بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش با استفاده از فرآوری متان توسط دی اکسید کربن در محیط پلاسمای گلاید پالسی نانوثانیه ای، که اخیرا در دانشگاه تهران توسعه یافته است، به تولید گاز سنتز، هیدروکربنها و هیدروزن پرداخته شده است. توسط این نوع پلاسما، به نرخ تبدیل حدود % 40 برای متان و دیاکسیدکربن، بازدهی انرژی بالاتر از %50 و ECE بالاتر از %70دست پیدا کردیم. هر چند که بازده انرژی قابل مقایسه با فرآیندهای دمای بالای صنعتی است، ولی هنوز نرخ تبدیل گازها نیاز به افزایش دارد تا بتواند بعنوان یک فرآیند صنعتی رقابت پذیر مطرح شود. با این وجود دمای پایین این فرآیند که در حدود 100 درجه سانتیگراد است - در مقایسه با دمای حدود 1000 درجه سانتیگراد فرآیندهای شیمیایی - آنرا بسیار جذاب ساخته است.
در واکنشهای گرماگیر مثل فرآوری متان با دیاکسیدکربن، تعادل ترمودینامیکی اجازهی انجام واکنش را تنها در دماهای بسیار بالا میدهد. در دماهای بالا، به پایداری بالای کاتالیستها و وجود تجهیزات مناسب نیاز است. به علاوه بر اثر نشست کربن بر روی کاتالیستها، فعالیت آنها کاهش مییابد که باعث بروز مشکلاتی خواهد شد. به همین دلیل تاکنون فرآیندی شیمیایی در مقیاس صنعتی برای این فرآیند تحقق نیافته است. فرآوری متان با دی اکسیدکربن با استفاده از فناوری پلاسمای غیر تعادلی، یک راه حل امیدبخش است که در دمای پایین عمل می کند.
در این پژوهش، با استفاده از یک نوع جدید از پلاسما که گلاید3 پالسی نانوثانیهای نامیده شده و اولین بار توسط گروه پلاسمای دانشگاه تهران ارائه شده است [5]، به تولید گاز سنتز، هیدروکربنها و هیدروژن می پردازیم. به نظر میرسد عامل اصلی بروز ویژگیهای منحصر بفرد در پلاسمای گلاید، تحرکپذیری بالای کانال پلاسما در طول الکترودهای راکتور است .[5] اما این تحرک پذیری در پلاسمای گلاید پالسی نانوثانیهای نسبت به پلاسماهای گلاید DC , AC که قبلا مورد استفاده قرار گرفته اند، از نظر مقدار حداقل دو مرتبه بزرگتر است، بطوریکه سرعت حرکت کانال پلاسما که در پلاسماهای گلاید DC وAC برابر سرعت جریان گاز و در حدود 1 m/s است، به مقدار 50-100 m/s در پلاسمای گلاید پالسی نانوثانیهای میرسد .
[5] در پلاسمای پالسی نانوثانیهای میزان قلهی توان الکتریکی به چند صد کیلو وات میرسد که حداقل دو مرتبه بزرگتر از آن در سایر انواع پلاسماهای گلاید است. در این مقدار توان لحظهای، امواج شوک در فضای داخل راکتور تحریک میشوند که تحرک پذیری بالای ستون پلاسما را سبب می شود. ویژگیهای این نوع پلاسما باعث شده است که تبدیل متان خالص بهبودی 20-30 درصدی نسبت به پلاسما های تپی متداول از خود نشان دهد .[5] به دلیل اهمیت فرآوری متان توسط دی اکسید کربن، قابلیت این نوع پلاسما در فرآیند تبدیل همزمان متان و دیاکسیدکربن را می آزماییم.
آزمایش
به منظور فعالسازی مولکولهای متان و دیاکسیدکربن در فرآیند تبدیل از طریق یک پلاسمای سرد پالسی لازم است از یک مدار مولد پالس با طول زمانی مناسب پالس استفاده شود، بطوریکه تخلیه ی الکتریکی تبدیل به قوس کامل الکتریکی نشود. این مدار مولد شامل یک تایراترون4 به عنوان سویچ ولتاژ بالاست که تحمل ولتاژ 25 kV و جریان 1 kA را دارد. از یک تریگر 25 kHz نیز جهت فرمان قطع و وصل به سویچ استفاده میشود. خروجی این مدار تپ های ولتاژ با طول چند ده نانوثانیه است که از طریق الکترودها درون محفظه راکتور تخلیه میشود. شکل 1 تپهای ولتاژ و جریان تولید شده را نشان میدهد.
بدنهی راکتور مورد استفاده در این آزمایشها از جنس تفلون ساخته شده است که حجم محیط فعال آن در حدود 30 cm3 است و الکترودهای آن به طول 6cm دارای پروفایل تخت و از جنس آلومینیوم انتخاب شدهاند که با یک زاویهی واگرایی 14 از هم قرار گرفتهاند. پنجرهی راکتور نیز از جنس میکای نسوز شفاف است که تحمل حرارتی بالایی دارد. شار گازهای عبوری از محفظهی راکتور نیز بوسیله ی شارسنجهای جرمی Bronkhorst اندازهگیری می شوند. همچنین برای آنالیز گازهای خروجی از راکتور، از کروماتوگراف گازی مدل Varian-cp3800 استفاده میشود که مجهز به ستونهای آشکارسازی FID و TCD برای آنالیز گازهای مختلف است. انرژی تزریقی به راکتور با اندازهگیری ولتاژ دو سر الکترود و جریان عبوری از مدار محاسبه میشود. بدین منظور از یک پروب ولتاژ Tektronix P6015A و پروب جریان Pearson 6585 استفاده شده است تا ولتاژ، جریان و فرکانس اعمالی از روی آن توسط اسیلوسکوپ دیجیتال خوانده شود.
کمیتهای مختلف مورد استفاده در فرآیند تبدیل متان با دیاکسیدکربن بصورت زیر تعریف میشوند. در این روابط، i تعداد مولهای محصول i ام، Conversion درصد تبدیل گازهای ورودی به راکتور، و LHV کمینه ارزش گرمایی ویژه هر محصول است. از ECE نیز در غالب کارهای منتشر شده استفاده میگردد. این کمیت در واقع ارزش گرمایی محصولات را - در صورت سوختن - بیان می کند. انرژی ویژهی ورودی، SEI، نیز که انرژی ورودی به ازای یک مول از واکنشدهندههاست بصورت رابطه - 4 - بدست میآید.
