مقدمه
برای تبدیل موثر منابع انرژی معمولاً از متان برای تولید مواد واسطه یا محصولات با ارزشی از قبیـلگـاز سـنتز (H2+CO) و اتـیلن (4(C2H متـانول (CH3OH) و فرمالدهیـد (CH2O) اسـتفاده می گردد . گاز طبیعی به دلیل گستردگی و مقادیر زیاد آن در دنیا در حال حاضر یکـی از مهمتـرینمنابع انرژی در جهان است. با این وجود %90-60 از مخازن گاز که تاکنون کشف شده اند، زودتـر ازمکان های مورد نیاز برای مصرف هستند. با وجود اینکه امکان مایع کردن این گـاز و تبـدیل آن بـهمواد شیمیایی به منظور انتقال آسان از طریق خطوط لوله به مصرف کنندگان وجـود دارد ، هنـوز ازاین منبع عظیم انرژی بطور کامل استفاده نشده است. روشهای زیادی برای تبدیل متـان مهمتـرینجز گاز طبیعی به سوخت مایع و سایر مواد شیمیایی با ارزش وجود دارد. در کل متـان بـه دو روشمستقیم و غیرمستقیم تبدیل می شـود. محققـان تـلاش هـای گـسترده ای از مطالعـات عملـی تـاکاربردهای صنعتی در این زمینه انجام داده اند ولی بدلیل پایداری زیاد متان ، هنوز مشکلات زیادیبرای تبدیل آن وجود دارد. گاز طبیعی بصورت غیرمستقیم و از طریق گاز سنتز به سـوخت مـایع وسایر مواد شیمیایی تبدیل و یا مستقیماً تبدیل بـه هیـدروکربن هـای 2C و یـا متـانول میـشود. در بیشتر فرایندهای اقتصادی ، متان را از طریق تبدیل با بخار تبدیل به گاز سنتز کرده و سپس از اینگاز میانی برای تولید سایر مواد شیمیایی استفاده می کنند.[1] تخمین زده شده اسـت کـه تقریبـاً%70-60 هزینه های صرف شده در واکنش های تبدیل متان به تهیه گاز سنتز اختصاص داده شـدهاست. [2] همچنین فرآیند تولید گاز سنتز از گاز طبیعی فرآیند بـسیاری گرمـاگیری اسـت کـه بـهانرژی و دمای بسیار زیادی نیاز دارد. برای غلبه بر این مشکلات تمایل زیادی برای تبـدیل مـستقیممتان وجود دارد. اکسیداسیون زوجی، زوج شدن حرارتی ، پلاسما و غیـره روش هـایی هـستند کـهتاکنون برای تبدیل مستقیم متان از آنها استفاده شده است. واکنش اکـسیداسیون زوجـی، متـان رامستقیماً و با استفاده از کاتالیست به اتان و اتیلن تبدیل کرده و سپس هیـدروکربن هـای 2C را بـهسوخت مایع و بنزین تبدیل می کند.
از اکسیژن و یا دی اکسید کربن برای اکسیداسیون زوجی استفاده می شـود. در ایـن حالـت تمایـلزیادی برای احتراق وجود دارد که برای حل این مشکل وجود یک کاتالیست برای افـزایش واکـنشهای زوجی شدن ضروری است. با وجود اینکه کاتالیست های زیادی تاکنون بکار برده شـده اسـت ،ولی هیچگاه بازده به بیش از 25% نرسیده است. بعلاوه هنوز عیب واکنش در دماهای بـالاتر از 600 درجه سانتیگراد برای دستیابی به درصد تبدیل و گـزینش پـذیری مطلـوب وجـود دارد. زوج شـدنحرارتی هم در دماهای بسیار بالا برای تبدیل به هیدروکربن های 2C انجام می شود. با کنترل زماناقامت در راکتور می توان محصولاتی به غیر از هیدروژن و کربن بدست آورد. اخیراً مطالعات بر رویسنتز همزمان اتیلن و استیلن تمرکز یافته است. تبدیل متان به وسیله پلاسـما بعنـوان روش دیگـربرای غلبه بر مشکلات موجود مورد بررسی قرار گرفته است.[1]
در پلاسما انرژی الکتریکی با ایجاد تخلیه الکتریکی در گاز ذرات بسیار فعالی از جمله الکتـرون هـا ،یون ها ، اتم ها ، رادیکال ها و مولکول های برانگیخته بوجود می آورد کـه بعنـوان کاتالیـست بـرایتولید محصولات عمل می کنند.[3]
در میان انواع پلاسما ، پلاسمای سرد با توجه به ویژگی غیرتعادلی بودن و شـرایط عملکـردی سـادهای که دارد یعنی فشار اتمسفری و دمای محیط ابزار بسیار مناسبی بـرای شـروع واکـنش اسـت. بـاتوجه به رفتار عملیاتی و شکل الکترودها پلاسمای سـرد بـه انـواع مختلفـی تقـسیم مـی شـود کـهعبارتند از: راکتورهای پلاسمای تابشی ، آرام ، هاله ، رادیوفرکانسی و مایکروویو [4]. تخلیه تابـشییک تخلیه الکتریکی فشار پایین است که بین دو الکترود تخت ایجاد مـی شـود و تخلیـه الکتریکـیهاله یک تخلیه الکتریکی ناهمگن است که با استفاده از دو الکترود غیر همگن در فشار اتمـسفریکبوجود می آید. تخلیه الکتریکی آرام مجموعه ای از تخلیه هالـه و تابـشی اسـت و تخلیـه الکتریکـیرادیوفرکانسی و مایکروویو توسط تولید کننده های این تشعشعات به درون محفظه راکتور القـا مـیشوند [4]. بزرگترین عیب راکتورهای پلاسما مصرف انرژی الکتریکی توسط آنهاست، اما با توجه بـهبازده بالای انرژی الکتریکی در این راکتورها و همچنین مناسب بودن آن از نظر زیست محیطی ، درصورت در دسترس بودن انـرژی الکتریکـی اسـتفاده از تکنولـوژی پلاسـما بـسیار مطلـوب بـه نظـر می رسد. [5]
در این پایان نامه ابتدا مروری بر مطالعات انجام شده بـرای واکـنش هـای اکـسیداسیون زوجـی درراکتور پلاسما داریم ، سپس به توضیح پلاسما و انواع راکتورهای پلاسما می پردازیم.
معرفی سیستم آزمایشگاهی طراحی شـده بـرای انجـام ایـن آزمایـشها ، نحـوه طراحـی آزمایـشها ، آزمایشهای انجام شده و بحث درباره تاثیر شرایط مختلف عملیاتی در بخشهای بعدی بترتیـب مـوردبررسی قرار می گیرد.

پلاسما و منابع تولید پلاسما و اکسایش زوجی متان در راکتور پلاسمای پالسی با فرکانس بالا

پلاسما و منابع تولید پلاسما و اکسایش زوجی متان در راکتور پلاسمای پالسی با فرکانس بالا

فهرست مطالب

چکیده………………………………………………………………………………………………………………………….1
مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………….2

فصل اول : کلیات

1-1) هدف ……………………………………………………………………………………………………………………..6
1-2) پیشینه تحقیق ………………………………………………………………………………………………………….8
1-3) روش کار و تحقیق………………………………………………………………………………………………………10

فصل دوم : مروری بر مراجع

2-1) مروری بر تحقیقات OCM در راکتور پلاسمائی ………………………………………………………………………12
2-1-1) هاله مثبت-منفی و AC/DC …………ا……………………………………………………………………………..12
2-2) مکانیسم واکنش OCM در راکتور تخلیه الکتریکی هاله …………………………………………………………….28

فصل سوم- پلاسما و منابع تولید پلاسما

3-1) پلاسما چیست ………………………………………………………………………………………………………..32
3-1-1) پلاسما حالت چهارم ماده …………………………………………………………………………………………32
3-2) تعریف علمی پلاسما ………………………………………………………………………………………………..33
3-3) شرایط پایداری پلاسما ………………………………………………………………………………………………35
3-3-1) حفاظ دبای …………………………………………………………………………………………………………35
3-3-2) طول دبای ………………………………………………………………………………………………………….35
3-3-3) کره دبای ……………………………………………………………………………………………………………36
3-3-4) فرکانس ارتعاشات …………………………………………………………………………………………………36
3-4) پارامترهای پلاسما ……………………………………………………………………………………………………37
3-4-1) دانسیته پلاسما ……………………………………………………………………………………………………37
3-4-2) دمای پلاسما ………………………………………………………………………………………………………..38
3-4-2-1) پلاسمای تعادلی …………………………………………………………………………………………………40
3-4-2-2) پلاسمای غیرتعادلی ……………………………………………………………………………………………..40
3-5) منابع تولید پلاسما …………………………………………………………………………………………………….41
3-5-1) انواع تخلیه الکتریکی ………………………………………………………………………………………………..41
3-5-2) تخلیه الکتریکی تابشی …………………………………………………………………………………………….42
3-5-2-1) اصول تخلیه الکتریکی …………………………………………………………………………………………….42
3-5-2-2) خصوصیات تخلیه الکتریکی تابشی ……………………………………………………………………………..47
3-5-3) تخلیه الکتریکی هاله …………………………………………………………………………………………………48
3-5-3-1) هاله مثبت …………………………………………………………………………………………………………50
3-5-3-2) هاله منفی …………………………………………………………………………………………………………52
3-5-4) تخلیه الکتریکی آرام (DBD) ….ا……………………………………………………………………………………54
3-5-5) تخلیه الکتریکی رادیو فرکانسی (RF) ……………..ا…………………………………………………………….55
3-5-5-1) راکتورهای پلاسمای RF ……ا………………………………………………………………………………….58
3-5-6) تخلیه الکتریکی مایکروویو …………………………………………………………………………………………59
3-6) انواع راکتورهای پلاسما برای تبدیل متان …………………………………………………………………………..60
3-6-1) راکتور پلاسمای حرارتی …………………………………………………………………………………………..60
3-6-2) راکتور پلاسمایی DBD …ا…………………………………………………………………………………………61
3-6-3) راکتور پلاسمای هاله ……………………………………………………………………………………………….62
3-7) مقایسه انواع روشهای تبدیل متان در راکتورهای پلاسما ………………………………………………………….64

فصل چهارم : شرح سیستمهای آزمایشگاهی و طراحی آزمایشها

4–1) شرح سیستم آزمایشگاهی طراحی شده ………………………………………………………………………….67
4-1-1) خوراک دهی …………………………………………………………………………………………………………..68
4-1-2) رآکتور ………………………………………………………………………………………………………………….69
4-1-3) نمونه گیری …………………………………………………………………………………………………………..69
4-2) طراحی آزمایشها ……………………………………………………………………………………………………….77
4-2-1) شناسایی و بیان مساله …………………………………………………………………………………………….78
4-2-2) انتخاب عوامل و سطوح و تعیین متغیرهای پاسخ ………………………………………………………………..83
4-2-3) انتخاب طرح آزمایش …………………………………………………………………………………………………84
4-2-4) انجام آزمایش …………………………………………………………………………………………………………86
4-3) روش محاسبه در صد تبدیل متان و درصد گزینش پذیری محصولات ……………………………………………….88

فصل پنجم- نتایج و بحث

5-1) نتایج آزمایشات ……………………………………………………………………………………………………………90
5-2) بررسی اثر کیفی هریک از متغیرها بر پاسخ سیستم ………………………………………………………………..93
5-2-1) نسبت متان به اکسیژن در خوراک ورودی (2CH4/O) ….ا………………………………………………………….94
5-2-2) دبی جریان خوراک ورودی …………………………………………………………………………………………….97
5-2-3) ولتاژ …………………………………………………………………………………………………………………….99
5-2-4) فاصله میان الکترودها ……………………………………………………………………………………………….101
5-2-5) فرکانس پالس ………………………………………………………………………………………………………..104
5-3) تعیین متغیر های مؤثر بر پاسخ سیستم …………………………………………………………………………….106
5-4) تعیین مقدار بهینه پاسخ ……………………………………………………………………………………………… 108
5-5) بررسی میزان پایداری تخلیه الکتریکی در رآکتور …………………………………………………………………..109
5-6) مقایسه نتایج اکسایش زوجی متان در راکتور کرونای پالسی با حالت غیرپالسی ………………………………110
5-6-1) مقایسه میزان درصد تبدیل متان و گزینش پذیری محصولات 2C و بازدهی محصولات ………………………..110

فصل ششم- نتیجه گیری و پیشنهادات

6-1) نتیجه گیری …………………………………………………………………………………………………………….113
6-2) نتیجه گیری نهایی ……………………………………………………………………………………………………..124
6-3) پیشنهادات ……………………………………………………………………………………………………………..126
منابع و ماخذ ……………………………………………………………………………………………………………….. 128
فهرست منابع فارسی………………………………………………………………………………………………………129
چکیده انگلیسی …………………………………………………………………………………………………………….132

جدول

2-1: مقایسه فرایندهای هاله DC مثبت و منفی……………………………………………………………………………..84
2-2: نتایج فرایندهای تخلیه الکتریکی هاله با استفاده از کاتالیست 3Sr/La2O…….ا…………………………………….15
2-3: نتایج تبدیل پلاسمو کاتالیستی متان با استفاده از زئولیت…………………………………………………………….16
2-4: تاثیر نسبت 2CH4/CO خوراک و دمای گاز بر روی PCMC……ا………………………………………………………..17
2-5: نتایج PCMC با افزودن هیدروژن به خوراک……………………………………………………………………………….17
2-6: نتایج PCMC با افزودن هیدروژن به خوراک (کاتالیست NaOH treated Y)…ا………………………………………..18
2-7: تبدیل کاتالیستی پلاسمایی متان بر روی Li/MgO…………ا………………………………………………………….19
2-8 : آنتالپی و انتروپی واکنش های مهم برای سنتز هیدروکربن های سنگین …………………………………………27
4-1: پارامترهای سیستم فرآیندهای پلاسما ………………………………………………………………………………..79
4-2: آرایه 16L تاگوچی برای بررسی پنج پارامتر در چهار سطح…………………………………………………………..84
4-3: طراحی آزمایش ها بر اساس روش طراحی تاگوچی………………………………………………………………….85
4-4: مقادیر مربوط به درصد باز بودن شیر های کنترل در دبی ها و نسبت های آزمایش شده ………………………..87
5-1: شدت جریان خروجی و مقادیر ترکیبات آنالیز شده در کروماتوگراف گازی…………………………………………….91
5-2: شدت جریان مولی اجزا در خروجی از راکتور……………………………………………………………………………92
.5-3: نتایج درصد تبدیل و درصد گزینش پذیری محصولات در آزمایش ها…………………………………………………..93.
5-4: مقادیر میانگین درصد تبدیل متـان و درصـد گـزینش پـذیری محـصولات در چهـار سـطح…………………………….94
5-5: مقادیر میانگین درصد تبدیل متان و درصد گزینش پذیری محصولات در چهـار سـطح دبـی…………………………97
5-6: مقادیر میانگین درصد تبدیل متان و درصد گزینش پذیری محصولات درچهارسطح ولتاژ …………………………..100
5-7: مقادیر میانگین درصد تبدیل متان و درصد گزینش پذیری محصولات در چهار سطح فاصـله……………………….102

5-8:مقادیر میانگین درصد تبدیل متان و درصد گزینش پذیری محصولات در چهار سطح فرکانس …………………….104
5-9: آنالیز واریانس (ANOVA) و تحلیل نتایج برای بهینه کردن درصد تبدیل متان ………………………………………107
5-10: آنالیز واریانس (ANOVA) و تحلیـل نتـایج بـرای بهینـه کـردن درصـدگزینش پـذیری………………………………107
5-11: آنــالیز واریــانس (ANOVA) و تحلیــل نتــ ایج بــرای بهینــه کــردن درصــد بــازدهی……………………………107
5-12: شرایط بهینه خوراک برای تولید مقدار بیشینه درصد تبدیل متان……………………………………………………108
5-13: شرایط بهینه خوراک برای تولید مقدار بیشینه درصد گزینش پذیری محصولات 2C………ا………………………..108
5-14: شرایط بهینه خوراک برای تولید مقدار بیشینه درصد بازدهی محصولات 2C……..ا……………………………….109
5-15: مقایسه میزان درصد تبدیل متان و درصد گزینش پذیری محصولات 2C و درصد بـازدهی محصولات در رآکتور کرونای پالسی و غیرپالسی…………………………………………………………………………………………………………………….110
5-16: درصد افزایش درصـد تبـدیل متـان ، گـزینش پـذیری محـصولات 2C و درصـد بـازدهی محصولات در حالت پالسی نسبت به غیر پالسی……………………………………………………………………………………………………………………..111
6-1: اثر دما ، دبی سیال ورودی ، انرژی ویژه ورودی و 2CH4/O بر درصد تبدیل متان و اکسیژن…………………… 115
2-1: راکتور تخلیه الکتریکی هاله …………………………………………………………………………………………….12
2-2: واکنش های هاله بر حسب برنامه دمایی …………………………………………………………………………….14
02-3: اثر نسبت متان به اکسیژن بر درصد تبدیل متان و مصرف انرژی……………………………………………………20
2-4: اثر نسبت متان به اکسیژن بر درصد گزینش پذیری………………………………………………………………….21
2-5: اثر زمان اقامت بر درصد تبدیل متان و مصرف انرژی………………………………………………………………….21
2-6: اثر نسبت زمان اقامت بر درصد گزینش پذیری………………………………………………………………………..22
2-7: اثر فلز کاتالیست بر روی گزینش پذیری محصولات 2C…ا…………………………………………………………….23
2-8: نمایی از مکانیزم تخمینی واکنشها……………………………………………………………………………………..24
2-9: مکانیزم واکنش تجزیه ای متان در راکتور DBD ….ا…………………………………………………………………….26
2-10: مکانیزم و انرژی واکنشهای جانبی برای تولید رادیکالهای متیل …………………………………………………….26
3-1: حالتهای ماده بر اساس دما و انرژی ……………………………………………………………………………………33
3-2: محفظه تخلیه الکتریکی و پارامترهای پلاسما ………………………………………………………………………….37
.3-3: تقسیم بندی پلاسمای سرد بر اساس عوامل مختلف……………………………………………………………….39
.3-4: تخلیه الکتریکی تابشی…………………………………………………………………………………………………..43
.3-5: مشخصه I-V تخلیه الکتریکی تابشی معمولی……………………………………………………………………….44
3-6: محفظه تخلیه الکتریکی تابشی …………………………………………………………………………………………47
3-7: تخلیه الکتریکی هاله ( صفحه – نقطه ) ………………………………………………………………………………..49
3-8: نمایی از کرونای مثبت ایجاد شده توسط جریان DC ….ا……………………………………………………………….51
3-9: طرحی از کرونای منفی ایجاد شده توسط جریان DC ……ا…………………………………………………………….54
3-10: انواع راکتورهای پلاسمای …………………………………………..RF …………ا………………………………………..58
3-11: راکتور پلاسمایی حرارتی………………………………………………………………………………………………..61
.3-12: راکتور پلاسمای DBD برای تبدیل متان……………………………………………………………………………….62
3-13: راکتور پلاسمای DBD صفحه تخت…………………………………………………………………………………….62
.3-14: راکتور هاله برای تبدیل متان………………………………………………………………………………………….63
4-1: طرح سیستم آزمایشگاهی رآکتور پلاسمای پالسی ………………………………………………………………..67
.4-2: نمایی از مجموعه آزمایشگاهی راکتور پلاسمای پالسی ………………………………………………………….70
.4-3: دستگاه مولد پالس ولتاژ و فرکانس زیاد………………………………………………………………………………72
.4-4: جعبه مقاومتها…………………………………………………………………………………………………………..73
4-5: اسیلوسکوپ ……………………………………………………………………………………………………………..73
.4- 6: ابعاد رآکتور پلاسمای کرونای پالسی مورد استفاده در آزمایش ………………………………………………….74
4-7: رآکتور کرونای پلاسمای پالسی ……………………………………………………………………………………….75
.4-8: شیر کنترل MFC……ا…………………………………………………………………………………………………..75
.4-9: منبع تغذیه شیر های کنترل…………………………………………………………………………………………..82
5-1: نمودار تغییر درصد تبدیل متان در نسبت های مختلف 2CH4/O….ا…………………………………………………95
5-2: نمودار تغییرات درصد گزینش پذیری محصولات 2C در نسبت های مختلف 2CH4/O……ا……………………….96
5-3: نمودار تغییرات درصد گزینش پذیری محصولات در نسبت های مختلف 2CH4/O ..ا………………………………96
.5-4: نمودار تغییرات درصد تبدیل متان در دبی های ورودی مختلف …………………………………………………….98
.5-5: نمودار تغییرات درصد گزینش پذیری محصولات 2C در دبی های ورودی مختلف………………………………….98
.5-6: نمودار تغییرات درصد گزینش پذیری محصولات در دبی های ورودی مختلف……………………………………….99
.5-7: اثر ولتاژ بر درصد تبدیل متان…………………………………………………………………………………………..100
100.5-8: اثر ولتاژ بر درصد گزینش پذیری محصولات 2C……ا……………………………………………………………100
5-9: اثر ولتاژ بر درصد گزینش پذیری محصولات……………………………………………………………………………101
.5-10: نمودار تغییرات درصد تبدیل متان در فاصله الکترودهای مختلف…………………………………………………102
.5-11: نمودار تغییرات درصد گزینش پذیری محصولات 2C در فاصله الکترودهای مختلف…………………………….103
5-12: نمودار تغییرات درصد گزینش پذیری محصولات در فاصله الکترودهای مختلف ………………………………..103
5-13: تاثیر فرکانس پالس بر درصد تبدیل متان …………………………………………………………………………..105
.5-14: تاثیر فرکانس پالس بر درصد گزینش پذیری محصولات 2C……ا……………………………………………….1051
5-15: تاثیر فرکانس پالس بر درصد گزینش پذیری محصولات……………………………………………………………106
6-1: درصد تبدیل متان بصورت تابعی از نسبت متان به اکسیژن……………………………………………………….113
6-2: اثر نسبت متان به اکسیژن بر درصد تبدیل متان و مصرف انرژی و درصد گزینش پذیری……………………….114
6-3: نمودار تغییر درصد تبدیل متان در نسبت های مختلف 2CH4/O…..ا…………………………………………….114
.6-4: نمودار تغییرات درصد گزینش پذیری محصولات در نسبت های مختلف 2CH4/O…ا…………………………..115
.6-5: درصد تبدیل متان و اکسیژن بصورت تابعی از زمان اقامت………………………………………………………..116
.6-6: اثر نسبت زمان اقامت بر درصد تبدیل متان و اکسیژن و درصد گزینش پذیری محصولات……………………..116
..6-7: نمودار تغییرات درصد تبدیل متان در دبی های ورودی مختلف………………………………………………….116
.6-8: نمودار تغییرات درصد گزینش پذیری محصولات در دبی های ورودی مختلف…………………………………..118
.6-9: اثر ولتاژ بر درصد تبدیل متان………………………………………………………………………………………..118
.6-10: اثر ولتاژ بر درصد گزینش پذیری محصولات………………………………………………………………………118
.6-11: اثر ولتاژ بر درصد تبدیل متان ، درصد گزینش پذیری و درصد بازدهی محصولات…………………………….119
.6-12: اثر فاصله بین الکترودها بر درصد تبدیل متان و اکسیژن………………………………………………………..120.
.6-13: نمودار تغییرات درصد تبدیل متان در فاصله الکترودهای مختلف………………………………………………..120
.6-14: نمودار تغییرات درصد گزینش پذیری محصولات در فاصله الکترودهای مختلف………………………………..121
6-15: تبدیل متان نسبت به فرکانس پالس در دمای اتاق……………………………………………………………….121
6-16: گزینش پذیری هر یک از محصولات تبدیل متان نسبت به فرکانس پالس در دمای اتاق……………………….122
.6-17: گزینش پذیری محصولات تبدیل متان نسبت به فرکانس پالس…………………………………………………122
.6-18: تاثیر فرکانس پالس بر درصد تبدیل متان………………………………………………………………………….123
6-19: تاثیر فرکانس پالس بر درصد گزینش پذیری محصولات ………………………………………………………….123

فصل اول :
 1-1- هدف
متان فراوان ترین جزء گاز طبیعی است که امروزه بعنوان سوختی تمیز و نسبتاً ارزان بکار مـی رود.
حجم عظیم گاز طبیعی موجود در جهان (1014×4/1 مترمکعب تا سال 1994 میلادی ) و همچنـینمزایای اقتصادی بسیار بالای تبدیل متان به سوخت ها یا مواد شیمیایی با ارزشـتر ، سـبب گردیـدهاست تحقیقات گسترده ای در طی دو دهه اخیر بر روی روشهای تبدیل مـستقیم متـان بـه اتـیلن ،اتان، فرمالدئید ، متانول و…. متمرکز گردد . تبدیل متان به سایر مـواد شـیمیایی بـه دو روش کلـیمستقیم و غیرمستقیم انجام می شود.
در روش غیرمستقیم ابتدا با استفاده از واکنش های رفرمینگ ، متان با آب (واکنش فیشر تـروپش)، دی اکسید کربن و یا اکسیژن در دماهای بالا واکنش داده و به هیدروژن و مونواکـسیدکربن تبـدیلمی شود، سپس این مخلوط به متانول یا سایر هیدروکربن هـای مـایع تبـدیل مـی گـردد. در روشمستقیم محصولات حد واسط وجود نداشته و واکنش مستقیماً سبب تولیـد محـصولات مـورد نظـر می شود و از این نظر اقتصادی تر است.[6]
برتری روش تبدیل غیرمستقیم به سوخت عاری بودن محصولات آن از مواد رنگی ، آلاینـده و بـدبومی باشد. گرچه این روش از نظر اقتصادی در سطح جهانی و بخصوص در منـاطق نفـت خیـر نمـیتواند با سوخت های فسیلی رقابت کند ، اما پس از گذشت 80 سال هنوز هم فرایند فیـشر تـروپش یکی از مهمترین پروژه های تحقیقاتی در زمینه تبدیل متان مـی باشـد و تـلاش هـای بـسیاری درجهت تولید کاتالیزورهای با بازده و طول عمر بالا صورت می گیرد تا ایـن فرآینـد را تـا حـد امکـاناقتصادی تر گرداند.[6]
واکنشی که در تبدیل مستقیم متان بسیار مورد توجه قرار گرفته است زوج شـدن اکسایـشی متـان(OCM)1 است . این فرآیند شامل تبدیل متان و اکسیژن به اتان و آب می باشد که اتان هم به نوبهخود به اتیلن تبدیل گردیده و در طی واکنش هایی که پس از آن صـورت مـی گیـرد مقـدار کمـی

١ – Oxidative Coupling of Methane (اآسیداسیون زوجی متان)
هیدروکربن های سنگین تر نیز تولید می شود. اهمیت ویژه این فرایند ، تولید اتیلن است. این مـادهنه تنها به خاطر قیمت بالا بلکه به خاطر بازار فروش خوب ، محصول با ارزشی است. تولید اتـیلن درسال 1992 در حدودkg 1010×6 بوده است که در میان ترکیبـات آلـی رتبـه نخـست را بـه خـوداختصاص داد . البته در طی فرایندOCM محصولات نامطلوبCO و 2CO نیز تولید می شوند کهسبب کاهش بازدهی فرایند می گردند. از طرفی فرایند تشکیل 2CO بسیار گرمازا است و این گرمـاسبب بروز مشکلات مهندسی در فرآیند تولید می شود. از سـال 1980 تحقیقـات چـشم گیـری بـرروی زوج شدن اکسایشی متان با استفاده از کاتالیزور صورت گرفته است و تلاش برای دستیابی بـهکاتالیزورهای مناسب تر هنوز هم ادامه دارد . البته بسیاری از این کاتالیست هـا علـی رغـم بـازدهیمناسب ، در مقیاس صنعتی قابل استفاده نیستند چرا که پس از چند سـاعت یـا چنـد روز فعالیـتخود را از دست می دهند. [7] علاوه بر این هنوز مشکلات زیادی نیز در زمینه صنعتی کردن فرایندOCM کاتالیستی وجود دارد. یکی از این مشکلات ، جداسازی محصولات از جریان رقیـق مخلـوطبدست آمده می باشد. مشکل دیگر بهای زیاد 2O مصرفی است و به همین دلیـل پـیش بینـی مـیشود در مقیاس صنعتی از هوا بعنوان اکسنده استفاده شود (هر چند که مشکل رقیق سازی نیتروژننیز مشکل اول را تشدید می کند). خروج گرمای حاصل از واکنش و همچنین ساخت راکتور بی اثـردر دمای بالاتر ازc o 700 نیز از دیگر مشکلاتOCM کاتالیستی است. به این ترتیب با وجـود 20 سال تلاش و تحقیق در این زمینه هنوز هم راه زیادی تا صنعتی شـدن فراینـدOCM کاتالیـستیباقی مانده است [6]. تبدیل متان به وسیله پلاسما بعنوان روش دیگر برای غلبه بر مشکلات موجـودمورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به رفتار عملیاتی و شکل الکترودها پلاسـمای سـرد بـه انـواعمختلفی تقسیم می شود که عبارتند از: راکتورهای پلاسمای تابشی ، آرام ، هاله ، رادیوفرکانـسی ومایکروویو [4]. که ما در این پژوهش ، از پلاسمای هاله پالسی در فـشار و دمـای اتمـسفریک بـرایتبدیل متان به هیدروکربن های2C استفاده نمودیم.

1-2- پیشینه تحقیق
اولین بار ،Liu و همکارانش در سال 1996 با استفاده از راکتور تخلیه هالـه (در فـشار اتمـسفری وبدون کاتالیزورهای هتروژنی) مطالعاتی بر رویOCM انجـام داده و بـه ایـن نتیجـه رسـیدند کـهیونیزاسیون گاز در تخلیه الکتریکی هاله می تواند نقش مـوثری در گـزینش پـذیری محـصولات 2C داشته باشد . البته مطالعات این گروه بیشتر بر روی تخلیه هاله AC متمرکـز گردیـده و در طـی آناثر پارامترهای فرکانس ، ولتاژ ، فشار جزئی اکسیژن و دبی خوراک ورودی ، بـر روی درصـد تبـدیلمتان و گزینش پذیری و بازدهی محصولات 2 C مورد بررسی قرار گرفته است.
لازم به ذکر است گروه مذکور تحقیقاتی نیز بر روی واکنشOCM در راکتور پلاسـمای هالـهDC انجام داده و اثر قطبیت و دما را مورد بررسی قرار داده اند. [8]
در سال 2000 میلادی گروه تحقیقاتیMallinson به بررسی تولید هیدروژن از متان بـا اسـتفادهاز سیستم راکتوری هاله و منبع تغذیهDC پرداختند . خوراک ورودی به ایـن سیـستم مخلـوطی ازگازهای متان ، اکسیژن ، هیدروژن و هلیم بود و هیدروژن ، استیلن و مونوکـسید کـربن محـصولاتاصلی تبدیل متان در سیستم پلاسماییDC بودند . بعلاوه مقادیر اندکی اتان ، اتـیلن و دی اکـسیدکربن نیز تولید شدند.[2]
در ادامه گروه فوق در سال 2001 نتایج خود را در تولید گاز سنتز از روش اکسیداسیون جزئی متاندر راکتور پلاسمایAC منتشر کردند. هدف آنها پیدا کردن شرایط بهینه آزمایشگاهی بود. منظـوراز شرایط بهینه نیز ماکزیمم کردن میزان اکسیداسیون جزئی متان برای تولید گاز سنتز و ترکیبـات2C با استفاده از اکسیژن خالص و هوا و نیز مینیمم کردن میزان انرژی الکتریکـی مـورد نیـاز بـرایاین تبدیل ها بود. [12]
در سال 2003 این تحقیقات با استفاده از هوا به جای اکسیژن خالص مورد بررسی قـرار گرفـت. در واقع استفاده از هوا به جای اکسیژن دارای یک برآورد اقتصادی میان هزینه های ثابت و هزینه هایعملیاتی است.[13]
مقاله ای در مورد تولید اتیلن در راکتور پلاسمای کاتالیستی نیز توسط همین گروه در سـال 2003 منتشر شده است.[14]
در تحقیقی که در سال 2001 میلادی توسطYao و همکارانش انجـام شـد ، تبـدیل متـان و زوجشدن با دی اکسید کربن در راکتور نقطه-نقطه(PTP) 1 مورد بررسی قرار گرفت. تخلیـه الکتریکـیبوسیله جریان الکتریکی پالس با فرکانس بالا ایجاد شد. اثر تغییرات اعمال شده نظیر ترکیب درصـدخوراک ورودی به راکتور و فرکانس پالس ها بر روی میزان تبدیل و گزینش پـذیری مـورد بررسـیقرار گرفت و شرایط مناسب عملیاتی تخمین زده شد.[16]
در سال 2004 میلادی Barbara Pietuzka و Montiz Heintze در موسسه ای تحقیقاتی در آلمان اثر همزمان اکسیژن و بخار را در تبدیل متان در راکتور DBD مورد بررسی قرار دادند.[18] در سال 2005 میلادی ، قربان زاده و همکارانش توانستند گـاز سـنتز و هیـدروکربنهای2Cرا بـا بـهکارگیری از رآکتور دوبل تخلیه تابشی و بصورت پالسی بدست بیاورند. [36]

١- Point to Point
1-3- روش کار و تحقیق
در این پژوهش ، با استفاده از طرح آزمایش تاگوچی (آرایه 16L) تاثیر پنج پارامتر بـا سـطوح ذکـرشده ، نسبت متان بـه اکـسیژن در خـوراک ورودی (4:1 ، 1 :5/5 ، 1 :5/7 ، 9:1) ، شـدت جریـانخوراک (100، 200، 300، 400 میلی لیتر بر دقیقه) ، ولتاژ اعمال شده بـه رآکتـور (10، 14، 16و 18 کیلوولت ) ، فاصله بین الکترودها (7، 10، 12و 15 میلی متر) و فرکـانس پـالس (2000، 3000،
4000 و 5000 هرتز ) بر درصد تبدیل متان و گـزینش پـذیری محـصولات 2C مـورد بررسـی قـرارگرفت. همچنین لازم به ذکر است که از یک رآکتور با ده الکترود نقطـه ای و یـک الکتـرود صـفحهبرای انجام آزمایشات استفاده گردید.

پلاسما و منابع تولید پلاسما و اکسایش زوجی متان در راکتور پلاسمای پالسی با فرکانس بالا

پلاسما و منابع تولید پلاسما و اکسایش زوجی متان در راکتور پلاسمای پالسی با فرکانس بالا

فصل دوم :

مروری بر مراجع
2-1- مروری بر تحقیقات OCM در راکتور پلاسمائی
2-1-1- هاله مثبت-منفی و AC/DC :
از سال 1996 میلادی، مطالعاتی بر روی واکنش زوج شـدن اکسایـشی متـان(OCM) در راکتـورتخلیه الکتریکی هاله و در فشار اتمسفری صورت گرفته است. البتـه بیـشتر ایـن تحقیقـات بـر رویاستفاده همزمان از کاتالیست و پلاسما متمرکز گردیده انـد و بـه بررسـی آثـار ناشـی از اسـتفاده ازپلاسمای هاله در راکتورهای کاتالیستی پرداخته اند.
لازم به ذکر است که سیستم راکتوری مـورد اسـتفاده در تمـامی ایـن تحقیقـات از شـکل یکـسانیبرخوردار است . راکتور مذکور لوله ای از جنس کوارتز با قطر داخلیmm 7 است که در صورت نیـازتوسط یک کوره استوانه ای گرم می شود. گازهای یونیزه شده در فاصله بـین دو الکتـرود از جـنسفولاد ضدزنگ مطابق شکل زیر تشکیل می شوند. الکترود نوک تیز بالایی (به قطرin 16/1) درسـتدر مرکز لوله کوارتز و به فاصلهcm 1 از الکترود مسطح پائینی قرار داده شده است. الکترود مـسطحهمواره در ولتاژ صفر (زمین) نگهداشته می شود و با اعمال ولتاژ مثبت یا منفی به الکترود نوک تیـز، هاله مثبت یا منفی بین دو الکترود ایجاد می شود. بستر کاتالیست (در صـورت اسـتفاده) بوسـیلهالکترود پایینی نگهداشته می شود.

اولین بار ،Liu و همکارانش در سال 1996 با استفاده از راکتور تخلیه هالـه (در فـشار اتمـسفری وبدون کاتالیزورهای هتروژنی) مطالعاتی بر رویOCM انجـام داده و بـه ایـن نتیجـه رسـیدند کـهیونیزاسیون گاز در تخلیه الکتریکی هاله می تواند نقش مـوثری در گـزینش پـذیری محـصولات 2C داشته باشد . البته مطالعات این گروه بیشتر بر روی تخلیه هاله AC متمرکـز گردیـده و در طـی آناثر پارامترهای فرکانس ، ولتاژ ، فشار جزئی اکسیژن و دبی خوراک ورودی ، بـر روی درصـد تبـدیلمتان و گزینش پذیری و بازدهی محصولات 2 C مورد بررسی قرار گرفته است. این گروه با استفاده از تخلیه الکتریکیAC در ولتاژ اعمال شدهkV (rms) 5 و فرکانسHz 30 با دبـی خـوراک ورودیcm3/min 100 (20% متان ، 5% اکسیژن و بقیه هلیم) موفق به دستیابی به 21% بازدهی خـوراکمحصول مطلوب 2C (درصد تبدیل متان = 3/43% ، گزینش پذیری 2C =3/48%) شده اند [8].
لازم به ذکر است گروه مذکور تحقیقاتی نیز بر روی واکنشOCM در راکتور پلاسـمای هالـهDC انجام داده و اثر قطبیت و دما را مورد بررسی قرار داده اند. نتایج حاصل از این بررسی در جدول (2-1) و شکل (2-2) نشان داده شده است. با توجه به این جدول مـشاهده مـی گـردد کـه بـا افـزایشنسبت متان به اکسیژن ، درصد تبدیل متان کاهش می یابد [8]. بر طبـق آزمایـشهای گـروهLiu ، هاله مثبت (استریمر) عموماً سبب درصد تبدیل متـان و اکـسیژن بـالاتری نـسبت بـه هالـه منفـیگردیده است.
همچنین تحقیقات اخیر بر روی واکنش هایOCM در راکتور تخلیه هاله کاتالیـستی منتهـی بـهاین نتیجه گردیده است که استفاده همزمان از تخلیه هاله و کاتالیزورهای هتروژنی ،علاوه بر بهبـودگزینش پذیری 2C و بازدهی محصول مطلوب ، سبب می شود واکنش در دمایی پایین تر از حـالتیکه فقط از کاتالیزور استفاده می شود ، آغاز گردد. در حـضور تخلیـه هالـهDC و در دمـایK 853 (نسبت متان به اکسیژن 4) و با استفاده از کاتالیزور 3Sr/La2O در واکنشOCM درصـد تبـدیلمتان و گزینش پـذیری محـصول مطلـوب 2C بـه ترتیـب 5 و 8 برابـر بیـشتر از حـالتی اسـت کـهکاتالیست به تنهایی در این دما بکار برده شود و در نتیجه بازدهی 2C حدوداً 40 برابر شده است.
شکل (2-2) واکنش های هاله بر حسب برنامه دمایی (a) هاله مثبت (b) هاله منفی شرایط دبی خوراک = CH4/O2 = 4 ،100 cm3/min ، سرعت افزایش دما C /mino 3 [8] البته در تحقیقات گروه مذکور اثر تقویت کنندگی در دماهای بالاتر ازK 973 دیده نمی شود، چـراکه بیشتر اکسیژن در این دما مصرف شده است و محدودیت وجود اکـسیژن در ایـن دمـا در غیـابتخلیه هاله هم دیده می شود. دلیل دیگر کاهش تقویت کنندگی تخلیـه هالـه در دماهـای بـالا بـهکاهش حجم فعال تخلیه هاله در این دماها بر می گردد. نتایج این تحقیـق در جـدول (2-2) آمـدهاست. [9]
محصولات این واکنش ها شامل هیدروکربن هـای 2C (اسـتیلن ، اتـان، اتـیلن) ، رسـوبا ت کربنـی ،مقدار اندکی هیدروکربورهای 3C و گاز سنتز(H2+CO) بسته به واکنشگرهای کمکی یـا گازهـایرقیق کننده خوراک می باشد. در این مورد نیز تخلیه هاله استریمر (مثبـت ) سـازگاری بیـشتری بـازئولیت ها داشته است. ترتیب زئولیت ها بر حسب سازگاری با هاله استریمر از قوی بـه ضـعیف بـهقرار زیر است :
NaY , NaOH treated Y > Hy > NaX > NaA > Linde Type5A > Na-ZSM-5
در تحقیق مذکور اکسیژن ، دی اکسید کربن، هیدروژن (با یا بدون اکسیژن) ، بخـار آب و نیتـروژنبعنوان ک مک واکنش یا گاز رقیق کننده مورد آزمایش قرار گرفته اند. در کل مطالعه مقایسه ای بینمواد افزوده شده به خوراک(Co-reactants) نشان می دهد که برای دسـتیابی بـه تبـدیل بـالایمتان و گزینش پذیری بالا در مـورد محـصولات هیـدروژن و هیـدروکربورهای سـنگین تـر بهتـرین Co-reactant هیـدروژن (همـراه بـا اکـسیژن) اسـت. و در عـین حـال اگـر هـدف دسـتیابی بـه هیدروکربنهای 2C و گاز سنتز باشد افزودن بخار آب مناسب تر است. [10]
جدول (2-4) تاثیر نسبت 2CH4/CO خوراک و دمای گاز بر روی PCMC
(تبدیل پلاسمو کاتالیستی متان) [10]
درصد گزینش پذیری درصد بازده
در تحقیقات دیگری که بر روی تبدیل متان به هیدروکربورهای سنگین تر در راکتور تخلیه هاله بـرروی کاتالیست های اکسید فلزی متمرکز گردیده است. این نتیجه حاصل شده اسـت کـه بیـشترینتاثیرات متقابل مفید بین تخلیه الکتریکی و کاتالیست هنگامی اتفاق می افتـد کـه کاتالیـست هـایمزبور دارای گروه های قطبیOH باشـند. در عـین حـال تبـدیل متـان و گـزینش پـذیری 2C دردماهای پایینی مشاهده شده که در آن دماها ، بدون حضور تخلیه الکتریکی هیچگونه فعالیت ذاتـیکاتالیستی وجود نداشته است. در طی این آزمایشها اثر دمای گاز ، غلظت گروه هـایOH و میـزاناسیدی یا بازی بودن گروه هایOH موجود بر روی کاتالیست بررسی شده است. نمونـه ای از ایـننتایج در جدول (2-7) فهرست شده است [11].
در سال 2000 میلادی گروه تحقیقاتیMallinson به بررسی تولید هیدروژن از متان بـا اسـتفادهاز سیستم راکتوری هاله و منبع تغذیهDC پرداختند . خوراک ورودی به ایـن سیـستم مخلـوطی ازگازهای متان ، اکسیژن ، هیدروژن و هلیم بود و هیدروژن ، استیلن و مونوکـسید کـربن محـصولاتاصلی تبدیل متان در سیستم پلاسماییDC بودند . بعلاوه مقادیر اندکی اتان ، اتـیلن و دی اکـسیدکربن نیز تولید شدند. در این راکتور تاثیر پارامترهای مختلفی نظیر اندازه راکتور و زمـان اقامـت بـرروی میزان درصد تبدیل و گزینش پذیری محصولات مورد بررسی قـرار گرفتـه شـد. نتـایج بدسـتآمده توسط این گروه نشان می دهد که با افزایش درصـد تبـدیل متـان ، گـزینش پـذیری اسـتیلنافزایش می یابد. از جمله مزایای تبدیل گاز متان به هیدروژن را می توان کاهش گازهای گلخانه ایو استفاده وسیع از هیدروژن بعنوان ماده اولیه در تولید محصولات شیمیایی و سوخت هـای پـاکیزهدانست. [2]
در ادامه گروه فوق در سال 2001 نتایج خود را در تولید گاز سنتز از روش اکسیداسیون جزئی متاندر راکتور پلاسمایAC منتشر کردند. هدف آنها پیدا کردن شرایط بهینه آزمایشگاهی بود. منظـوراز شرایط بهینه نیز ماکزیمم کردن میزان اکسیداسیون جزئی متان برای تولید گاز سنتز و ترکیبـات2C با استفاده از اکسیژن خالص و هوا و نیز مینیمم کردن میزان انرژی الکتریکـی مـورد نیـاز بـرایاین تبدیل ها بود. پارامترهای مورد بررسی این گروه شامل: زمان اقامت ، فرکانس ، نوع موج ، توانو فشار سیستم بوده و نتایج نشان دادند کـه افـزایش میـزان اکـسیژن در خـوراک فعالیـت متـان راافزایش می دهد. توان های مصرفی کم و افزایش فشار میزان بازده تبدیل را افزایش می دهند.[12] در سال 2003 این تحقیقات با استفاده از هوا به جای اکسیژن خالص مورد بررسی قـرار گرفـت. در واقع استفاده از هوا به جای اکسیژن دارای یک برآورد اقتصادی میان هزینه های ثابت و هزینه هایعملیاتی است . آنها برای شناسـایی اثـرات نـسبت2CH4/Oدر خـوراک ورودی ، زمـان مانـد ، تـوانورودی ، فرکانس و نوع موج بر روی درصد تبـدیل و گـزینش پـذیری آزمایـشهایی را انجـام دادنـد.
درصد تبدیل متان و اکسیژن با افزایش توان ورودی ، افزایش و با افـزایش فاصـله بـین دو الکتـرودکاهش می یابد. همچنین با افزایش نسبت 2CH4/O، درصد تبدیل متان نیز کاهش می یابـد. اتـانبا واکنش های دهیدروژناسیون تبدیل به اتیلن ، استیلن و یا ترکیبات اکسید کربنی می شود. میزان جریان الکتریکی در فضای تخلیه با تغییر ترکیب درصد خوراک ثابت باقی می ماند در حالی کـه بـاافزایش توان و کاهش فاصله دو الکترود افزایش می یابد

قیمت 25 هزار تومان

خرید فایل pdf به همراه فایلword

قیمت:35هزار تومان