بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق به بررسی تبدیلات گاز خالص متان به محصولات با ارزش افزوده بالا توسط پلاسماي پالسی نانو ثانیه اي پرداختهایم .محصولات خروجی از رآکتور هیدروژن و هیدرو کربنهاي از C2 تاC6 هستند که بر حسب درصد گزینشپذیري، هیدروژن و استیلن در این میان جزء محصولات عمده میباشند. عملکرد این رآکتور بر حسب ولتاژ، فرکانس و شار ورودي مورد بررسی قرار گرفته است و به تبدیلات تا 80 درصد و بازده انرژي 20 تا 30 درصد در فشار اتمسفر و دماي نزدیک به دماي اتاق دست یافتهایم. این دستاورد نشان میدهد که پلاسماي پالسی میتواند رویاي تبدیل مستقیم گاز طبیعی در دماي نزدیک به اتاق و با تبدیلات و بازده قابل مقایسه با تبدیلات صنعتی را فراهم سازد.
مقدمه
بدون شک گاز طبیعی یکی از ذخایر مهم هیدروکربنی در دنیا است و انتظار میرود همچنان در بیش از یکپایاقرن آینده با یافتن منابع نفتی به مهمترین منبع تامین سوخت و پتروشیمی تبدیل گردد. هر چند که صادرات آن براي کشور ما به سادهترین راه براي ارزآوري تبدیل شده است، ولی بر کسی پوشیده نیست که تبدیل آن به محصولات با ارزش دیگر میتواند منافع اقتصادي بیشتري به ارمغان آورد. بعنوان مثال ارزش افزوده اتیلن و یاپروپیلن و حتی استیلن سه تا چهار برابر بیشتر از ارزش اقتصادي گاز طبیعی است. تبدیلات مستقیم گاز متان به محصولات شیمیایی با ارزش همچون استیلن، اتیلن وغیره توسط شیوههاي معمول ترمال-کاتالیستی کمتر مقرون به صرفه هستند.
هرچند که واحدهاي تولید اولفین که بخصوص در صنایع پتروشیمی ایران نیز مورد بهرهبرداري قرار میگیرند، گاز طبیعی را مستقیما و در درجه حرارتهاي بالا تبدیل میکنند. ولی، امروزه اقتصاديتر آن است که ابتدا گاز متان به گاز سنتز تبدیل گردد و سپس با استفاده ازفرآیندهاي Fischer-Tropsch محصولات متنوعی تولید گردد.اما این شیوه در مرحله تولید گاز سنتز احتیاج به درجه حرارت-هاي بالا دارد و براي تضمین بازده بالا باید در مقیاسهاي بزرگ - کارخانهاي - انجام پذیرد. بهمین دلیل، محققین بدنبال یافتن شیوه-اي جدید هستند تا تبدیلات صنعتی در مقیاسها و دماهاي کمتر صورت پذیرد. بخصوص، شاخه نوظهور اقتصاد هیدروژنی نیز بدنبال شیوههاي جدید براي تبدیلات هیدروکربنی به هیدروژن میباشد.
در مطالعات قبلی نشان دادیم که پلاسماي پالسی کاملا جدیدي که توسط گروه ما معرفی شد توانایی تبدیل صنعتی ترکیب گاز کربنیک و متان به گاز سنتز - هیدروژن و منوکسید-کربن - را داراست .[1-3] در این مطالعات رکورد بازده انرژي حدود %55 و در دماهاي نزدیک به اتاقموفقیتگزارش گردید.در تبدیل متان و دياکسیدکربن بدلیل خصوصیات بسیار خوب ارتعاشی مولکول دياکسیدکربن بود. بنحویکه، معرفی مقدار کمی گاز کربنیک نیز در افزایش بازده و تبدیلات موثر بود. متاسفانه، متان بهتنهایی فاقد آن خصوصیات خوب در پلاسما است که شامل سطح مقطع بالاي تحریک ترازهاي ارتعاشی توسط برخوردهاي الکترونی و طول عمر بالاي ترازهاي ارتعاشی است.
علیرغم این مسئله مطالعات صورت گرفته در[1] نشان دادند که در صورتیکه تحریک ترازهاي ارتعاشی در پلاسما در زمان کوتاهی صورت گیرد، انواع مولکولها از جمله متان نیز بخوبی شکسته خواهند شد. مطالعات صورت گرفته در [4] نتایج تجربی ما را تایید می-نمایند. به همین دلیل، در این مطالعه ما تبدیل مستقیم متان در پالسهاي حدود 50 نانو ثانیهاي پلاسما را مورد بررسی قرار خواهیم داد. کارهاي دیگري نیز در حوزه پلاسما صورت گرفتهاند که همگی یا ضعف بازده پایین را دارند و یا در درجه حرارتهاي بالا کار میکنند . [8-5]
آزمایش
رآکتور شامل دو الکترود است همکه به فاصله 4 میلیمتر از درون شیشه استوانهاي کوارتز قرار دارند. هر چند که این سیستم بر اساس تاثیر پیش یونش براي ایجاد تخلیه الکتریکی یکنواخت
استوار است، ولی در فرکانسهاي اعمال شده در این آزمایش که تا بیش از ده کیلو هرتز نیز میرسد، تخلیه از حالت تابان خالص فاصله گرفته و داراي قطر کم و در ابعاد کمتر از میلیمتر میگردد. الکترودها به صورت انحنا دار بریده شدهاند که با تقریب خوبی به مقطع روکوفسکی نزدیک است.طرح مدار تشدیدي مورد استفاده براي تولید پلاسما در شکل شماره 1 آورده شده است. جزئیات بیشتر در مورد عملکرد این نوع مدار و همچنین ساختار رآکتور در بقیه کارهاي منتشر شده منعکس شده است .[3-1]
از آنجا که انرژی تزریقی به رآکتور پارامتر فوقالعاده مهمی است، کاهش انرژی تزریقی از طریق ایجاد عدم انطباق امپدانس و توسط سلف اشباعپذیر امکانپذیر بود.براي محاسبه بازده باید انرژي تزریقی به رآکتور را اندازهگیري کنیم. این کار از طریق اندازهگیري مساحت زیر نمودار توان که حاصلضرب ولتاژ در جریان در طول یک پریود پالسی است محاسبه میشود.براي اندازهگیريها از اسیلوسکوپ و پروبهاي جریان و ولتاژ - - Tektronix که به اندازه کافی سریع و قادر به ارائه زمان پاسخگویی حدود 4 نانوثانیه را دارند استفاده گردید. همچنین درصد محصولات خروجی از رآکتور با تزریق به دستگاه کروماتوگراف گازي - کمپانی - Varian و توسط دو آشکار ساز TCD و FID مشخص گردیدند. کانال اول براي آشکارسازي هیدروژن و ترکیبات CO2و CO بکار میرود و کانال دوم براي شناسایی محصولات هیدروکربنی کاربرد دارد. فرمولهاي بکار رفته براي درصد تبدیل و گزینشپذیري محصولات بصورت زیر میباشند:
نتایج
بر اساس اسیلوگرافها، طول پالس الکتریکی کمتر نانواز50 ثانیه بدست آمد. هر چند که شکل پالسهاي ولتاژ و جریان داراي نوساناتی در رفتار پالس به پالس نشان دادند، ولی رویهمرفته از پایداري مناسبی برخوردار بودند. با توجه به سرعت پروبهاي مورد استفاده، خطاي محاسبه در انرژي کمتر از %20 برآورد گردید.در اثر افزایش فرکانس، تبدیلات متان نیز افزایش یافته و فقط در مقادیر بزرگ تبدیل به اشباع نزدیک میگردد - شکل شماره 2 را ببینید - . در شکل شماره 2 همچنین اثر ولتاژهاي کم و زیاد دیده میشوند. در ولتاژهاي بالاتر، بدلیل افزایش انرژي تزریقی، تبدیلات افزایش مییابند.
اثر افزایش شار ورودي تقریبا مشابه اثر کاهش فرکانس می باشد - شکل شماره . - 3 با کاهش شار ورودي و یا با افزایش فرکانس، یک حجم نمونه گاز زمان بیشتري را در معرض پالسهاي پلاسما قرار میگیرد و در نتیجه شانس تبدیلات بیشتري خواهد داشت. در شکل شماره 4، مقادیر گزینشپذیري دو محصول عمده واکنش یعنی استیلن و هیدروژن نشان داده شدهاند. همانطور که دیده میشود، گزینشپذیري هیدروژن بر حسب ولتاژ تقریبا ثابت و حدود %60 باقی میماند، ولی گزینشپذیري استیلن با افزایش ولتاژ افزایش یافته که بدلیل هیدروژنزدایی از محصولات هیدروکربنی و انتقال آنها به سمت محصول پایدارتر یعنی استیلن میباشد.
در محصولات خروجی محصولات متنوعی تا بنزن و بعضا تولوئن مشاهده شدند. در فرکانس بالا قطرات مایعی بر جداره رآکتور مینشینند و یا بصورت بخاراتی سفید رنگ از راکتور بیرون میآیند که میتوانند هیدروکربنهاي C5 به بالا همچون هگزانو، بنزن مشتقات آنها باشند که دربین هیدروکربنهاي سنگین درصد گزینشپذیري بنزن از همه بیشتر است براي مثال در شرایط =17/5 Kv ولتاژ ،=11/5 KHz فرکانس و=115/24 ml/min شار، درصد گزینشپذیري بنزن به حدود 7 درصد رسیدحاضردرحال در حال بررسی دقیقتر میزان هیدروکربنهاي سنگین و شاخههاي آنها از طریق دستگاه گاز کروماتوگرافی هستیم. در جدول شماره 1 در شرایط مختلف فرکانس، ولتاژ و شار نتایجی از بازده انرژي ،گزینش پذیري C3 وC4 ها و درصد تبدیل متان درصدوهمچنین کربنهاي گمشده آورده شدهاند. بخشی ازبرکربنهاي گمشده روي دیوارهها بصورت لایههاي پلیمري و شبه الماسی نشست میکنند. آنالیز این نوع ساختارهاي کربنی در دست بررسی میباشند.
