Computational Fluid Dynamic study of gas mixtures in a Non-Thermal Plasma reactor for CO2 conversion

• Cristina Mas-Peiro ^[1] ; Fèlix Llovell Ferret ^[2] ; Oriol Pou Ibar ^[1]
  1. [1] Department of Chemical Engineering and Materials Science, IQS School of Engineering,Universitat Ramon Llull, Barcelona (Spain)
  2. [2] Department of Chemical Engineering, ETSEQ, Universitat Rovira i Virgili, Tarragona (Spain)
• Localización: Afinidad: Revista de química teórica y aplicada, ISSN 0001-9704, Vol. 81, Nº. 601, 2024, págs. 58-68
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Estudi de la dinàmica de fluids computacional de mescles de gasos en un reactor de plasma no tèrmic per a la conversió de CO2
  • Estudio computacional de dinámica de fluidos de mezclas de gases en un reactor de plasma no térmico para la conversión de CO2
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• Resumen
  • español

    La utilización de CO2 ha sido una tecnología emer-gente de creciente interés mundial debido a su impacto directo en la limitación de las emisiones de gases de efecto invernadero. En esta contribución, se estudia el comportamiento fluidodinámico de un plasma no térmico (NTP) de conversión de CO2 en un reactor de descarga de barrera dieléctrica (DBD) mediante simu-laciones de dinámica de fluidos computacional (CFD).Los cálculos se proporcionan junto con los resultados experimentales y la caracterización termodinámica de los compuestos y mezclas involucrados. Este estudio CFD utiliza una metodología bien establecida que permite la optimización del flujo de fluidos con una carga computacional limitada.En primer lugar, se presentan los resultados de un caso de ejemplo, en el que se estudian varias variables tanto en la iteración final como entre iteraciones. En segundo lugar, se presenta una variedad de casos de estudio que cambian la composición de la entrada y el volumen. La velocidad promedio es una de las varia-bles más significativas para predecir el rendimiento del reactor, mientras que la temperatura, densidad y presión en el reactor permanecen, en la mayoría de los casos, casi constantes.Los cálculos CFD resultantes describen el comporta-miento de los fluidos en el reactor de manera predictiva para futuros resultados experimentales. Las limitaciones en la caracterización del fluido se producen por no incluir explícitamente la reacción del plasma, lo que se abordará en futuras contribuciones.

  • Multiple

    La utilització de CO2 ha estat una tecnologia emergent d’interès global creixent a causa del seu impacte directe en la limitació de les emissions de gasos d’efecte hiver-nacle. En aquesta contribució, s’estudia el comportament dinàmic de fluids d’un plasma no tèrmic de conversió de CO2 (NTP) en un reactor de descàrrega de barrera dielèctrica (DBD) mitjançant simulacions de dinàmica de fluids computacional (CFD).Els càlculs es proporcionen conjuntament amb els resultats experimentals i la caracterització termodi-nàmica dels compostos i mescles implicats. Aquest estudi CFD utilitza una metodologia ben establerta que permet l’optimització del flux de fluids amb una càrrega computacional limitada.En primer lloc, es presenten els resultats d’un cas exemple, en el qual s’estudien diverses variables tant a la iteració final com a través de les iteracions. En segon lloc, es presenten una sèrie de casos d’estudi, canviant la composició d’entrada i la velocitat de volum. La velocitat mitjana és una de les variables més significatives per predir el rendiment del reactor, mentre que la tempe-ratura, la densitat i la pressió al reactor es mantenen, en la majoria dels casos, gairebé constants.Els càlculs CFD resultants descriuen el comporta-ment dels fluids al reactor de manera predictiva per a futurs resultats experimentals. Les limitacions en la caracterització del fluid es produeixen perquè no s’inclou explícitament la reacció del plasma, a la qual s’orientarà en futures contribucions.

  • English

    CO2 utilization has been an emerging technology of increasing global interest due to its direct impact in limiting greenhouse gas emissions. In this contribution, the fluid dynamic behavior of a CO2 conversion non-thermal plasma (NTP) in a dielectric barrier discharge (DBD) reactor is studied through computational fluid dynamics (CFD) simulations.

    Calculations are provided in conjunction with experimental results and the thermodynamic characterization of the compounds and mixtures involved. This CFD study utilizes a well-established methodology that allows the optimization of fluid flow with limited computational burden.

    Firstly, results are presented for an Example Case, in which several variables are studied both at the final iteration as well as across iterations. Secondly, a range of Study Cases, changing the inlet composition and volume rate, are presented. Average velocity is one of the most significant variables to predict the reactor’s yield, while the temperature, density and pressure in the reactor remain, in most cases, almost constant.

    The resulting CFD computations describe the behavior of the fluids in the reactor in a predictive manner for future experimental results. Limitations in the fluid’s characterization occur due to not explicitly including the plasma reaction, which will be aimed at in future contributions.