دانشگاه آزاد اسلامی
واحد تهران جنوب
دانشکده تحصیلات تکمیلی
“M.Sc” پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد
مهندسی شیمی- طراحی فرآیند
عنوان :
اکسایش زوجی متان در راکتور پلاسمای پالسی با فرکانس بالا

چکیده:

در این پایان نا مه ، اکسیداسیون زوجی متان در رآکتور پلاسمای هاله (کرونای ) پالسی در فشار و دمای اتمسفریک بررسی شده است. تخلیه الکتریکی کرونای پالسی با اتصال ده الکترود نقطه ای و یک الکترود صفحه ای به دستگاه مولد پالس ولتاژ فرکانس بالا در یک رآکتور استوانه ای شیشه ای از جنس کوارتز تشکیل شد . تاکنون عوامل متعددی برروی درصد تبدیل متان ، گزینش پذیری محصولات C2 و بازدهی محصولات C2 خروجی از رآکتور، موثر شناخته شده است. در این پژوهش، اثر پنج پارامتر کلیدی با سطوح ذکر شده ، نسبت متا ن به اکسیژن در خوراک ورودی (4:1، 5/5، 7/5، 9:1) شدت جریان خوراک (100، 200، 300، 400 میلی لیتر بر دقیقه)، ولتاژ اعمال شده به رآکتور (10، 14، 16 و 18 کیلوولت) فاصله بین الکترودها (7، 10، 12 و 15 میلی متر) و فرکانس پالس (2000، 3000، 4000 و 5000 هرتز) بر درصد تبدیل متان و گزینش پذیری محصولات C2 بررسی شده است. به منظور بهینه سازی شرایط فرآیند تولید محصولات C2، از یک روش طراحی آماری به نام روش تاگوچی استفاده شده است . با استفاده از روش تاگوچی (آرایه L16) در چهار سطح و نتایج به دست آمده از آن بیشترین درصد تبدیل متان و بازدهی محصولات C2 به ترتیب 35/4% و 23/64% بود که در حد پایین CH4/O2=4:1 و دبی جریان 100 میلی لیتر و حد بالای ولتاژ 18 کیلوولت و فاصله الکترود 7 میلی متر و فرکانش پالس بالای 5000 هرتز به دست آمد. در ضمن بالاترین درصد گزینش پذیری محصولات C2 در حد بالای کلیه پارامترها به دست آمد.

مقدمه

برای تبدیل موثر منابع انرژی معمولاً از متان برای تولید مواد واسطه یا محصولات با ارزشی از قبیل گاز سنتز (H2+CO) و اتیلن (C2H4) متانول (CH3OH) و فرمالدهید (CH2O) استفاده می گردد . گاز طبیعی به دلیل گستردگی و مقادیر زیاد آن در دنیا در حال حاضر یکی از مهمترین منابع انرژی در جهان است. با این وجود 60 – 90% از مخازن گاز که تاکنون کشف شده اند، زودتر از مکان های مورد نی از برای مصرف هستند . با وجود اینکه امکان مایع کردن این گاز و تبدیل آن به مواد شیمیایی به منظور انتقال آسان از طریق خطوط لوله به مصرف کنندگان وجود دارد ، هنوز از این منبع عظیم انرژی بطور کامل استفاده نشده است . روشهای زیادی برای تبدیل متان مهمترین جز گاز طبیعی به سوخت مایع و سایر مواد شیمیایی با ارزش وجود دارد . در کل متان به دو روش مستقیم و غیر مستقیم تبدیل می شود. محققان تلاش های گسترده ای از مطالعات عملی تا کاربردهای صنعتی در این زمینه انجام داده اند ولی بدلیل پایداری زیاد متان، هنوز مشکلات زیادی برای تبدیل آن وجود دارد. گاز طبیعی بصورت غیرمستقیم و از طریق گاز سنتز به سوخت مایع و سایر مواد شیمیایی تبدیل و یا مستقیماً تبدیل به هیدروکربن های C2 و یا متانول می شود. در بیشتر فرایندهای اقتصادی، متان را از طریق تبدیل با بخار تبدیل به گاز سنتز کرده و سپس از این گاز میانی برای تولید سایر مواد شیمیایی استفاده می کنند. تخمین زده شده است که تقریبا 60 – 70% هزینه های صرف شده در واکنش های تبدیل متان به تهیه گاز سنتز اختصاص داده شده است. همچنین فرآیند تولید گاز سنتز از گاز طبیعی فرآیند بسیاری گرماگیری است که به انرژی و دمای بسیار زیادی نیاز دارد. برای غلبه بر این مشکلات تمایل زیادی برای تبدیل مستقیم متان وجود دارد . اکسیداسیون زوجی، زوج شدن حرارتی ، پلاسما و غیره روش هایی هستند که تاکنون برای تبدیل مستقیم متان از آنها استفاده شده است . واکنش اکسیداسیون زوجی، متان را مستقیماً و با استفاده از کاتالیست به اتان و اتیلن تبدیل کرده و سپس هیدروکربن های C2 را به سوخت مایع و بنزین تبدیل می کند.

از اکسیژن و یا دی اکسید کربن برای اکسیداسیون زوجی استفاده می شود. در این حالت تمایل زیادی برای احتراق وجود دارد که برای حل این مشکل وجود یک کاتالیست برای افزایش واکنش های زوجی شدن ضروری است. با وجود اینکه کاتالیست های زیادی تاکنون بکار برده شده است، ولی هیچگاه بازده به بیش از 25% نرسیده است. بعلاوه هنوز عیب واکنش در دماهای بالاتر از 600 درجه سانتیگراد برای دستیابی به درصد تبدیل و گزینش پذ یری مطلوب وجود دارد . زوج شدن حرارتی هم در دماهای بسیار بالا برای تبدیل به هیدروکربن های C2 انجام می شود. با کنترل زمان اقامت در راکتور می توان محصولاتی به غیر از هیدروژن و کربن بدست آورد . اخیراً مطالعات بر روی سنتز همزمان اتیلن و استیلن تمرکز یافته است . تبدیل متان به وسیله پلاسما بعنوان روش دیگر برای غلبه بر مشکلات موجود مورد بررسی قرار گرفته است.

در پلاسما انرژی الکتریکی با ایجاد تخلیه الکتریکی در گاز ذرات بسیار فعالی از جمله الکترون ها، یون ها، اتم ها، رادیکال ها و مولکول های برانگیخته بوجود می آور د که بعنوان کاتالیست برای تولید محصولات عمل می کنند.

در میان انواع پلاسما ، پلاسمای سرد با توجه به ویژگی غیرتعادلی بودن و شرایط عملکردی ساده ای که دارد یعنی فشار اتمسفری و دمای محیط ابزار بسیار مناسبی برای شروع واکنش است. با توجه به رفتار عملیاتی و شکل الکترودها پلاسمای سرد به انواع مختلفی تقسیم می شود که عبارتند از : راکتورهای پلاسمای تابشی ، آرام ، هاله ، رادیوفرکانسی و مایکروویو. تخلیه تابشی یک تخلیه الکتریکی فشار پایین است که بین دو الکترود تخت ایجاد می شود و تخلیه الکتریکی هاله یک تخلیه الکتریکی ناهمگن است که با استفاده از دو الکترود غیر همگن در فشار اتمسفریک بوجود می آید. تخلیه الکتریکی آرام مجموعه ای از تخلیه هاله و تابشی است و تخلیه الکتریکی رادیوفرکانسی و مایکروویو توسط تولید کننده های این تشعشعات به درون محفظه راکتور القا می شوند. بزرگترین عیب راکتورهای پلاسما مصرف انرژی الکتریکی توسط آنهاست، اما با توجه به بازده بالای انرژی الکتریکی در این راکتورها و همچنین مناسب بودن آن از نظر زیست محیطی، در صورت در دسترس بودن انرژی الکتریکی استفاده از تکنولوژی پلاسما بسیار مطلوب به نظر می رسد.

در این پایان نامه ابتدا مروری بر مطالعات انجام شده برای واکنش های اکسیداسیون زوجی در راکتور پلاسما داریم، سپس به توضیح پلاسما و انواع راکتورهای پلاسما می پردازیم.

معرفی سیستم آزمایشگاهی طراحی شده برای انجام این آزمایشها، نحوه طراحی آزمایشها، آزمایشهای انجام شده و بحث درباره تاثیر شرایط مختلف عملیاتی در بخشهای بعدی بترتیب مورد بررسی قرار می گیرد.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.