دانشگاه آزاد اسلامی

واحد تهران جنوب

دانشکده تحصیلات تکمیلی

“M.Sc” سمینار برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

مهندسی شیمی- طراحی فرآیند

عنوان:

بررسی تولید گاز سنتز در راکتورهای پلاسمای مایکروویو

چکیده:

گاز سنتز از گازهای هیدروژن و مونواکسیدکربن تشکیل شده است، تحقیقات بسیاری بر روی روشهای پیشرفته و جدید تولید گاز سنتز انجام شده است. نتایج این تحقیقات نش ان می دهد که استفاده از راکتور پلاسمای الکتریکی برای تولید گاز سنتز یک تکنولوژی پیشرفته با بازده بالا و محافظ محیط زیست می باشد. انواع راکتورهای پلاسمایی که تا کنون برای تولید گاز سنتز توسط محققان به کار رفته، عبارتند از: راکتورهای تابشی، هاله، آرام، رادیوفرکانسی و مایکروویو. راکتورهای پلاسمایی مایکروویو به دلیل ع ملکرد در محدوده وسیعی از فشار و سادگی عملکرد و قابلیت تنظیم پارامترهای
عملیاتی بر حسب خوراک ورودی، بهترین انتخاب برای استفاده به عنوان راکتورهای پلاسمای شیمیایی گاز سنتز می باشد.

مقدمه:

برای تبدیل موثر منابع انرژی معمولا از متان برای تولید مواد واسطه یا محصولات با ارزشی از قبیل گاز سنتز (H3+CO) و اتیلن (C2H4) متانول (CH3 OH) و فرمالدهید (CH2٢O) استفاده می گردد. برای تبدیل متان به گاز سنتز از واکنش هایی از قبیل اکسیداسیون جزئی متان، تبدیل متان با بخار و تبدیل با دی اکسید کربن استفاده می شود. این واکنش ها روشهای اصلی برای تولید محصولات بعدی از قبیل: متانول، تولید آمونیاک، سنتز فیشر – تراپش می باشند. تخمین زده شده است که تقریباً 60 – 70% هزینه های صرف شده در واکنش های تبدیل متان به تهیه گاز سنتز اختصاص داده شده است.

تحقیقات بسیاری بر روی روشهای پیشرفته و جدید تولید گاز سنتز انجام شده است نتایج این تحقیقات نشان می دهد که استفاده از راکتور پلاسما الکتریکی برای تولید گاز سنتز یک تکنولوژی پیشرفته با بازده بالا و محافظ محیط زیست می باشد.

انرژی الکتریکی عاملی بسیار مناسب و تکمیلی برای فعال کردن مواد شیمیایی و شروع واکنش ها محسوب می شود. ایجاد تخلیه الکتریکی در گاز ذرات بسیار فعالی از جمله الکترون ها، یون ها، اتم ها، رادیکال ها و مولکول ها بر انگیخته به وجود می آیند که به عنوان کاتالیست برای تولید محصولات عمل می کنند.

تبدیل غیر کاتالیستی متان به وسیله تخلیه الکتریکی از قبیل: هاله رادیو فرکانسی (RF)، فرکانس های پالسی بالا، مایکروویو (MW) و DBD به مرحله اجرا در آمده است.

پلاسمای مایکروویو معمولاً درفرهای مایکروویو، رسوب الماس، تولید IC و ایجاد چگالی بالای پلاسما و انرژی متوسط الکترون می تواند به کار برده شود. استفاده این نوع پلاسما در محدوده تغییرات وسیعی از فشار و شدت جریان ورودی گاز و شرایط عملیاتی آسان و در درون راکتورهای بدون الکترود که دیگر باعث خوردگی الکترودها و آلودگی و مسمومیت آنها می گردد، باعث شده است که استفاده آن جذاب تر از پلاسماهای دیگر گردد.

در بخشهای آینده ابتدا کلیات موضوع و سپس به شرح مفهوم پلاسما می پردازیم و واکنش هایی را که در پلاسمای مایکروویو انجام ش ده و تولید گاز سنتز در این پلاسما را مورد بررسی قرار می دهیم. سپس عوامل و پارامترهای موثر بر عملکرد راکتورهای پلاسمای مایکروویو در تولید گاز سنتز و در انتها راکتورهای پلاسمای دیگر در تولید این گاز و نتیجه گیری و پیشنهادات را مورد بحث و بررسی قرار می دهیم.

فصل اول: کلیات

1-1- هدف

برای تبدیل متان معمولاً از کاتالیزورهای بسیار فعال از قبیل: pt,pd,Ir,co,Ni بر روی پایه Tio2,AL2o3 و یا الماس های اکسید شده (oxidized diomand) در دمای بالا (k 1300 – 1000) و فشار بالا (15 – 30 atm) انجام می شود. بنابر این هدف ایجاد گزینه های سازگار با محیط زیست و مقرون به صرفه از لحاظ اقتصادی که می تواند شرایط عملیاتی دمایی – فشار و پرهیز از مشکل رسوب کربن به عنوان سم کاتالیزوری را حل کند می باشد.

تحقیقات بسیاری بر روی روشهای پیشرفته و جدید تولید گاز سنتز انجام شده است نتایج این تحقیقات نشان می دهد که استفاده از راکتور پلاسما الکتریکی برای تولید گاز سنتز یک تکنولوژی پیشرفته با بازده بالا و محافظ محیط زیست می باشد.

بنابراین انواع مختلف راکتورهای پلاسما برای تولید گاز سنتز مورد مطالعه قرار گرفته اند، با توجه به خصوصیات انواع پلاسما به طور کلی راکتورها پلاسمای تابشی به دلیل فشار کم عملیاتی و در نتیجه محدود بودن شدت جریان خوراک ورودی به راکتور برای تبدیل به راکتور شیمیایی در مقیاس های صنعتی مناسب نیستند. در راکتورهای پلاسمای هاله بر مشکل فشار عم لیاتی پایین غلبه می کنیم (فشار عملیاتی این راکتورها اتمسفر می باشد) اما به دلیل خاصیت غیر همگن بودن تخلیه الکتریکی در این نوع راکتور حجم فعال شیمیایی بسیار کم است (فضای کوچکی در نزدیکی الکترود نقطه) بنا بر این استفاده از این نوع پلاسما نیز به عنوان راک تور شیمیایی در مقیاس بزرگ صنعتی مناسب نمی باشد. در تخلیه الکتریکی آرام بر مشکل فشار پایین و حجم کم فعال غلبه شده است در نتیجه این نوع تخلیه الکتریکی برای استفاده در مقاصد صنعتی بسیار مناسب به نظر می رسد، اما مشکل اساسی این نوع راکتورها محدودیت فضای بین ا لکترودها است برای غلبه بر این مشکل برای ساخت راکتورهای DBD در مقیاس بزرگ برای تولید گاز سنتز از راکتورهای لوله ای موازی استفاده شده است. انواع دیگر راکتورهای پلاسما شیمیایی راکتورهای ICP یا همان راکتورهای مایکروویو و رادیو فرکانسی می باشند. در راکتورهای RF با توجه به محدوده پایین فشار عملیاتی برای پایداری پلاسما به ایجاد فشارهای پایین احتیاج است که از لحاظ عملیاتی در مقیاسهای بزرگ مشکل ساز می باشد. اما راکتورهای MW از آنجاییکه این نوع پلاسما در محدوده وسیعی از فشار پایدار باقی می مانند و سادگی عملک رد آنها و قابلیت تنظیم پارامترهای عملیاتی بر حسب خوراک ورودی بهترین انتخاب برای استفاده به عنوان راکتورهای پلاسما شیمیایی گاز سنتز می باشند.

نتایج تحقیقات نشان می دهد تبدیل پلاسمایی گاز طبیعی به گاز سنتز با توجه به تئوری پیچیده پلاسما هنوز از جهات بسیاری در ابهام می باشد و تجربیات کمی تا کنون در این زمینه انجام شده است. از جمله مهمترین مشکلات انتخاب گاز اکسید کننده مناسب برای اکسیداسیون متان و تولید گاز سنتز می باشد.

تبدیل غیر کاتالیستی متان (CH4) به وسیله تخلیه های الکتریکی از قبیل فرکانسهای بالای پالسی، هاله، رادیو فرکانسی، مایکروویو و DBD به مرحله اجرا در آمده است. عمدتاً این نوع رآکتورهای پلاسما برای تولید محصولات هیدروکربن های C2، متانول یا سنتز فیلم کربنی شبه الماس به کار می رود (102 – 107) مثلاً راکتورهای پلاسمایی رادیو فرکانسی در فشار پایین معمولاً در صنعت برای تولید نیمه هادیها و بهبود کیفیت سطح به کار برده می شوند.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.