Интерес к одностадийной конверсии метана, составляющего большую часть в составе природного газа, сохраняется уже многие годы и десятилетия. Одним из активно развивающихся направлений является плазмохимическая конверсия метана в метанол. За это время были предложены разнообразные лабораторные конструкции реакторов, преимущественно барьерного типа разряда, исследовано влияние температуры, давления, расходов, энерговклада и других параметров в реакторе на эффективность процесса, выраженную в степени конверсии метана, селективности по метанолу, выходе метанола и удельном энерговкладе на единицу полезного продукта. В данном обзоре приводятся основные результаты, полученные авторами по всему миру за последние 30 лет как в экспериментальных, так и в численных исследованиях процесса получения метанола из метана в одностадийных процессах.
Экспериментально исследована структура свечения микроплазменного разряда, инициируемого в вакууме импульсным потоком внешней плазмы на поверхности титанового образца, покрытого естественной сплошной оксидной пленкой толщиной 2–6 нм. При воздействии плазмы с плотностью около 1013 см–3 и электронной температурой 10 эВ на поверхность образца, с отрицательным потенциалом 400 В относительно потенциала плазмы, внешняя поверхность оксидной пленки приобретает положительный электрический заряд в результате потока ионов из плазмы. При этом внутри диэлектрической пленки возникает сильное электрическое поле около 4 МВ/см. Электрический пробой между заряженной поверхностью пленки и металлом инициирует возбуждение микроплазменного разряда на поверхности титана. Интегральное свечение микроплазменного разряда в макромасштабе представляет собой разветвленную структуру типа дендрита, которая в микромасштабе состоит из большого количества ярко светящихся «точечных» образований – локализованных на поверхности металла катодных пятен и свечения ореола вокруг них. С помощью высокоскоростного фоторегистратора IMACON-468 исследован фрагмент поверхности титана площадью 0,50,4 мм2 в области свечения катодных пятен. На основе анализа оптического свечения катодных пятен на 7 последовательных кадрах фоторегистратора с экспозицией каждого кадра 100 нс и интервалом между кадрами 400 нс рассчитано ожидаемое «время жизни» катодных пятен в интервале значений 0,50,2 мкс. По пространственному распределению свечения микроразрядов определено, что средний диаметр катодных пятен составляет величину около 164 мкм, при этом средний размер светящегося ореола вокруг отдельного катодного пятна достигает значения 100 мкм.
Приведены результаты исследования взаимосвязи световых характеристик цезиевого импульсно-периодического разряда с режимами электрического питания газоразрядной лампы. Разработано техническое решение генератора коротких (10 мкс) биполярных импульсов тока в виде серии из нескольких импульсов с регулируемыми паузами между сериями, на котором проведено сопоставление характеристик импульсно-периодического разряда с параметрами лампы в режимах одиночных импульсов длительностью, соответствующей временной протяженности серии. В случае импульсно-периодического разряда с биполярными импульсами установлено, что достигнутое значение светоотдачи = 50 лм/Вт существенно ниже максимума (63 лм/Вт), полученного при работе лампы в режиме одиночных импульсов с пиковым током 40 А.
В то же время показано, что при одинаковых пиковых значениях тока (20 А) зависимость светоотдачи от электрической мощности лампы в обоих режимах оказывается практически идентичной, что позволяет создать компактную пускорегулирующую аппаратуру для цезиевых ламп импульсно-периодического разряда.
Экспериментально исследовано развитие электрического пробоя в воде с проводимостью 255 мкСм/см при воздействии ультразвуковых волн для геометрии электродов «острие–штырь» с межэлектродным промежутком 8 мм. Обнаружено, что при одинаковом напряжении, близком к минимальному пробойному, вероятность инициации пробоя и замыкания разрядом промежутка увеличивается в два раза при воздействии ультразвуком без создания кавитации, а время допробойной стадии сокращается по сравнению с пробоем без ультразвука.
Установлена связь между мощностью электромагнитного излучения плазмы дуги и величиной потока излучения, падающего на поверхность фотоприёмника. С этой целью решено уравнение переноса излучения в плазме дуги для случаев, когда поверхности электродов полностью отражают либо полностью поглощают падающее на них излучение. Рассматривается случай, когда газоразрядная плазма является аксиально-симметричной, однородной и находится в состоянии локального термодинамического равновесия. Получены формулы для мощности Ppl излучения дуги и мощности Pd излучения, падающего на фотоприёмник. Установлено соотношение, связывающее мощности Ppl и Pd. Выполнен численный анализ этого соотношения в широком диапазоне значений геометрических параметров задачи. Результаты расчётов представлены в удобной графической форме. Получены простые асимптотические формулы, связывающие Ppl и Pd в широкой области параметров эксперимента.
Приведены результаты экспериментального исследования воздействия на поверхность плоского заземленного электрода плазмы импульсного высоковольтного разряда наносекундной длительности в воздухе атмосферного давления, возбуждаемого в резко неоднородном электрическом поле. Показано, что при относительно больших межэлектродных расстояниях между острийным катодом и плоским анодом реализуется диффузный разряд, обеспечивающий однородное воздействие плазмы разряда на поверхность анода.
Экспериментально исследовано развитие электрического пробоя через границу раздела двух жидкостей с различной электропроводностью и различной диэлектрической проницаемостью: слой трансформаторного масла над слоем воды в импульсном электрическом поле, направленном по нормали к границе раздела. Обнаружено, что сначала под действием электрического поля поверхность воды начинает прогибаться в слой масла, затем развивается конусообразная неустойчивость границы раздела жидкостей и конус воды быстро втягивается в масло вблизи высоковольтного электрода, погруженного в масло. Слой масла у электрода становиться тонким, либо конус воды достигает электрода, в результате чего возникает пробой.
Выполнено измерение характеристик распыла воды при инициировании диэлектриче-ского барьерного разряда в области пространства, где происходит распад на капли пленки жидкости, истекающей из отверстия форсунки. Разряд инициировался в области пространства между пленкой воды и высоковольтным электродом, окруженным диэлектрическим материалом. Измерения проводились прямым теневым методом, основанным на получении множества теневых мгновенных микрофотографий капель. Регистрировались осциллограммы тока и напряжения в цепи создания барьерного разряда. Сравнивались средние параметры, такие как средние диаметр и диаметр по Заутеру, капель в двух случаях: без инициирования разряда и при его создании в области пространства, где формируется распыл, при частоте напряжения 5 кГц и его амплитуде 10 кВ. Показано, что в случае с разрядом средние параметры капель значительно уменьшаются, а их количество увеличивается.
Представлены результаты компьютерного моделирования структуры электромагнитного поля СВЧ разряда в кварцевой колбе, помещенной в цилиндрический резонатор, плазма которого удерживается магнитной ловушкой. Использовано приближении холодной плазмы. Цилиндрический резонатор возбуждается через узкую щель в боковой стенке. Показано, что в исследуемом разряде традиционная модель электронно-циклотронного резонанса в скрещенных полях применима на низких плотностях электронов. При увеличении плотности формируется волна, распространяющаяся от области возбуждения в азимутальном направлении. При дальнейшем увеличении плотности электронов коэффициент поглощения волны падает и угловое распределение поля представляет стоячую волну.
Установлено, что давление и температура плазмы излучающей дуги могут быть определены по измеренным значениям напряжения на плазменном столбе, разрядного тока и фототока, обусловленного потоком излучения всего объёма плазмы на фотоприёмник. Для случая аксиально-симметричной однородной дуговой плазмы, находящейся в состоянии локального термодинамического равновесия, сформулированы уравнения, связывающие значения параметров плазмы с результатами измерений. Уравнение для фототока получено на основе решения уравнения переноса излучения в плазме дуги произвольной оптической плотности. Рассмотрены случаи отражающих и поглощающих электромагнитное излучение поверхностей электродов. Показано, что задача определения параметров плазмы дуги сводится к решению системы двух нелинейных относительно давления и температуры уравнений. Описанный метод использован для определения параметров плазмы сильноточной вакуумной дуги на этапе анодной активности. На примере плазмы вакуумной дуги показана устойчивость метода по отношению к погрешностям исходных данных.