بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق تبدیل متان به هیدروکربنهای سنگینتر به روش پلاسمای غیرتعادلی از نظر تجربی بررسی شده است. بدین منظور از یک رآکتور تخلیه الکتریکی اسپارک استفاده می شود و هدف اصلی آن تولید استیلن است. سایر عناصر چون هیدروژن، اتیلن و اتان نیز تولید میشوند. در اینجا با تغییر عوامل مختلف موثر در فرآیند، درصد تبدیل متان و گزینش پذیری استیلن را بررسی می کنیم تا به مقدار بیشینه برای این محصول برسیم. بیشینه تبدیل متان % 83/2 است و بازده تولید استیلن تحت شرایط مختلف بین 25% تا 63% به دست آمدکه بهبود قابل ملاحظهای نسبت به انواع دیگر پلاسماهای غیرتعادلی را نشان میدهد.
مقدمه
متان به عنوان مهمترین عنصر گاز طبیعی، علاوه بر مصرف مستقیم برای گرم کردن منازل و تولید توان الکتریکی، منبع عظیمی برای سوختهای مایع و شیمیایی محسوب میشود. به منظور استفاده ارزشمندتر از متان که کوچکترین هیدروکربن میباشد، می توان این گاز را به هیدروکربنهای سنگینتر، متانول، الکلها، فرمالدهید و ... تبدیل کرد .[1] در سالهای اخیر مطالعات بسیاری در زمینه تبدیل گاز متان و سایر گازها با استفاده از لیزر، لامپ ماورابنفش و پلاسما انجام شده است. به دلیل پیوند قوی C-H تبدیل مستقیم مولکول بسیار پایدار متان در دماهای بالاتر از 10000K صورت میگیرد. به منظور برطرف کردن محدودیت ترمودینامیکی حاصل از تولید دماهای بالا استفاده از پلاسمای غیرتعادلی مورد توجه قرار گرفته است. در پلاسمای غیرتعادلی گونههای گازی در اثر برخورد الکترونها با انرژی بسیار زیاد، به صورت شیمیایی برانگیخته و فعال شده و یا پیوندهای مولکولی آنها شکسته میشوند. این در حالی است که دمای واکنش دهنده ها و دمای کلی گاز تقریباً بدون تغییر و برابر با دمای محیط میباشد.
به عبارت دیگر با صرف هزینه و انرژی کمتر میتوان متان راتبدیل کرد.[2] برای بهبود درصد تبدیل وگزینشپذیری محصولات از پلاسماهای مختلف از جمله تخلیه الکتریکی با سد دی-الکتریک [3] - DBD - ، میکروویو، کرونا [4]، تخلیه تابشی و تخلیه اسپارک[5] استفاده شده است. بنابر گزارشهای اعلام شده در سال-های اخیر پلاسمای حاصل از تخلیه اسپارک بالاترین بازده را در تبدیل متان و تولید استیلن دارا میباشد .[6] در این پروژه با طراحی یک رآکتور متمایز واستفاده از تخلیه الکتریکی اسپارک تبدیل گاز متان مورد بررسی قرار گرفت.
چیدمان آزمایش
شکل1 شماتیک رآکتور طراحی شده را نشان میدهد. همانطور که از شکل مشخص است.، راکتور یک تیوب کوارتز به قطر داخلی 25 mm، قطر خارجی 28 mmو طول 120 mm است. الکترود HV متصل به منبع تولید ولتاژ بالای متناوب به صورت نوک تیز برای ایجاد میدان الکتریکی قوی جهت تولید پالسهای اسپارک بوده و دارای شیاری به قطر 1mm است. گاز از درون شیار وارد رآکتور شده و توسط کانالهای اسپارک احاطه میشود که در این حالت گاز متان به طور قطعی تحت تاثیر پلاسما قرار میگیرد. الکترود دیگر یک دیسک زمین شده است. به منظور جلوگیری از خوردگی و گرم شدن بیش از اندازه این الکترود و تولید جرقه، از دیسک چرخان استفاده کردیم. هر دو الکترود از جنس استیل ضد زنگ میباشند که مقاومت خوبی در برابر حرارت زیاد دارند. گاز متان با درجه خلوص % 99/999 از بالای سیستم با عبور از فلومتر از درون شیار الکترود HV با شار مشخص وارد رآکتور شده، تحت تاثیر پلاسما قرار میگیرد و پس از خروج از قسمت پایینی سیستم و اندازهگیری شار خروجی توسط فلومتر حباب صلبونی وارد دستگاه گروماتوگرافی گازی - GC - شده و مورد آنالیز گازی قرار میگیرد.
دستگاه کروماتوگرافی - - GC استفاده شده در این تحقیق Agilent 5890 series B میباشد که مجهز به ستون پرشده از جنس molecular sieve با قطر 4 mm و طول 3m و آشکارسازهای TCD و FID است. آشکاساز استفاده شده به دلیل دقت بیشتر در شناسایی هیدروکربنهای C2، FID میباشد. گاز حامل گاز هلیوم با درجه خلوص % 99/999 است. در این تحقیق برای ایجاد پلاسمای غیرتعادلی اسپارک، نیاز به مدار الکتریکی با قابلیت ولتاژ بالا، توان مناسب و فرکانس متغیر در محدوده هرتز تا کیلوهرتزاست. بدین منظور از دو مدار مختلف RC و مدار با فرکانس بالا برای برآورده کردن شرایط مختلف مورد نیاز، استفاده شده است. شکل 1 - الف - شماتیک راکتور تبدیل متان، -1ورودی گاز، -2 الکترود HV، -3 الکترود زمین شده، -4 خروجی گاز، -5 موتور متصل به الکترود به منظور دوران آن. - ب - راکتور روشن.
اولین و سادهترین روش برای ایجاد اسپارک استفاده از مدار RC شامل یک خازن و مقاومت است. با اعمال ولتاژ خازن با ثابت زمانی RC شارژ میشود. فاصله الکترودها به گونهای تنظیم شده است که با شارژ کامل خازن شکست بین دو الکترود اتفاق افتاده و اسپارک مشاهده شود. ولتاژ روی الکترودها به دلیل تخلیه سریع خازن به شدت افت کرده و اسپارک خاموش میشود. این سیکل تکرار شده و جریانهای زیاد در زمانهای کوتاه به صورت پالسی در ناحیه تخلیه ایجاد میشود. - شکل - 2 همچنین به علت اهمیت فرکانس در جهت تولید اسپارک، مداری با قابلیت کلید زنی در فرکانسهای بالاتر از 1KHz را طراحی کردیم.
شکل موج ولتاژ، انرژی ورودی به پلاسما، نوع پالس اعمالی، فرکانس و ... توسط اسیلوسکوپ دیجیتال چهارکاناله مدل TDS2024B شرکت Tektronix با قابلیت فرکانسی 200 MHz اندازهگیری میشود. به دلیل بالا بودن ولتاژ از پروب کاهنده ولتاژ X 1000 مدل P6015A استفاده شده است که ولتاژ را بدون اینکه تغییری بر شکل پالس گذارد هزار برابر کاهش میدهد. بر اساس تعادل جرمی کربن و هیدروژن تبدیل متان - XCH4 - ، محصولات استیلن - YC2H2 - و گزینشپذیری هیدروکربنهای C2 - SC2Hn - از روابط زیر محاسبه میشوند.
نتایج
پارامترهای زیادی بر تبدیل متان و تولید محصولات جدید موثر است. در این پژوهش آزمایشهایی مبنی بر تعیین اثر سه پارامتر ولتاژ، فلوی ورودی و فاصله بین دو الکترود انجام شده است. اثر ولتاژ ولتاژ معیاری از میدان الکتریکی اعمال شده به پلاسما و انرژی کسب شده توسط الکترونهاست، تاثیر این پارامتر بر درصد تبدیل متان بسیار چشمگیر است.در این آزمایش از یک مدار RC با فرکانس 50Hz استفاده شده است. فلوی ورودی نیز در حداقل ممکن 15 ml/min تنظیم شد.نتایج حاصل در جدول 1 ارائه شده است. با افزایش ولتاژ، الکترونها انرژی بیشتری کسب کرده و باعث افزایش درصد تبدیل متان میشوند؛ بهطوریکه مقدار بیشینه % 83/2 برای تبدیل متان در ولتاژ 8/8 KV حاصل شد. تغییر ولتاژ اثر شدیدی روی گزینشپذیری محصولات ندارد وگزینشپذیری استیلن به صورت جزیی با افزایش ولتاژ، افزایش یافته است. بنابراین با افزایش ولتاژ میتوان بازده تولید استیلن را بهبود بخشید. همانطور که در شکل 4 مشاهده میشود بازده تولید استیلن به طور موفقیت-آمیزی به حدود % 63 در ولتاژ 8/8 KV رسیده است.
اثر فلوی ورودی برای بررسی اثر فلوی ورودی، مدار در فرکانس 8 KHz، فاصله دو الکترود 4 mm و پیک ولتاژ 2/5 KV تنظیم شده است و فلوی ورودی در بازه 60 - 200 ml/min متغیر است. شکل5 اثر تغییر فلو را روی تبدیل متان نشان میدهد. با افزایش فلو و متعاقباً افزایش تعداد مولکولها در حجم معین، مولکولهای گاز کمتری در معرض یونیزه شدن قرار میگیرند و درصدتبدیل کاهش مییابد. دادههای به دست آمده نیز این موضوع را تایید میکنند و درصد تبدیل با افزایش فلو از % 50/7 به % 32/7 کاهش مییابد. با کم شدن بیشتر فلو 90% تبدیل متان نیز حاصل شد، اما مقدار کم فلو
