Theoretical and Experimental Study of a High Pressure Electric Discharge under Non-Reactive and Reactive Conditions Applied to Hydrocarbon Synthesis
Étude théorique et expérimentale de décharges électriques à haute pression et faible courant en milieu non-réactif et réactif appliqué à la synthèse d'hydrocarbures
Résumé
In the field of non-thermal plasmas, the term "High-Pressure" generally refers to pressures ranging between 0.01 MPa and 0.1 MPa. For pressures higher than 1 MPa, the behaviour of electrical discharges at low current remains a subject hardly explored. The study and the control of this kind of discharge can, however, open new prospects in the field of reacting chemistry and in particular in the field of hydrocarbons synthesis. This work aims to study a "tip-tip" electrical discharge under very high-pressure and low-current conditions through a parametric analysis (pressure, electrode gap and geometry, current, reactive and non-reactive gas) thanks to both theoretical and experimental investigation. The theoretical study concerns three complementary aspects. The first deals with the "magneto-hydrodynamic" modelling inside the reacting chamber under non-reactive conditions. The plasma is supposed to be on local thermodynamic equilibrium and the arc is assumed to be a conducting channel whose radius follows a parabolic function of the distance from the cathode. The model takes into account the gravity force. The parameters of the parabolic function are derived from the minimization of the energy losses of discharge (or energy minimum principle of Steenbeck). The second theoretical study concerns the modelling of the physical phenomena in the near-electrode regions. The objective of the model is to analyse the influence of the parameters (P, Te, Th, Tw) on the anode and cathode voltage drops. Finally, the last contribution aims at the evaluation of the non-thermal characteristic of discharge inside the positive arc column. An Elenbaas-Heller approach has been used for a two temperature-plasma coupled with the Ohm's Law. For our numerical models, the composition and properties of plasma have been calculated from a kinetic model specially developed for high pressure and two temperatures plasma. The experimental study is based on the development of an experimental set up specifically elaborated for this work. The study is performed, first, under non-reactive conditions (Ar, N2, H2) in order to determine the current-voltage characteristics of the discharge. The adjustment of an Ayrton model modified for high-pressure conditions is considered. The study is then extended toward reactive conditions (CO-H2). These exploratory results demonstrate the feasibility of hydrocarbon synthesis under very high-pressure conditions. They confirm that the pressure tends to support the selectivity towards the heavy hydrocarbon species. This behaviour validates the theoretical study developed in parallel.
Dans le domaine des plasmas non-thermiques, le terme " haute pression " fait le plus souvent référence à des pressions comprises entre 0,01 MPa et 0,1 MPa. Pour des pressions supérieures à 1 MPa, le comportement des décharges électriques à faible courant continu reste un sujet très peu abordé. L'étude et la maîtrise de ce type de décharge peut cependant ouvrir de nouvelles perspectives dans le domaine de la chimie réactionnelle et notamment dans le domaine de la conversion des hydrocarbures. L'objectif de cette thèse vise à apporter une contribution à l'étude de décharges électriques de type " pointe-pointe " à très haute pression et faible courant à travers une analyse paramétrique (pression, écartement inter électrode, géométrie des électrodes, courant électrique, nature du gaz plasmagène) à partir d'une approche théorique et expérimentale. L'étude théorique aborde trois aspects complémentaires. La première porte sur la modélisation magnétohydrodynamique à l'intérieur de la chambre réactionnelle en conditions non réactives. Pour ce faire, nous avons considéré que le plasma est à l'équilibre thermodynamique local et que l'arc est un canal conducteur dont le rayon suit une loi parabolique en fonction de la distance à la cathode. Le modèle tient en compte la force de pesanteur. Les paramètres de la fonction parabolique sont calculés à partir de la minimisation des pertes d'énergie de la décharge (ou principe du minimum de Steenbeck). La deuxième étude théorique porte sur la modélisation des phénomènes physiques au voisinage des électrodes, à savoir : zones cathodique et anodique. L'objectif du modèle est d'une part de comprendre l'influence des paramètres (P, Te, Th, Tw) sur les chutes de potentiel au voisinage des électrodes, et d'autre part d'expliquer, de façon théorique, les résultats expérimentaux qui sont obtenus au laboratoire. Enfin, la dernière contribution à l'étude théorique vise l'évaluation du caractère non-thermique de la décharge à l'intérieur de la colonne positive de l'arc. Nous avons utilisé une approche d'Elenbaas-Heller pour un plasma à deux températures couplée à la Loi d'Ohm. Pour l'ensemble des modèles, la composition et les propriétés du plasma sont calculées à partir d'un modèle, basé sur la méthode cinétique, spécialement développé pour un plasma à deux températures et à haute pression (éloignement de l'état de gaz parfait). Sur un plan expérimental, la décharge d'arc est étudiée à partir d'un dispositif de laboratoire spécifiquement développé pour cette application d'abord dans les conditions non réactives (Ar, N2, H2). Cette étude vise notamment l'obtention des courbes caractéristiques courant-tension. L'ajustement d'une formule modifiée de type Ayrton est considéré pour prendre en compte l'effet de la pression. L'étude de la décharge en conditions réactives est ensuite abordée dans un mélange CO-H2. Ces résultats exploratoires démontrent la faisabilité de synthèse d'hydrocarbures à haute pression. Ils confirment que la pression tend à favoriser la sélectivité des espèces hydrocarbonées lourdes. Ce comportement corrobore l'étude théorique développée en parallèle.