Vibrational relaxation and triggering of the non-equilibrium vibrational decomposition of CO₂ in gas discharges

Abstract

Abstract Non-equilibrium vibrational dissociation CO 2 → CO + O at translational–rotational temperatures T ⩽ 1200 K is investigated with semi-empiric and computational models. The governing parameter <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" overflow="scroll"> <mml:mi>Q</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>n</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> has been introduced, where Q is the specific volumetric power coupled into vibrational states and n 0 is the initial number density of CO 2 . It has been shown that the non-equilibrium vibrational process can only be triggered when <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" overflow="scroll"> <mml:mi>Q</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>n</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> exceeds some critical value determined by the speed of vibrational relaxation. Simple semi-empiric calculations are backed by the state-to-state simulations of the CO 2 vibrational kinetics in two-modes approximation performed for conditions of microwave sustained gas discharges. The vibrational kinetics model is benchmarked against the experimental vibrational relaxation times as well as the shock tube data on the rate of the process CO 2 + M → CO + O + M for M = Ar and literature data for M = CO 2 . At T = 300 K the estimated <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mfenced close=")" open="("> <mml:mrow> <mml:mi>Q</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>n</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:mrow> </mml:mfenced> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>crit</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>≂</mml:mo> <mml:mn>6</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>40</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> W m 3 or <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mfenced close=")" open="("> <mml:mrow> <mml:mi>Q</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>p</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:mfenced> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>crit</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>≂</mml:mo> </mml:math> 35 W (m − 3 Pa − 2 ) ( p is the gas pressure). <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mfenced close=")" open="("> <mml:mrow> <mml:mi>Q</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>p</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:mfenced> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>crit</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> is found to always increase with increased T .

Topics & Concepts