Plasma de microondas sin equilibrio para una química eficiente a altas temperaturas

El objetivo general de este experimento es convertir o activar moléculas estables como el dióxido de carbono, el nitrógeno, el metano o el agua con un reactor de plasma de microondas. Este método se puede utilizar para medir la energía y la eficiencia convergente del reactor de plasma de microondas. Estas mediciones se pueden utilizar para optimizar las condiciones del reactor y mejorar la eficiencia.

La principal ventaja del reactor de flujo de plasma es que los tiempos de inicio para impulsar procesos químicos continuos están en la escala de tiempo de segundos. La naturaleza de equilibrio térmico del microrreactor permite eficiencias por encima del límite de equilibrio termodinámico del 55%, que es la eficiencia más alta que se puede lograr con la conversión térmica estándar. Para comenzar a configurar el sistema de plasma de microondas, conecte un magnetrón de un kilovatio a un aislador de energía con una carga de agua adjunta.

Conecte el aislador a un sintonizador de tres muñones. Coloque un aplicador de microondas en el sintonizador, coloque un cortocircuito deslizante hacia la apertura de 24 milímetros hasta el final de la guía de ondas. Inserte un tubo de cable en el aplicador y conecte el tubo a las bridas kf y de vacío y a una entrada de gas diez suaves.

Conecte al tubo, una válvula de mariposa en serie con una bomba de vacío. Conecte una válvula de acceso directo en paralelo a la válvula de mariposa para cambiar entre presiones bajas y altas. La válvula de acceso directo se puede usar para ir a baja presión para el encendido por plasma sin cambiar la configuración del acelerador.

Conecte la fuente de dióxido de carbono a la entrada de gas a través de un controlador de flujo másico. Luego, encienda el sistema de enfriamiento de agua con magnetrón. Asegúrese de que el monitor de radiación y el detector de gas estén colocados alrededor del conjunto de plasma de microondas.

Verifique que las condiciones del reactor sean adecuadas para la ignición por plasma, luego, aumente manualmente el nivel de potencia de la fuente hasta que el plasma se encienda. Ajuste el sintonizador de tres muñones para minimizar la potencia reflejada. A continuación, apague el plasma.

A continuación, monte un láser de 532 nanómetros con el haz dirigido a lo largo del tubo del cable. Montaje de ventanas cerveceras o antirreflectantes revestidas para 532 nanómetros en la entrada y salida del tubo. Alinee el láser y construya el volcado de haz al final de la configuración de vacío.

Enfoque el láser hacia el centro de la guía de onda, luego, presurice el reactor con gas CO2 a una presión más alta que la que se utilizará en la medición. Si se produce una avería del láser, disminuya la potencia del láser. Instale deflectores en los tubos de vacío, monte una lente en línea con una apertura de 24 milímetros en el culotte deslizante y enfoque la luz recolectada en una fibra óptica de 400 micrómetros de diámetro.

Utilice la fibra para dirigir la luz a la rendija de entrada de un espectrómetro personalizado y mida la intensidad de la luz dispersa. Repita la medición sobre una serie de presiones decrecientes y verifique que la relación entre la intensidad de la presión sea lineal. Ajuste el espectrómetro para maximizar las intensidades medidas.

Conecte la celda en serie con el escape de gas y monte la ventana de fluoruro de calcio en cada extremo de la celda. Coloque la celda en una cámara de muestra de un espectrómetro FTIR con las ventanas de fluoruro de calcio en línea con el haz IR. Utilice una longitud de tubo suficiente para garantizar que el gas en la celda esté en equilibrio químico.

Ajuste la ganancia de la señal FTIR, hasta que la intensidad esté lo más cerca posible del máximo sin excederlo. Obtenga una vista previa del gramo interferídico, luego cierre el flujo de gas y evacúe la celda. Adquirir un espectro de fondo.

Luego, presurice el sistema con gas CO2 hasta aproximadamente un milibar y encienda el plasma. Adquiera un espectro en un rango de 2.400 a 2.000 centímetros recíprocos utilizando 10 promedios. Determine la fracción de volumen de monóxido de carbono, utilizando la base de datos HITRAN para ajustar las líneas de CL medidas.

Al ajustar los espectros, tenga cuidado de que la función del instrumento se aplique al espectro de transmisión, no al espectro absorbente. Incluya una instancia de presión de CO, brolina por CO2, incluido solo el autoensanchamiento puede resultar en errores de hasta el 20%Para realizar mediciones NC2 FTIR, coloque un tubo de zafiro en una guía de onda con un sistema de vacío alineado verticalmente. Coloque un espectrómetro FTIR de modo que la guía de onda se fije en la cámara de muestras y cubra las paredes de la cámara con material absorbente de microondas.

Configure el FTIR para usar al menos 100 promedios para mitigar las fluctuaciones en el plasma. Adquiere un espectro en un rango de 2.400 a 1.800 en centímetros versos. Corrija los espectros de la absorción de zafiro dependiente de la temperatura antes del análisis.

Se encontró que la conversión de CO aumenta linealmente con la entrada de potencia en un rango de presiones a un caudal fijo de 14 SLM. La relación lineal disminuyó a presiones más altas, se encontró que el plasma convierte el CO2 en CO con una eficiencia energética de hasta el 49%, que es comparable a la eficiencia termodinámica máxima. La conversión de CO aumentó linealmente con la energía específica a aproximadamente 2,2 electronvoltios por molécula.

La concentración de CO se midió mediante espectroscopía de absorción IR del escape de gas. Se aplicó un ajuste de mínimos cuadrados a los datos FTIR, lo que resultó en una conversión calculada del 14,7% a 299,36 Kelvin, la temperatura del gas del centro de plasma, se determinó a partir de las mediciones de dispersión de NC2 Rayleigh, tomadas a varias potencias y presiones. El efecto de la recolección de Thomson se calculó como insignificante en función de las secciones transversales diferenciales para la reunión de Rayleigh y Thomson y el grado de ionización predicho.

Las mediciones FTIR de NC2 se tomaron en condiciones en las que la producción de CO era insignificante y se reutilizaron para investigar la dinámica del plasma de CO2, se aplicó un modelo basado en la interfaz de programación de alta implicación de tendencia, para determinar las temperaturas vibracionales correspondientes a los modos normales vibracionales. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo operar un microrreactor de flujo y cómo analizar los productos que se formaron. El reactor de plasma fluido es ideal para procesar moléculas estables.

Siguiendo este procedimiento, se pueden procesar otros gases, como el agua, el nitrógeno y el metano. Para una conversión verdaderamente eficiente en no equilibrio, la temperatura debe mantenerse lo más baja posible, para evitar el enfriamiento de las moléculas excitadas vibratoriamente.