پلاسما ریفورمینگ متان و ارائه سنتیک ظاهری واکنش تجزیه حرارتی متان به هیدروژن و کربن

امروزه تولید هیدروژن به‌عنوان یکی از حامل‌های انرژی پاک مورد توجه بسیاری قرارگرفته است.  فرآیند سنتی تولید هیدروژن ریفورمینگ متان با بخار آب می‌باشد. انتشار حجم عظیمی از دی اکسید کربن و دو مرحله‌ای بودن این فرآیند از نارسایی‌های موجود در این روش است که این امر موجب توجه بیشتر محققان به تبدیل مستقیم متان به هیدروژن شده است. فن‌آوری پلاسما به‌دلیل عدم نیاز به کاتالیست، عدم حساسیت به ناخالصی‌های خوراک ورودی، حجم کم واحد عملیات، راه‌اندازی سریع و تک مرحله‌ای بودن فرآیند کاهش شگرف هزینه‌های سرمایه‌گذاری را به‌همراه داشته است و پتانسیل جایگزین شدن فن‌آوری‌های رایج کنونی را دارد. در این مقاله تولید گاز هیدروژن از متان با استفاده از راکتور پلاسمای تخلیه قوسی بررسی شده است که راکتور طراحی شده امکان بررسی تاثیر مواردی چون دوری از حالت تعادل و سرعت گاز عبوری را بر میزان درصد تبدیل متان و انتخاب‌پذیری هیدروژن و همچنین بازدهی انرژی فراهم کرده و افق جدیدی را از نقطه نظر مدل‌سازی و پدیده شناختی فرآیندهای پلاسما شیمی رقم زده است. نتایج حاصل از آزمایشات نشان می‌دهد که راکتور پلاسمای پیشنهادی منجر به بهبود بازدهی انرژی در مقایسه با نمونه‌های قبلی شده است. بازدهی تولید هیدروژن در راکتور با الکترود دیسکی 58% به‌دست آمد. محصول گازی عمدتاً هیدروژن با انتخاب‌پذیری بالای 95% است و درصد اندکی از هیدروکربن‌های اتان، اتیلن و استیلن تولید شده که قابل صرف‌نظر است. کربن جامد با اندازه ذرات متوسط nm 50-30 روی الکترودها و جداره داخلی راکتور انباشته می‌شود که شامل کربن آمورف و کربن گرافیتی است. از تفسیر ماکروسکوپیک نتایج استنباط می‌شود که انتقال جرم در میزان تبدیل متان نقش مهمی دارد. بر این اساس یک رابطه تجربی برای تابعیت ثابت سینتیک ظاهری با شدت جریان ورودی ارائه شده است.

plasma reforming of methane and the apparent kinetics of methane dissociation to hydrogen and carbon black

hydrogen as clean fuel is the main source of green energy and methane, the major part of natural gas, is the best candidate for hydrogen production due to the high h/c atomic ratio. huge amount of carbon dioxide and need for separation unit in common hydrogen production processes have led researchers to pay more attention to direct conversion of methane to hydrogen. moreover, plasma technology has led to low capital and operational costs due to no need to catalyst, no sensitivity to feed impurity, compactness, rapid start up and one step process. furthermore, it has the potential of replacing current technologies. in this thesis, production of hydrogen gas from methane using an arc discharge plasma reactor has been investigated in which the effects of degree of non-equilibrium state and gas velocity on the methane conversion, hydrogen selectivity, and energy efficiency has been investigated by the designed reactors which provide a new prospects from the plasma chemistry process modeling point of view. moreover, the experimental results show that the proposed plasma reactor leads to improved energy efficiency compared to previous design and is competitive with other reactors studied by researchers in recent years. furthermore, methane conversion in the reactor with disk electrodes was 58%. in addition, the gas product is mainly hydrogen with the selectivity of  more than 95%. also, a small percentage of ethane, ethylene and acetylene hydrocarbons are produced that is negligible. furthermore, solid carbon with particle size of 30-50 nm is deposited on the electrodes and the internal wall of the reactor, which is consisted of amorphous carbon and graphite-like structures. ultimately, the macroscopic interpretation of the results shows that mass transfer plays an important role in methane conversion. accordingly, an empirical correlation is presented for apparent kinetic reaction rate constant and its relation with flow rate.