سمینار کارشناسی ارشد مهندسی شیمی - فرآیند : بررسی انجام واکنش های شیمیایی در رآکتورهای پلاسمای همراه پالس

اختصاصی از یارا فایل سمینار کارشناسی ارشد مهندسی شیمی - فرآیند : بررسی انجام واکنش های شیمیایی در رآکتورهای پلاسمای همراه پالس دانلود با لینک مستقیم و پرسرعت .

فرمت فایل : word(قابل ویرایش)

تعداد صفحات:114

فهرست مطالب:
عنوان مطالب      شماره صفحه  
                                                                                                         
فهرست      ه  
چکیده فارسی      ی  
مقدمه      ۱  
فصل اول : کلیات      ۵  
۱-۱) هدف      ۶  
۱-۲)پیشینه تحقیق      ۶  
۱-۳)روش کار و تحقیق      ۷  
فصل دوم : پالس      ۸  
۲-۱) پالس و تعریف آن      ۹  
۲-۲) تغییرات پالس      ۱۰  
۲-۳) پلاسمای پالسی      ۲۵  
فصل سوم : رآکتورهای پلاسمای پالسی      ۳۱  
۳-۱) کاربرد رآکتورهای پلاسمای پالسی      ۳۲  
۳-۲) شرایط عملیاتی      ۶۹  
۳-۳) مدل سازی،شبیه سازی و مکانیزم ها      ۷۲  
فصل چهارم : مقایسه      ۷۶  
۴-۱) مقایسه رآکتورهای پلاسمای پالسی و پیوسته      ۷۷  
۴-۲) محاسن و معایب      ۷۸  
۴-۳) مقایسه کاربردی رآکتورهای پالسی و پیوسته پلاسما      ۷۹  
 فصل پنجم : نتیجه گیری و پیشنهاد      ۸۰  
81    ۵-۱) رآکتورهای پلاسمای پالسی:گذشته،حال،آینده
82    ۵-۲) کارهای انجام نشده
۵-۳) رآکتورهای پلاسمای پالسی در راه صنعتی شدن      ٨٤  
90    ۵-۴) رآکتورهای پلاسمای پالسی در ایران
91    ۵-۵) کار آینده
92    منابع و ماخذ
چکیده لاتین      ١٠٣  
ه
 
  فهرست جداول  
    عنوان       شماره صفحه  
                                                                                                           
  ۱۹    ۲-۱) تابع پاسخ انواع مدارات RC به انواع پالس   
  ۳۶    ۳-۱) مقایسه چند روش پلاسمایی برای تبدیل متان   
۳-۲) مقایسه چند روش پلاسمایی برای تولید گاز سنتز و تبدیل متان با توجه به ورودی و نوع
  ۴۴    محصول  
  ۴۵    ۳-۳) مقایسه چند روش برای تبدیل متان با توجه به خوراک و میزان گزینش پذیری محصولات  
۳-۴) مقایسه روش های پلاسمای گرمایی(آرک)،اکسیداسیون جزیی(POC) و پلاسمای پالسی
  ۴۶    فرکانس بالا  
۵-۱) میزان گازهای آلاینده ورودی و خروجی از رآکتور کرونا پالسی سنعتی ساخت دانشگاه
  ۸۷    آیندهوون  
۵-۲) مشخصات چند رآکتور پلاسمای DC از شرکت Nitrion GmbH
  ۸۹     Nitrierbetriebe Bayern
 

 
 فهرست اشکال  
    عنوان       شماره صفحه  
      
  ۱۱    ۲-۱) یک مدار بالا گذر RC  
  ۱۱    ۲-۲) ورودی پالس پله ای و پاسخ مدار RC بالا گذر  
  ۱۲    ۲-۳) پالس مربعی ایده آل  
  ۱۲    ۲-۴) پالس پله ای با دامنه E برای t>0
  ۱۳    ۲-۵) پالس پله ای با دامنه –E برای t>tp
  ۱۴    ۲-۶)  جواب مدار RC بالا گذر به پالس مربعی در حالتی که tp>t
  ۱۵    ۲-۷)  ورودی نمایی و پاسخ مدار به آن  
  ۱۶    ۲-۸) پاسخ مدار RC پایین گذر به پالس پله ای  
  ۱۷    ۲-۹) پاسخ عمومی مدار RC پایین گذر به پالس مربعی  
  ۱۸    ۲-۱۰) پاسخ مدار پایین گذر به پالس نمایی به ازای مقادیر مختلف n
  ۲۰    ۲-۱۱) پاسخ مدار RL بالا گذر به ورودی پالس پله ای  
  ۲۱    ۲-۱۲) یک مدار RLC
                                                                                                        
۲-۱۳) پاسخ مدارRLC به ازای  2>R خط پر و R=2 L نقطه چین      ۲۲  
C
۲-۱۴) پاسخ مدارRLC به ورودی پله به ازایR<2 CL       ۲۳  
  ۲۴    ۲-۱۵) پاسخ مدارغیر خطی به یک پالس مربعی  
  ۲۶    ۲-۱۶) یک سیستم تولید پلاسما از نوع کرونا  
  ۲۷    ۲-۱۷) یک مدار ایجاد کننده پالس و رآکتور  
  ۲۷    ۲-۱۸) دیاگرام یک رآکتور پلاسمای پالسی که برای حذف فنول به کار گرفته شده است  
  ۲۸    ۲-۱۹) تصویر شماتیک یک راکتور پلاسمای رادیوفرکانسی چرخان و بدون الکترود  
  ۳۵
      ۳-۱) تاثیر جنس کاتد بر روی تبدیل متان و گزینش پذیری محصولات  
  ۳۷    ۳-۲) تبدیل متان و دی اکسید کربن در فرکانس پالس مختلف  
  ۳۸    ۳-۳) تاثیر ولتاژ بر تبدیل دی اکسید کربن و متان و راندمان  
  ۳۹    ۳-۴) تغییرات تبدیل و بازدهی در برابر نسبت مولی در ولتاژ ۱۱۰ کیلوولت  
  ۳۹    ۳-۵) گزینش پذیری گاز سنتز و سایر هیدروکربن ها در برابر نسبت مولی  
  ۴۰    ۳-۶) وابسته گی گاز سنتز به میزان تبدیل خوراک  
ز
  ۴۰    ۳-۷) میزان تبدیل متان و دی اکسید کربن و بازدهی انرژی نسبت به شدت جریان  
  ۴۱    ۳-۸) تاثیر سرعت تکرار پالس بر تبدیل متان  
  ۴۱    ۳-۹) تاثیر سرعت پالس در تبدیل و تولید مواد مختلف  
  ۴۱    ۳-۱۰) تغییرات بازدهی انرژی نسبت به زمان اقامت  
  ۴۲    ۳-۱۱) تبدیل متان نسبت به فرکانس پالس در دمای اتاق  
  ۴۳    ۳-۱۲) تبدیل متان نسبت به فرکانس پالس در دمای ۵۰۰ درجه سانتیگراد  
  ۴۳    ۳-۱۳) گزینش پذیری هریک از محصولات تبدیل متان نسبت به فرکانس پالس در دمای اتاق  
۳-۱۴) گزینش پذیری هر یک از محصولات تبدیل متان نسبت به فرکانس پالس در دمای ۵۰۰
  ۴۴    درجه سانتیگراد  
  ۴۷    ۳-۱۵) گزینش پذیری محصولات تبدیل متان نسبت به فرکانس پالس  
  ۴۷    ۳-۱۶) میزان تبدیل نسبت به شدت جریان  
  ۴۸    ۳-۱۷) تاثیر فرکانس پالس بر پارامترهای مختلف  
  ۴۸    ۳-۱۸) گزینش پذیری محصولات تبدیل متان نسبت به شدت جریان  
  ۵۰    ۳-۱۹) سرعت تولید هیدروژن در فرآیند تبدیل ایزواکتان در فرکانس های پالس مختلف  
۳-۲۰) سرعت تولید هیدروژن در فرآیند تبدیل ایزواکتان در فرکانس های مختلف و کاتالیزورهای
  ۵۰    گوناگون  
  ۵۳    ۳-۲۱) تبدیل سولفید هیدروژن نسبت به جز مولی در چهار گاز آرگون،نیتروژن،هلیوم و هیدروژن  
  ۵۴    ۳-۲۲) تاثیر فشار گاز بر ولتاژ شکست در گازها مختلف  
  ۵۴    ۳-۲۳) مقایسه نانوکریستال های الماس ایجاد شده در یک رآکتور پیوسته با پالس  
  ۵۷    ۳-۲۴) میزان حذف فنول نسبت به زمان عملیات  
  ۵۸    ۳-۲۵) پروفیل غلظت محوری برای حذف فنول در یک بیو رآکتور پالسی  
  ۵۹    ۳-۲۶) میزان حذف فنول نسبت به فرکانس  
  ۵۹    ۳-۲۷) میزان حذف ۴-کلروفنول به واحد زمان  
  ۶۱    ۳-۲۸) تاثیر حباب های گاز در حذف فنول و تشکیل هیدروژن پراکساید در یک محیط خنثا  
  ۶۳    ۳-۲۹) مقایسه نتایج تجربی و مدلسازی برای حذف اکسیدهای نیتروژن  
  ۶۴    ۳-۳۰) حذف استونیتریل در سه حالت کاتالیزور/کاتالیزور-پلاسما/پلاسما  
  ۶۵    ۳-۳۱) نمایش حذف مخلوط اتیلن/اکسید نیتروژن در سه حالت کاتالیزور/کاتالیزور-پلاسما/پلاسما  
  ۶۵    ۳-۳۲) میزان حذف تولوئن نسبت به درجه حرارت در سه حالت کاتالیزور/پلاسما/کاتالیزور-پلاسما  
۳-۳۳) در توان ۵۰ وات(شکل چپ) طول نانوذرات کربنی در رآکتور رادیوفرکانسی بیشتر از روش
  ۷۰    PECVD پالسی است.  
  ۷۳    ۳-۳۴) پروفیل تجزیه آنیلین  
۵-۱) نمایی از رآکتور قابل حمل پلاسمای پالسی ساخته انیستیتو درکسل برای حذف ترکیبات
  ۸۴    فرار ارگانیک در مقیاس پایلوت  
  ۸۵    ۵-۲) تصویر شماتیک رآکتور پلاسمای پالس انستیتو پلاسما درکسل در مرحله پایلوت  
۵-۳) شکل رآکتور کرونا به کار رفته توسط دپارتمان تکنولوژی محیط زیست کره جنوبی برای
  ۸۶    حذف اکسیدهای گوگرد و نیتروژن  
      ۵-۴) دیاگرام شماتیک رآکتور پلاسمای پالسی HANJUNG در مرحله پایلوت برای حذف  
ح
  ۸۶    اکسیدهای گوگرد و نیتروژن ناشی از احتراق  
۵-۵) میزان حذف دی اکسید گوگرد(با رنگ قرمز-روشن) میزان حذف آمونیاک گاز همراه دی
  ۸۶    اکسید گوگرد طی فرآیند(رنگ مشکی-تیره) مربوط به طرح پایلوت HANJUNG
۵-۶) دیاگرام یک رآکتور پلاسمای پالسی از نوع کرونا برای حذف اکسیدهای گوگردی،نیتروژنی و
  ۸۷    سایر آلاینده های بد بو و باکتریایی.در مقیاس صنعتی توسط دانشگاه آیندهوون  
  ۸۸    ۵-۷) میزان حذف آلاینده ها در واحد زمان در رآکتور صنعتی کرونا پالسی مورد استفاده انستیتو
 
 
      تحقیقات محیط زیست پوهانگ  
۵-۸) تصویر شماتیک رآکتور صنعتی به کار گرفته شده توسط انستیتو تحقیقات محیط زیست
  ۸۸    پوهانگ  
 
   
 
 
 

چکیده:  
رآکتورهای پلاسما یک روش مناسب برای دستیابی به بازدهی و نتایج مناسب در شرایط عملیاتی ساده و در نتیجه ارزان تر- نسبت به روشهای حرارتی مرسوم-  می باشند. در این میان رآکتورهای کرونا پالسی با شرایط عملیاتی سهل الوصول مانند دمای اتاق  و فشار اتمسفریک و بازدهی انرژی بالا(در شرایطی خاص بالاتر از رآکتورهای دیگر) و گستره ی متنوع کاربرد جایگاه ویژه ای دارند. چه در بیشتر فرآیندهای موجود یعنی تبدیل مواد و تولید مواد ارزشمندتر، فعالیت های زیست محیطی مانند حذف آلاینده های آب و هوا می توان این رآکتورها را به کار گرفت.  
افزایش فرکانس پالس نتیجه ای مثبت در بهبود بازدهی این رآکتورها دارد. در کنار آن تنظیم سایر پارامترهای سیستم مانند شدت جریان، ولتاژ و استفاده از گاز همراه مناسب در داخل رآکتور بسته به نوع عملیات، از عواملی هستند که در طراحی این رآکتورهای باید در نظر گرفته شود.  
با توجه به نتایج موجود، استفاده از دی اکسید کربن به همراه متان در رفرمینگ متان، اکسیژن و اوزون برای حذف فنول و سایر ترکیبات ارگانیک در فرآیندهای حذف آلاینده ها و نیتروژن برای حذف اکسیدهای نیتروژن NOX  در داخل رآکتور پلاسمای پالسی مناسب می باشد.  
حرکت این دسته از رآکتورها به سمت صنعتی شدن آغاز شده و با توجه به ویژه گی های بارز و منحصر به فرد آن شتاب قابل توجهی نیز گرفته است. در حال حاضر بیشتر طرح های پایلوت و صنعتی پلاسمای پالسی مربوط به حذف آلاینده ها می باشد.  

 
مقدمه:  
واژه پلاسما که تا دیروز معرف حالت چهارم ماده بود، خیلی زود توانست مبدل به نامی فراگیر در صنایع درگیر با فرزندان علوم پایه یعنی رشته های مهندسی و پزشکی شود. به طوری که امروزه حتا بیشتر تحقیقات فیزیکدانان پلاسما نه درباره  ماهیت آن که در جهت گسترش روشهایی است که نتیجه ی آن در حوزه های کاربردی این علم کارساز می شود. به این ترتیب امروزه کمتر شاخه ای از مهندسی را میتوان پیدا نمود که فرآیندهای پلاسمایی در آن کاربرد نداشته باشند.  
در این میان مهندسی شیمی با شاخه های گسترده و انشعاب هـای فـراوانش کـه تـامیانه ی سایر رشته ها پیش رفته است، شاید به نوعی بیشتر از باقی علوم مهندسـیبا انواع کاربردی پلاسما سروکار داشته باشد.   
سنتز و تولید مواد مورد نیاز از مواد اولیه، حذف آلاینده هـا و کوشـش بـرای حفـظمحیط زیست و اکوسیستم، پلیمریزاسیون، پوشـش دهـی سـطوح و حتـا فرآینـدهایانجام شونده  در مقیاس نانوتکنولوژی که بعـضا در ایـن رشـته انجـام و بررسـی مـیشوند، به کار بستن متدهای نوین عملیاتی با کیفیـت کـار و بـازدهی بـالاتر، هزینـه تمام شده مناسب تر و ایجاد محصولات واسط کمتر و در نتیجـه جلـوگیری از آلـودهگی و ضایعات کمتر را ایجاب می کند.  
استفاده از یک محیط پلاسمایی در داخل رآکتورها بـه جـای عملیـات و فرآینـدهایکلاسیک همچون استفاده از مبدل، بویلرها و سایر روشهایی کـه بـا تولیـد و انتقـالانرژی، دستیابی به انرژی اکتیواسیون مورد نیاز بـرای حرکـت سیـستم شـیمیایی رافرآهم می آورد، ایده ایست که نه تنها دیگر نو نمی باشد کـه انـدک انـدک بـه یـکروش مهم و قابل قبول تبدیل شده است و حتا شـگفت آور نیـست اگـر روزی  جـایروشهای قدیمی را گرفته و یا در کنار آن ها به کار گرفته شود.  
ایجاد پلاسما به کمک یک حالتی از جریان که به صـورت پـالس هـایی از انـرژی درکسری از ثانیه به سیستم داده شـود، پیـشرفت دیگـری اسـت کـه امـروزه بـه دلیـلسودمندی های فراوان مورد توجه قرار گرفته است و توا نسته با اتکا بـه نتـایج بهتـرخود گوی برتری را در بیشتر زمینه ها از پلاسماهای پیوسته برباید.  
در  این جا رآکتورها و شبه رآکتورهایی(سیستم هایی که اگرچـه رآکتـور بـه معنـایکلاسیک نیستند ولی در آن ها واکنش رخ می دهـد.) را کـه بـا اسـتفاده از تکنیـکپالس در آن ها حالت پلاسما ایجاد شده و با استفاده از آن واکنش انجـام و هـدایتخواهد شد ، بررسی نمـوده و ضـمن مقایـسه ی انـواع آن بـا یکـدیگر، شـرایط کـار ومزایای هریک را مشخص کرده و کاربرد هرکدام را با توجه به نقاط ضعف و قـوت آنبیان و انتخاب نماییم.
 
رآکتورهایی را که به صورت پلاسمای پالسی عمل می کنند را می توان در انواع زیـرطبقه بندی نمود:  
•    رآکتورهای با تخلیه کرونا:
یکی از ساده ترین روش های تخلیه که یک رسانا در نقش الکترود با حضور در یـکمیدان الکتریکی با یونیزه نمودن اتـم هـا و ایجـاد ذرات فعـال سـبب ایجـاد تخلیـهالکتریکی می شود تخلیه کرونا می باشد.  
تخلیه کرونا یک روش ساده و کم هزینه و در عین حال مفید و با بـازدهی بـالا مـیباشد که مورد توجه محققان می باشد.الکترودهای به کار رفته برای ایجاد پلاسـمایکرونا می تواند اشکال مختلفی داشته باشد که تعیـین کننـده ی شـکل رآکتـور مـیباشد مثلا:نقطه- صفحه ، نقطه- نقطه و یا سیم- لوله[۳].  
•    رآکتورهای با تخلیه تابشی:
     در این روش با اعمال یک اختلاف پتانسیل التریکـی بـین دو الکتـرود رسـانا درحالت وکیوم، تخلیه الکتریکی رخ می دهد[۴].  
•    رآکتور با تخلیه مانع دی الکتریکی:
Dielectric Barrier Discharge (DBD)  در این روش تخلیه الکتریکی میان دو الکترود که با یک مانع دی الکتریکـی از هـمجدا شده اند صورت می گیرد و به آن تخلیه تولید اوزون نیز گفته می شود.  
طریقه عمل این تخلیه به این صورت است که یک ولتاژ (اخـتلاف پتانـسیل) بـالا ازنوع متناوب به سیستم داده می شود. در این جا انواعی از الکترودها را می تـوان بـهکار گرفت مثلا دو صفحه مسطح موازی که میان آن ها مانع دی الکتریک قرار گرفته است.یا یک استوانه کواکسیال که یک تیوب دی الکتریـک در میـان دو اسـتوانه هـممحور وجود دارد[۴].  
در این سمینار این نوع تخلیه را گاه به اختصار تخلیه دی الکتریکی نیز گفته ایم.  
•    رآکتور با تخلیه به کمک فرکانس های رادیویی:
امواج رادیویی سرعتی میـان ۳ هرتـز تـا ۳۰ گیگـاهرتز دارنـد. ایـن  مقـدار برابـر بـافرکانس سیگنال های جریان متناوب است که برای تولید امواج رادیویی به کار مـیرود.  
در رآکتورهای این گروه، الکترودها تحت تاثیر جریان متناوب قرار دارند و بـا توجـهبه فرکانس رادیویی به کار رفته، متناوبا آند و کاتد می شوند ودر هر نیم دوره پیشاز یک پریود، ولتاژ از مقدار ولتاژ شکست بالاتر رفته و تخلیه صورت می گیرد.  
همان گونه که دیده می شود انرژی مورد نیاز منبع جریان متناوب اسـت کـه پـالسهای آن سبب پالسی شدن سیستم می گردد.
فرکانس مورد استفاده رآکتورهای رادیو فرکانسی در اغلب فرآیندها ۵۶,۱۳مگـاهرتزمی باشد. در این فرکانس می توان بدون قرار دادن الکترود درون رآکتور انرژی را به پلاسما منتقل نمود. به همین دلیل گاه این رآکتورها را رآکتورهـای بـدون الکتـرودمی گویند.  
•    رآکتورهای میکروویو:
میکروویو ها که از امواج الکترومغناطیسی هستند، روش عملی مشابه رادیوفرکانـسیدر تول ید پلاسما دارند. تفاوت این دو نوع پلاسما تنهـا در منبـع تغذیـه آن هـا مـیباشد. برای پلاسمای میکروویو از فرکانسی حدود۵۴,۲ گیگاهرتز استفاده مـی شـود.
به همین دلیـل دامنـه ی فرکـانس الکتـرون هـا کوچـک مـی شـود و پایـداری ایـنپلاسماها در مقایسه با رادیو فرکانسی کاهش می یابد.  
•    تجزیه بخاری شیمیایی بهبود یافته به کمک پلاسما:
 Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD)
CVD یا تجزیه بخاری شیمیایی، روشی سودمند برای عملیات سطحی مانند پوشش دهی است. در این روش سوبسترا به چند ماده فرار بخار می شود و این بخارات در مرحله ی بعدی برروی سطح مورد نظر نشسته و پوشش مطلوب را ایجاد می کنند.  
حال می توان این روش را در یک محیط پلاسـمایی اجـرا کـرد بـه ایـن صـورت کـهپلاسما با ایجاد رادیکال ها، یون ها و سایر ذرات فرار امکان تجزیه ی ویفر سوبسترا به کار رفته را ایجاد می نمایند. در این حالت دیگر نیازی بـه حـرارت و سـایر روشهای مرسوم جهت تجزیه ی سوبسترا نیست بل که در یک درجه حرارت کم می توانفرآیند را اجرا نمود[۵].  
•    تزریق پالسی تجزیه ی بخاری متال ارگانیکی:
Pulsed Injection Metal Organic Chemical Vapor Deposition
 (PIMOCVD)
MOCVD   حالتی ازCVD  می باشد که در آن عمل پوشش دهی به کمـک مـوادمتال ارگانیک صورت می گیرد. می توان این فرآیند را با یک پلاسمای پالسی انجـامداد تا ضمن بهبود نتایج شرایط عملیاتی نیز آسان شود.  
•    تجزیه ی بخاری شیمیایی به کمک میکروویو:
Microwave Plasma Assisted-CVD در این روش، فرآیندCVD  به کمک پلاسمای میکروویو انجام می پذیرد.  
       پلاسمای پالسی از آن جا که یک روش غیرتعادلی (یا غیرگرمایی ) مـی باشـدمشکلات پلاسمای تعادلی از قبیل انرژی بـالای موردنیـاز، شـرایط ایمنـی و کنترلـیخاص و هزینه های بالای انرژی را ندارد و در عین حال از بازدهی بـالایی برخـورداراست.
مطالعات فراوانی در حال حاضر در مراکز تحقیقاتی دنیا در جریان است تا با بررسیجوانب این روش پیشرفت به سوی کاربرد بهتر آن را ممکن سازد.  
در ادامه می خواهیم نگاهی به جزئیات این بررسی ها بیندازیم.