1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплофизика высоких температур
  4. T. 61, № 4, 2023

Теплофизика высоких температур, 2023, T. 61, № 4, стр. 549-558

Моделирование термического разложения метана при постоянных значениях объема и температуры методами молекулярной динамики и термодинамики

А. В. Кудинов 1, С. А. Губин 1, 2, Ю. А. Богданова 1, *

1 Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”
Москва, Россия

2 ФИЦ химической физики им. Н.Н. Семёнова РАН
Москва, Россия

* E-mail: bogdanova.youlia@bk.ru

Поступила в редакцию 27.05.2022
После доработки 27.05.2022
Принята к публикации 11.05.2023

Аннотация

Методами молекулярной динамики и равновесной термодинамики проведено моделирование термического разложения метана при постоянных значениях температуры и плотности 0.05–0.524 г/см3. Молекулярно-динамическое моделирование начального этапа разложения метана проводилось с применением реакционно-силового поля ReaxFF-lg при температурах 2500–4000 К. Результаты моделирования показали, что разложение метана заключается в последовательном образовании и распаде радикалов и легких углеводородов и их замене все более сложными многоатомными углеводородами, подобными полициклическим ароматическим углеводородам, распады и объединения которых ведут к зарождению центров нуклеации конденсированного углерода. В свою очередь результаты термодинамических расчетов указывают на то, что разложение метана начинается и проходит при более низких температурах по сравнению с результатами ультракоротких неравновесных расчетов методом молекулярной динамики. Таким образом, применение методов молекулярной динамики и термодинамики для одного и того же процесса представляет крайние варианты возможных последовательностей состояний в случае ультракороткого неравновесного и длительного, близкого к равновесию, термических разложений метана.

Список литературы

  1. Gautier M., Rohani V., Fulcheri L. Direct Decarbonization of Methane by Thermal Plasma for the Production of Hydrogen and High Value-added Carbon Black // Int. J. Hydrog. Energy. 2017. V. 42. № 47. P. 28140.

  2. Kevorkian V., Heath C.E., Boudart M. The Decomposition of Methane in Shock Waves // J. Phys. Chem. 1960. V. 64. № 8. P. 964.

  3. Kozlov G.I., Knorre V.G. Single-pulse Shock tube Studies on the Kinetics of the Thermal Decomposition of Methane // Combust. Flame. 1962. V. 6. P. 253.

  4. Khan M.S., Crynes B.L. Survey of Recent Methane Pyrolysis Literature // Ind. Eng. Chem. 1970. V. 62. № 10. P. 54.

  5. Hartig R., Troe J., Wagner H.G. Thermal Decomposition of Methane behind Reflected Shock Waves // Symp. Combust. 1971. V. 13. № 1. P. 147.

  6. Chen C.J., Back M.H. The Thermal Decomposition of Methane. 1. Kinetics of the Primary Decomposition to C2H6 + H2; Rate Constant for the Homogeneous Unimolecular Dissociation of Methane and Its Pressure Dependence // Can. J. Chem. 1975. V. 53. P. 3580.

  7. Hidaka Y., Nakamura T., Tanaka H. et al. High Temperature Pyrolis of Methane in Shock Waves. Rates for Dissociative Recombination Reactions of Metil Radicals and Propyne Formation Reaction // Int. J. Chem. Kinet. 1990. V. 22. P. 701.

  8. Holmen A., Olsvik O., Rokstad O.A. Pyrolysis of Natural-gas Chemistry and Process Concepts // Fuel Process. Technol. 1995. V. 42. № 2–3. P. 249.

  9. Kee R.J., Rupley F.M., Miller J.A. et al. CHEMKIN Collection, Release 3.5. San Diego, CA: Reaction Design, Inc., 2000.

  10. Abbas H.F., Daud W.W. Hydrogen Production by Methane Decomposition: a Review // Int. J. Hydrogen Energy. 2010. V. 35. № 3. P. 1160.

  11. Pinilla J.L., Suelves I., Lázaro M.J., Moliner R. Kinetic Study of the Thermal Decomposition of Methane Using Carbonaceous Catalysts // Chem. Eng. J. 2008. V. 138. P. 301.

  12. Gaudernack B., Lynum S. Hydrogen from Natural Gas without Release of CO2 to the Atmosphere // Int. J. Hydrogen Energy. 1998. V. 23. № 12. P. 1087.

  13. Fulcheri L. Direct Decarbonization of Methane by Thermal Plasma for the Synthesis of Carbon Black and Hydrogen // Int. J. Hydrogen Energy. 2017. V. 42. № 47. P. 28140.

  14. Bogana M.P., Colombo L. Atomic Scale Simulations of Vapor Cooled Carbon Clusters // Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process. 2007. V. 86. № 3. P. 275.

  15. Yamaguchi Y., Maruyama S. A Molecular Dynamics Simulation of the Fullerene Formation Process // Chem. Phys. Lett. 1998. V. 286. P. 336.

  16. Nyden M.R., Stoliarov S.I., Westmoreland P.R., Guo Z.X., Jee C. Applications of Reactive Molecular Dynamics to the Study of the Thermal Decomposition of Polymers and Nanoscale Structures // Matter. Sci. Eng. A. 2004. V. 365. P. 114.

  17. Galiullina G.M., Orekhov N.D., Stegailov V.V. Nucleation of Carbon Nanostructures: Molecular Dynamics with Reactive Potentials // J. Phys.: Conf. Ser. 2016. V. 774. 012033.

  18. Ostroumova G., Orekhov N., Stegailov V. Reactive Molecular-dynamics Study of Onion-like Carbon Nanoparticle Formation // Diamond Relat. Mater. 2019. V. 94. P. 14.

  19. Lummen N. REAX FF-molecular Dynamics Simulations of Non-oxidative and Non-catalysed Thermal Decomposition of Methane at High Temperatures // Phys. Chem. Chem. Phys. 2010. V. 12. P. 7873.

  20. Lummen N. Aggregation of Carbon in an Atmosphere of Molecular Hydrogen Investigated by REAXFF-molecular Dynamics Simulations // Comput. Mater. Sci. 2010. V. 49. P. 243.

  21. Liu L., Liu Y., Zybin S.V., Sun H., Goddard III W.A. Reaxff-lg: Correction of the REAXFF Reactive Force Field for London Dispersion, with Applications to the Equations of State for Energetic Materials // J. Phys. Chem. A. 2011. V. 115. P. 11016.

  22. LAMMPS – A Flexible Simulation Tool for Particle-based Materials Modeling at the Atomic, Meso, and Continuum Scales. https://www.lammps.org/

  23. Chenoweth K., Van Duin A.C.T., Goddard W.A.I. ReaxFF Reactive Force Field for Molecular Dynamics Simulations of Hydrocarbon Oxidation // J. Phys. Chem. A. 2008. V. 112. № 5. P. 1040.

  24. Mao Q., Ren Y., Luo K.H., van Duin A. Dynamics and Kinetics of Reversible Homo-molecular Dimerization of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons // J. Chem. Phys. 2017. V. 147. P. 244305.

  25. Van Duin A.C.T., Dasgupta S., Lorant F., Goddard III W.A. Reaxff: A Reactive Force Field for Hydrocarbons // J. Phys. Chem. A. 2001. V. 105. P. 9396.

  26. Victorov S.B., El-Rabii H., Gubin S.A., Maklashova I.V., Bogdanova Yu.A. An Accurate Equation-of-state Model for Thermodynamic Calculations of Chemically Reactive Carbon-containing Systems // J. Energ. Mater. 2010. V. 28. P. 35.

  27. Kang H.S., Lee C.S., Ree T., Ree F.H. A Perturbation Theory of Classical Equilibrium Fluids // J. Chem. Phys. 1985. V. 82. № 1. P. 414.

  28. Богданова Ю.А., Губин С.А., Викторов С.Б., Губина Т.В. Теоретическая модель уравнения состояния двухкомпонентного флюида с потенциалом exp-6 на основе теории возмущений // ТВТ. 2015. Т. 53. № 4. С. 506.

  29. Губин С.А., Маклашова И.В. Термодинамические условия синтеза алмазов // V Междун. конф. “Лазерные, плазменные исследования и технологии” ЛАПЛАЗ-2019. Сб. науч. тр. М.: НИЯУ МИФИ, 2019. С. 277.

  30. Губин С.А., Джелилова Е.И., Маклашова И.В. Влияние формы и размера наночастиц на фазовую диаграмму углерода // Горение и взрыв. 2014. Т. 7. С. 226.

  31. Glosli J.N., Ree F.H. Liquid-liquid Phase Transformation in Carbon // Phys. Rev. Lett. 1999. V. 82. № 23. P. 4659.

  32. Одинцов В.В., Губин С.А., Пепекин В.И., Акимова Л.Н. Определение формы и размера кристаллов алмаза за детонационной волной в конденсированных взрывчатых веществах II // Хим. физика. 1991. Т. 10. № 5. С. 687.

  33. Wentorf Jr. R.H. The Behavior of Some Carbonaceous Materials at Very High Pressures and High Temperatures // J. Phys. Chem. 1965. V. 69. P. 3063.

  34. Bohme H., Jander H., Tanke D. PAH Growth and Soon Formation in the Pyrolysis of Acetylene and Benzene at High Temperature and Pressures: Modeling and Experiment // Symp. (Int.) Combust. 1998. V. 27. № 1. P. 1605.

  35. Chanyshev A.D., Litasov K.D., Shatskiy A. et al. Oligomerisation and Carbonization of Polycyclic Hydrocarbons at High-pressure Temperature // Carbon. 2015. V. 84. P. 225.

  36. Kim K.S., Seo J.H., Nam J.S., Ju W.T., Hong S.H. Production of Hydrogen and Carbon Black by Methane Decomposition Using DC-RF Hybrid Thermal Plasmas // IEEE Trans. Plasma Sci. 2005. V. 33. P. 813.

  37. Dean A.J., Hanson R.K. CH and C-atom Time Histories in Dilute Hydrocarbon Pyrolysis: Measurements and Kinetics Calculations // Int. J. Chem. Kinet. 1992. V. 24. P. 517.

  38. GuéRet C., Daroux M., Billaud F. Methane Pyrolysis: Thermodynamics // Chem. Eng. Sci. 1997. V. 52. P. 815.

  39. Michael J.V., Lim K.P., Kiefer J.H., Kumaran S.S. Thermal Decomposition of Carbon Tetrachloride // J. Phys. Chem. 1993. V. 97. P. 1914.

  40. Davydov V.A., Rakhmanina A.V., Agafonov V. et al. Conversion of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons to Graphite and Diamond at High Pressures // Carbon. 2004. V. 42. P. 261.

  41. Sabbah H., Biennier L., Klippenstein S.J., Sims I.R., Rowe B.R. Exploring the Role of Pahs in the Formation of Soot: Pyrene Dimerization // J. Phys. Chem. Lett. 2010. V. 1. № 19. P. 2962.

  42. Gebbie M.A., Ishewata H., McQuade P.J. et al. Experimental Measurements of the Diamond Nucleation Landscape Reveals Classical and Nonclassical Features // PNAS. 2018. V. 115. № 33. P. 8284.

  43. Mao Q., Van Duin A.C.T., Luo K.H. Formation of Incipient Soot Particles from Polycyclic Aromatic Hydrocarbons: a Reaxff Molecular Dynamics Study // Carbon. 2017. V. 121. P. 380.

  44. Lumen A., Holmen O.A., Rokstad O.A., Solbakken A. High-temperature Pyrolysis of Hydrocarbons. 1. Methane to Acetylene // Ind. Eng. Chem. Proc. Des. Dev.1976. V. 15. P. 439.

  45. Martínez E., Perriot R., Kober E.M. Parallel Replica Dynamics Simulations of Reactions in Shock Compressed Liquid Benzene // J. Chem. Phys. 2019. V. 150. 244108.

  46. Moore D.S. Shock Physics at the Nanoscale // J. Opt. Soc. Am. B. 2018. V. 35. № 10. B1.

  47. Cawkwell M.J., Niklasson M.N., Dattelbaum D.M. Extended Lagrangian Born–Oppenheimer Molecular Dynamics Simulations of the Shock-induced Chemistry of Phenylacetylene // J. Chem. Phys. 2015. V. 142. 064512.

  48. Mahbubul I., Strachan A. Decomposition and Reaction of Polyvinyl Nitrate under Shock and Thermal Loading: a REAXFF Reactive Molecular Dynamics Study // J. Phys. Chem. C. 2017. V. 121. P. 22452.

  49. Brown K.E., Mcgrane S.D., Bolme C.A., Moore D.S. Ultrafast Chemical Reactions in Shocked Nitromethane Probed with Dynamic Ellipsometry and Transient Absorption Spectroscopy // J. Phys. Chem. A. 2014. V. 118. P. 2559.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплофизика высоких температур

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал