уравнения Навье-Стокса с помощью математического пакета COMSOL. Показано, что геометрия напуска и откачки газа, определяющая траектории частиц и время их пребывания в реакторе, может существенно влиять на энергетическую эффективность конверсии. Различные частицы на своем пути от входа к выходу движутся по разным траекториям и проводят разное время внутри реактора. Если время пребывания газа в реакторе меньше оптимального, конверсия газа будет неполной. Если это время больше оптимального, то в уже преобразованный газ будет вложено чрезмерное количество энергии. Показано, что высота реактора существенно влияет на энергоэффективность плазменного преобразования углекислого газа.