Atmosferik basınçta çalışan endüstriyel ac corona/dbd plazma reaktörlerinin tasarımı ve üretimi
The design and manufacturing of industrial ac corona/dbd plasma reactors operating under atmospheric pressure
Yazar: ÖZGE YÜKSEL ORHAN
Danışman: PROF. DR. ABDURRAHMAN TANYOLAÇ ; YRD. DOÇ. DR. İSMAİL CENGİZ KOÇUM
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, Design Expert 6.0 programıyla tasarlanan farklı boyutlardaki 15 adet soğuk plazma reaktöründe atmosferik basınçta ozon üretimini etkileyen tasarım ve çalışma parametreleri incelenmiştir. Her bir reaktör sıcaklık ve basıncı ölçülen farklı akış hızlarındaki saf oksijen ve hava akımında elektrotlara uygulanan farklı gerilim ve frekans değerlerinde, dolgusuz, dolgulu, pulslu ve asal gaz varlığında çalıştırılarak sistemin maksimum amaç fonksiyonları olan ozon derişimi (ppmv), ozon üretim hızı (g O3/saat) ve özgül ozon verimi (g O3/Kw.saat) için sınanmıştır.

Yapılan deneylerde, 1 mm elektrot aralığına sahip reaktör hava ve oksijen beslemesinde en yüksek ozon üretim performansını göstermiş; 1.3 L/dak oksijen akış hızında 45844 ppmv ozon derişimine ulaşmış ve 6 L/dak oksijen akış hızında
18.5 g/saat ozon üretebilmiştir. Sistemden hava geçirilerek yapılan deneylerde, reaktör 2 L/dak hava akış hızında hızında 10146 ppmv ozon derişimine ulaşmış ve 20 L/dak hava akış hızında 11.5 g/saat ozon üretebilmiştir. Bu değerler literatürde gözlenen ve ülkemizde üretilen endüstriyel ürünlerin ozon üretim miktarlarının üzerindedir. Oksijen ve hava beslemesi için işletim parametrelerinin (gerilim, frekans, gaz akış hızı, sarım sıklığı) amaç fonksiyonları üzerinde etkileri Design Expert 6.0 programından elde edilen 3 boyutlu yüzey grafikleriyle incelenmiştir.

Dielektrik dolgu materyalinin sağladığı avantaj ve verim üstünlüğü 1, 2 ve 3 mm çaplı küresel Pyrex boncuklarla elektrot aralık değerlerine uygun olarak seçilen reaktörlere uygulanmıştır. Her reaktör için farklı optimum cam boncuk çapı mevcut olup, çoğunlukla en yüksek boşluk kesrini sağlayan dolgu malzemesi amaç fonksiyonlarda en iyi artışlara neden olmuştur.


1
 
Çalışmada, asal ve inert gaz karışımlarının plazma oluşumuna etkileri de incelenmiştir. Deşarj gazı cinsinin, oluşan plazmanın kararlılığını belirlediği net olarak anlaşılmıştır. Argon gazı ile en verimli ozon üretim performansını gösteren 1 mm aralık mesafesine sahip reaktör ile hava ve oksijen kullanılarak deneyler yapılmıştır. Özgül ozon verimi değerlerinde iyileşme gözlenmesine rağmen ozon üretim hızlarında ve derişiminde artışların literatürde belirtildiği oranda gözlenmemesi, argon gazının maliyeti ve işletim zorlukları nedeniyle avantajının olmadığı anlaşılmıştır.

Son olarak ozon üretim performansına puls etkisi araştırılmıştır. Bu amaç doğrultusunda farklı hava ve oksijen akış hızlarında, maksimum  amaç fonksiyonları değerlerini sağlayan kaynak geriliminde ve rezonans frekansında yüksek performanslı iki reaktöre puls uygulanarak ideal puls sayısı saptanmıştır. Reaktöre puls uygulandığında ozon derişiminde ve ozon üretim hızında kararlı bir değişim gözlenemezken özgül ozon veriminde sürekli bir artış görülmüştür.

Bu çalışmanın özgün değeri bilimsel olarak atmosferik soğuk plazma reaktörlerinin patent kapsamında bile açıklanmayan tasarım ve çalışma parametrelerinin saptanarak etkilerinin araştırılması, özellikle iyonlaşma verimi üzerine doğrudan etkili olan puls sıklığı ve frekans aralığının özel tasarlanan yüksek performanslı güç kaynağı ile gerçekleştirilmesidir. Üretilecek bu yerli teknoloji ürünü cihaz ülkemizin orta kapasitede endüstriyel gereksinimlerini karşılayabilecek ve ithal ikamesini ortadan kaldıracaktır.

Abstract:
In this study, 15 atmospheric cold plasma reactors with different dimensions were designed by Design Expert 6.0 package program. The design and operating parameters affecting the production of ozone under atmospheric pressure were investigated. Each reactor, with varying pure oxygen and air flow rates of measured temperature and pressure at different voltage and frequency values applied to the electrodes, were tried to navigate maximum objective functions of ozone concentration (ppmv), ozone production rate (g O3/h) and specific ozone efficiency (g O3/Kw.h) with and without pellets, with pulse and with noble gas addition.

Among reactors, the one with 1mm gap showed the maximum ozone production performance with air and oxygen gas feed. This reactor reached 45844 ppmv ozone concentration and produced 18.5 g/h ozone at 1.3 L/min. and 6 L/min oxygen flow rates, respectively, while 10146 ppmv ozone concentration and 11.5 g/h ozone production rate were realized with the same reactor at 2 L/min and 20 L/min. air flow rates, respectively. These performance values are above those of literature and the capacity of industrial ozone generators produced in our country. The effects of operational parameters (voltage, frequency, gas flow rate, coil wrapping gap) on objective functions for oxygen and air gas feeds were examined with 3-D graphics of Design Expert 6.0 program.

The advantage and the yield superiority of dielectric filling material were applied to the appropriate reactors with Pyrex beads of 1, 2 and 3 mm diameter. There were different optimum sizes of glass bead diameters for each reactor; generally the filling material providing maximum void fraction realized the best performance increment in objective functions.


111
 
The effects of noble and inert gas addition to feed gas on plasma formation were also investigated. It was clearly understood that the composition of discharge gas determined the plasma stability. The runs were carried out with the most productive ozone generator, 1 mm gap reactor, using air and oxygen with Argon gas bleed. Although some improvement in the values of the specific ozone yields were achieved, no increase either in ozone production rate or in ozone concentration were observed as opposed to literature, proving the disadvantage of Argon with its cost and operational difficulties.

Finally, the effect of the pulse on ozone production performance was investigated. In this respect, with different oxygen and air feed rates at optimum source voltage and resonance frequency meeting maximum objective function values, the ideal pulse frequency values were determined for two productive reactors of high efficiency. Application of the pulse to the reactors could not establish any stable change in ozone concentration and ozone production, while a continuous increase in specific ozone efficiency was observed.

The originality of the study is the determination and effect of design and working parameters of atmospheric cold plasma reactors, not explained in the scope of patents, and to obtain pulse and frequency range effective on ionization yield using specially designed high performance power supply. The developed technology and the product generator will satisfy the need of our country and will eventually substitute the import outsource.