بخشی از مقاله
چکیده
تبدیل متان در مجاورت دياکسید کربن و در فشار اتمسفر بوسیله تخلیه تابشی پالسی مورد تحقیق قرار گرفت و در آن پهناي پالس تا حدود 50 نانوثانیه و مقادیر کمتر از آن متراکم گردید. این متراکمسازي توانایی کار در فرکانسهاي بالاتر، بیش از 3 کیلوهرتز، را بدون انتقال از حالت تابش به جرقه در پلاسما فراهم ساخت. گازهاي اصلی خروجی شامل گازهاي سنتز CO - ، - H2 و محصولات C2 - اتیلن، اتان و استیلن - بودند. در نسبت هاي مساوي از گازها یعنی CO2/CH4=1، در حدود %42 از انرژي پلاسما صرف جداسازي شیمیایی گردید در حالی که تبدیل گازهانسبتاً بالا و در حدود %55 براي متان و %42 براي دياکسید کربن بود.
در این نقطه مصرف انرژي براي هر مولکول تبدیل شده کمتر از 3,8 الکترون ولت بود. در نسبتهاي بیشتر CO2/CH4 بازده انرژي راکتور حتی بهتر از مقدار ذکر شده نیز به دست آمد. به عنوان مثال براي موردCO2/CH4=5، در حالی که راندمان انرژي در حدود %45 بود، تبدیلات در حدود %65 و %45 بترتیب براي متان و دياکسید کربن حاصل شد. در این تحقیق حالت غیر تعادلی بالاي انرژي ارتعاشی در پالسهاي کوتاه بررسی شده است که به ویژه در مولکول دياکسید کربن منجر به بهبود راندمان انرژي گردیده است.
مقدمه
معمولاً اعتقاد بر این است که براي تبدیل گازها در محیط پلاسما، باید انرژي متوسط الکترونی به اندازه کافی بالا باشد.بنابراین پلاسماهاي غیر تعادلی که در آنها انرژي متوسط الکترونی به
مراتب بیش از انرژي متوسط تودهاي گاز میباشد، میتوانندکاندیداهاي خوبی به منظور تبدیل گازها به محصولات با ارزشترباشند. از این رو در برخی از تحقیقات انجام گرفته 1] و [2پلاسماهاي بوجود آمده در تخلیههاي با مانع ديالکتریک و یا کروناکه انرژي متوسط الکترونی آنها در حدود 10- 5 eV میباشد، براي این منظور مورد تأکید قرار گرفتهاند. علیرغم این موضوع در عمل پلاسماهاي شبهتعادلی مانند آرك و گلایدآرك بودهاند که براي صنعتی شدن پتانسیل خوبی از خود نشان دادهاند 3] و [4 در حالی که پلاسماهاي غیرتعادلی از قبیل تخلیه با مانع ديالکتریک و تخلیه کرونا تاکنون هیچ راهی براي صنعتی شدن نیافتهاند.
علت فیزیکی این امرکاملاً مشخص است و آن این است که تجزیه مولکولی ازطریق کانالهاي ارتعاشی، که توسط الکترونها با انرژيهاي پاتریین تحریک میشوند، بهتر صورت میگیرد. در واقع میتوان گفت که در انرژيهاي الکترونی پایین، در حدود 3-1 eV، مولکولها بیش از%97 از انرژي الکتریکی را در درجههاي آزادي ارتعاشی خود جذب می کنند .[5]با توجه به مزایاي پالسهاي کوتاه، در این کار مدت زمان پالس پلاسماي تابشی به 50 نانوثانیه و کمتر از آن کاهش داده شد که این امرباعث دستیابی به مقادیر بالاي انرژي ارتعاشی مولکولها در پلاسماي غیر تعادلی گردید که در نهایت به تبدیل بیشتر گازها انجامید.
آزمایش
پیش از این ساختار راکتور در مرجع شماره 6 توضیح داده شده است. به طور مختصر میتوان گفت که این راکتور از دو الکترود آلومینیومی که به فاصله 4 میلیمتر از یکدیگر قرار گرفتهاند، تشکیل شده است. این الکترودها تقرباًی یک میدان ثابت الکتریکی را در فضاي 0,4* 1,5*5 cm3 به وجود میآورند ولی پلاسما تنها به فضاي 2,5 cm3 محدود میشود. این ساختار الکترودي، درون یک استوانه از جنس پیرکس به قطر 40 mm قرار گرفته است. مهمترین مشخصه این نوع از پلاسما بهرهگیري آن از تخلیه سطحی کرونااست که به وسیله دو توري فلزي که در درون و بیرون دیوارديالکتریک پیرکس قرار گرفتهاند به وجود میآید. در این ساختاریکی از توريها به کاتد و دیگري به آند متصل شده است و بااعمال ولتاژ پالسی، یک تخلیه سطحی یکنواخت بر روي دیواره راکتور قبل از شروع تخلیه تابشی پالسی به وجود میآید.
این تخلیهموج آن مشخصهاي از ترکیب گاز و جنس ديالکتریک است. این تابش فرابنفش جفت الکترون-یون هاي اولیه لازم در محیط براي داشتن تابش پالسی یکنواخت را فراهم مینماید.مدار الکتریکی این سیستم در شکل 1 نشان داده شده است.خازنهاي Cb1 و Cb2متناوباً توسط ولتاژ 2V0، که در آن V0 ولتاژمنبع تغذیه است، پر میشوند. پس از شروع به کار تایراترون وبرقراري جریان در حلقه شامل LT، جهت قطبش Cb2 در راستاي قطبش Cb1 قرار میگیرد و بدین ترتیب ولتاژ اعمال شده به دو سرراکتور دو برابر میشود. به کمک سیمپیچ اشباعتوانپذیر Ls می پهناي پالس جریان را تا کمتر از 50 ns متراکم نمود. این طرز پیکر بندي امکان بهرهگیري از منابع تغذیه با ولتاژهاي پایین را نیز فراهم مینماید.
مشخصههاي پالس شامل جریان، ولتاژ و توان توسط پروبهاي ولتاژ - تکترونیکس - و جریان - پیرسون - اندازهگیري شدند و کل مجموعه به وسیله یک اسیلوسکوپ تکترونکنترلیکس TDS تحت
بود. متان و دياکسید کربن با درجه خلوص بالا به عنوان خوراك راکتور بکار گرفته شدند و محصولات خروجی توسط دو دستگاه گاز کروماتوگراف واریان CP3800 و شیماتزوبه 4C، مجهز شناساگرهاي TDS، اندازهگیري شدند که کروماتوگراف دوم جهت تشخیص هیدروژن بکار گرفته شد. همچنین به کمک محصولات به صورت کیفی مشخص شدند و در هنگام نمونهگیري، یک ترموکوپل دماي گاز در نزدیکی آند را به دست میداد.
روابط مربوط به تبدیل و گزینشپذیري چنین تعریف میشوند:
- مولهاي تزریق شده متان - / - مولهاي تبدیل شده متان - CCH4 = 100×
- مولهاي تزریق شده / - CO2 - مولهاي تبدیل شده CCO2 = 100× - CO2
- مولهاي تبدیل شده متان و / - CO2 - مولهاي محصول i در خروجی - Si = ni×
که در آن ni شماره کربن محصول i است. گزینش پذیري
هیدروژن طبق رابطه زیر به دست میآید:
- مولهاي CH4 تبدیل شده - / - مولهاي H2 در خروجی - SH2 = 0.5×راندمان انرژي، e، و توانایی تبدیل، Conva، اینگونه تعریف میشوند:
- انرژي مصرف شده براي تبدیل یک مول متان در خوراك - e =100× H 0 /توان - / مولهاي CH4 + CO2 تبدیل شده در هر ثانیه - Conva =H 0کل تغیر آنتالپی در واکنش گرماگیر است و شامل
تمام آنتالپی استانداردمحصولات و گازهاي خوراك است. زمان اقامت مؤثر، τ، به صورت زمان متوسطی که یک حجم معین از گاز هنگام انتقال مابین دو الکترود در معرض پلاسما قرارمیگیرد، تعریف میشود:
نتایج
شکل 2 نشان میدهد که براي بهرهوري انرژي باید درنسبتهاي بالاي CO2/CH4 کار کرد. راندمان انرژي به درصددياکسید کربن موجود در خوراك گاز متان بسیار حساس است. درفرکانس 1000 Hz با فلوي عبوري کل برابر ml/minنسبت 114 وCO2/CH4=5 راندمان انرژي به %45 رسید. در این نقطه تبدیلها براي متان و دياکسید کربن به ترتیب برابر با 65و%%45 میباشند.میتوان میزان تبدیلها را به کمک افزایش فرکانس بهبودبخشید ولی این امر همانگونه که در شکل 3 نشان داده شده است به قیمت کاهش راندمان انرژي تمام میشود. کاهش راندمان انرژي از طریق فرکانس مشخصه نقطه CO2/CH4=1 است. در برخی موارد، مطابق شکل 2، افزایش راندمان انرژي با فرکانس در سایر نسبتهاي ترکیب خوراك گاز مشاهده میگردد.
همانگونه که درشکل 3 نشان داده شده است به دلیل امپدانس داخلی منبع تغذیه،مدار و افت ولتاژ حاصل از آن، انرژي پالس در فرکانسهاي بالاترکاهش یافته است. انرژي هر پالس در پلاسما به ترکیب محصولات مختلف به وجود آمده در محیط پلاسما نیز بستگی دارد. در شکل 3همچنین رفتار دمایی در نزدیکی آند نیز نشان داده شده است واگرچه حداکثر دماي به دست آمده در آن برابر با 0Cباشد190 می ولی در بیشتر آزمایشها دما در بازه 150-100 0C قرار داشت.افزایش دما در تمام موارد تنها مربوط به انرژي خود پلاسما بود وهیچگونه انرژي خارجی به محیط تزریق نشد.
هر دو فرآیند افزایش فرکانس و کاهش نرخ جریان گاز منجر به افزایش زمان اقامت در پلاسما میشوند. بنابراین هر دوي آنهابایستی از نقطه نظر فیزیکی معادل باشند که صحت این امر در شکل
3 نشان داده شده است. در اشکال 6-4 رفتار تمام پارامترها برحسب زمان اقامت مؤثر، τ، نشان داده شدهاند که متناظر با ترکیبهاي متفاوتی ازجریانهاي گاز ویا فرکانس هستند.
