CN113811384A - 用于二氧化碳的转化的反应器 - Google Patents

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CN113811384A CN201980092582.1A CN201980092582A CN113811384A CN 113811384 A CN113811384 A CN 113811384A CN 201980092582 A CN201980092582 A CN 201980092582A CN 113811384 A CN113811384 A CN 113811384A
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斯蒂芬妮·奥格纳
西米恩·卡瓦迪亚斯
泽维尔·迪唐
迈克尔·塔图利安
埃琳娜·加尔韦帕鲁卡
帕特里克·达科斯塔
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Sorbonne Universite
Paris Sciences et Lettres Quartier Latin
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Paris National Institute Of Chemical Engineering
University Paris Xiii Paris Nord Villetaneuse
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Abstract

本发明涉及一种用于将二氧化碳或一氧化碳转化为烃和/或醇的反应器，其包括：由导电和导热的材料制成的支撑件，支撑件形成至少一个纵向通道的一个或更多个壁，该纵向通道穿过支撑件并且还充当反应器的阴极；至少一个电极丝，其形成反应器的阳极，并且在每个纵向通道内延伸，并且布置在距纵向通道的一个或更多个壁一定距离处，每个电极丝可选地沿着电极丝在纵向通道内延伸的部分覆盖有电绝缘层；能够催化二氧化碳或一氧化碳转化为烃和/或醇的转化反应的催化剂，催化剂位于电极丝和每个纵向通道的一个或更多个壁之间。

Description

用于二氧化碳的转化的反应器
技术领域
本发明适用于二氧化碳和/或一氧化碳的转化的领域，并且更具体地涉及用于将二氧化碳和/或一氧化碳转化为烃和/或醇的反应器，以及用于使用这种反应器转化二氧化碳和/或一氧化碳的方法。
背景技术
二氧化碳在工业上大量产生，通常是以排放的形式产生。越来越需要减少二氧化碳的排放。为此，可以将二氧化碳转化为可回收的元素，例如烃和/或醇。
Gao等人[1]描述了一种用于将二氧化碳转化为烃的固定床式催化反应器。这种反应器的催化剂必须在大约350℃的温度和大于20巴的压力下使用，以便转化二氧化碳。催化剂被沉积在形成固定结构的支撑件(例如，金属格栅或硅元件)的表面上。反应气体在固定结构上方在反应器中循环，并在固定结构的表面上与催化剂反应。通过与反应器接触的热传递流体的流动来控制反应温度。然而，这种类型的反应器需要安装许多装备，以满足二氧化碳转化所需的压力和温度条件。实施这种装备会产生包括反应器的装置的高生产成本[2]。
为此，Ocampo等人[3]描述了通过在大气压下使用固定床式催化反应器将CO/CO2转化为甲烷。但是使用150h后，CO转化为碳石墨会导致产率下降50％以上。
Hoeben等人[4]描述了一种使得一氧化碳和潜在的二氧化碳能够在环境温度下甲烷化的反应器。该反应器包括由NiCr合金制成的电极和水床。高压放电被传送到电极，以在反应器中产生等离子体。该文件还规定，在不使用用于反应的催化剂的情况下，可以氢化一氧化碳和潜在的二氧化碳。
然而，该反应器仅检测到CO2甲烷化的痕迹，但未能以足够用于工业应用的速率转化CO2。该文献特别指出，通过使用具有低温等离子体的镍基催化剂，通过使用上升时间低于纳秒的电晕型脉冲放电，以及通过调节等离子体的空间和能量分布，可以获得CO2甲烷化速率的提高。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于在大气压和低温下将二氧化碳和/或一氧化碳转化为烃和/或醇的解决方案。本发明的另一目的是提出一种用于以高于现有技术中描述的速率转化二氧化碳和/或一氧化碳的解决方案。本发明的另一目的是提出一种适于所述较高的速率的用于一氧化碳和/或二氧化碳转化的反应器结构。
因此，本发明涉及一种用于将二氧化碳和/或一氧化碳转化成烃和/或醇的反应器，其包括：
-由导电和导热的材料制成的支撑件，所述支撑件形成至少一个纵向通道的一个或更多个壁，所述纵向通道穿过支撑件并且还充当反应器的阴极；
-形成反应器阳极的至少一个电极丝，每个电极丝在每个纵向通道内沿着所述纵向通道延伸，并且被布置在离所述纵向通道的所述一个或更多个壁一定距离处，每个电极丝可选地沿着电极丝的在所述纵向通道内延伸的部分被电绝缘层覆盖；
-适于催化二氧化碳或一氧化碳转化为烃和/或醇的转化反应的催化剂，所述催化剂位于电极丝与每个纵向通道的所述一个或更多个壁之间。
本发明有利地通过以下特征(单独地或者以它们的任何可能的技术组合)来完成：
-纵向通道是旋转的圆柱体，并且电极丝沿着旋转的圆柱体的旋转轴线定位；
-每个纵向通道装配有两个由电绝缘材料制成的止挡件，分别位于所述纵向通道的每个端部处，每个止挡件都是气体可渗透的并具有贯通通路，电极丝插入所述贯通通路中；
-支撑件由金属制成，特别是钢，优选不锈钢；
-纵向通道的直径小于2cm，特别是小于1cm，并且通道的长度小于20cm，特别是小于10cm，优选小于5cm；
-催化剂包含至少一种选自二氧化铈(比如介孔二氧化铈)、镍、二氧化锆、水滑石、粘土及它们的混合物的元素；
-支撑件还形成热传递流体的流动通道，以及在热传递流体的流动通道中的至少一个障碍物，优选为柱，每个障碍物包括单个纵向通道，热传递流体的流动通道和所述纵向通道通过支撑件分隔开；
-反应器包括根据网结构的平面的纵向通道的二维网结构，优选纵向通道的六边形网结构，纵向通道相互平行并垂直于网结构的平面；
-所述网结构具有限定网格表面的网格，并且支撑件的形式适于使得在平行于网结构的平面且以第一圆柱体的旋转轴线为中心的平面内的网格表面上测量的流动中的热传递流体的平均速度是在平行于网结构的平面且以邻近第一圆柱体的第二圆柱体的旋转轴线为中心的平面内的网格表面上的热传递流体的平均速度的0.5至1.5倍。
本发明的另一目的是一种用于将二氧化碳和/或一氧化碳转化成烃和/或醇的装置，其包括具有主流动轴线的导管，该导管包括根据本发明的至少一个实施例的至少一个反应器，优选根据本发明的至少一个实施例的多个反应器，所述反应器沿着导管的至少一部分定位，每个反应器的每个支撑件主要根据垂直于导管的主流动轴线的截面的至少一部分延伸，支撑件形成并定位在导管中，使得纵向通道平行于导管的主流动轴线。
有利地，导管具有流体输入部和流体输出部，并且还包括：
-气体扩散器，其包括二氧化碳或一氧化碳和氢气，其连接到所述流体输入部；以及
-至少一个冷凝器，其连接到所述流体输出部，并适于冷凝水和烃中的至少一种元素。
本发明的另一目的是一种用于转化二氧化碳和/或一氧化碳的方法，包括以下步骤：
(a)提供根据本发明的实施例的反应器；
(b)将包含二氧化碳和/或一氧化碳以及二氢的气体注入到反应器的一个或更多个纵向通道中；
(c)在用作阴极的支撑件和用作阳极的一个或更多个电极丝之间施加电势，该电势适于在所述一个或更多个纵向通道的在电极丝和各个纵向通道的所述一个或更多个壁之间的体积中产生等离子体。
有利地，该方法还包括步骤(d)，用于控制反应器内部的温度在150℃和300℃之间，优选在250℃和300℃之间。温度的控制步骤(d)包括例如热传递流体的注入，或者热传递流体在根据本发明的实施例的反应器的流动通道中的环形循环。
有利地，在步骤(c)中施加的电势具有1MHz和20MHz之间的频率。
附图说明
本发明的其他特征、目的和优点将从下面的描述中显现出来，该描述纯粹是说明性的而非限制性的，并且必须参考附图来考虑，附图中：
[图1]-图1示意性地示出了根据本发明的实施例的反应器的一部分，其包括纵向通道；
[图2]-图2示意性地示出了根据本发明的实施例的反应器的一部分，其包括电极丝和两个止挡件；
[图3]-图3示意性地示出了根据本发明的实施例的反应器的一部分，其包括电极丝和两个止挡件；
[图4]-图4示意性地示出了根据本发明的实施例的装置的一部分，其包括反应器；
[图5]-图5示意性地示出了通过根据本发明的实施例的反应器的截面，其包括纵向通道的网结构；
[图6]-图6示意性地示出了根据本发明的实施例的反应器，其包括纵向通道的网结构；
[图7]-图7示意性地示出了根据本发明的实施例的反应器，其包括纵向通道的网结构和热传递液体的流动通道；
[图8]-图8示意性地示出了根据本发明的实施例的装置，其包括根据本发明的实施例的反应器；
[图9]-图9示意性地示出了根据本发明的实施例的装置，其包括四个反应器；
[图10]-图10示意性地示出了根据本发明的实施例的装置；
[图11]-图11示意性地示出了根据本发明的实施例的反应器，其包括纵向通道的网结构；
[图12]-图12示意性地示出了根据本发明的实施例的反应器，其包括纵向通道的网结构；
[图13]-图13示意性地示出了根据本发明的实施例的反应器，其包括纵向通道的网结构；
[图14]-图14示出了根据本发明的优选实施例的流动通道中的热传递流体的流动的局部速度的数字模拟；
[图15]-图15示出了根据本发明的实施例的流动通道中的热传递流体的局部流动速度的数字模拟；
[图16]-图16示出了根据本发明的优选实施例的流动通道中的热传递流体流的局部温度的数字模拟；
[图17]-图17示出了根据本发明的实施例的流动通道中的热传递流体流的局部温度的数字模拟；
[图18]-图18示意性地示出了根据本发明的实施例的用于二氧化碳和/或一氧化碳的转化的方法；
[图19]-图19示意性地示出了根据本发明的实施例的装置在包括二氧化碳源的系统中的使用；
[图20]-图20示意性地示出了根据本发明的实施例的反应器的一部分，其用于在DBD中产生等离子体；
[图21]-图21示意性地示出了根据本发明的实施例的反应器的一部分，其用于在DBD中产生等离子体；
[图22]-图22示意性地示出了根据本发明的实施例的反应器的一部分，其用于产生脉冲等离子体。
定义
在本发明中，术语纵向通道的“直径”表示所述纵向通道的正剖面的最大尺寸。
在本发明中，术语“烃”表示饱和或不饱和的直链或支链的烃分子，或这种分子的混合物。优选地，这是甲烷。
在本发明中，术语“醇”表示R-OH分子式的分子，其中，R代表饱和或不饱和的直链或支链的烃链，或这些分子的混合物。优选地，这是甲醇。
在本发明中，术语“热传递流体”表示适于在两个温度源之间传输热量的流体。这可以是油、空气和/或水溶液，并且优选是油。
具体实施方式
反应器1的架构
反应器1适于通过在反应器1中产生等离子体来将二氧化碳和/或一氧化碳转化为烃和/或醇。
图1示意性地示出了根据本发明的实施例的用于将二氧化碳和/或一氧化碳转化为烃和/或醇的反应器1的一部分。反应器1包括由导电和导热的材料制成的支撑件2。支撑件2优选由金属制成，特别是钢，并且优选不锈钢。因此，支撑件2的热、电和机械性能同时被最大化。支撑件2形成至少一个纵向通道3的一个或更多个壁。纵向通道3穿过支撑件2。纵向通道3的直径特别地小于10cm，特别地小于5cm，优选小于2cm。纵向通道3的长度优选小于20cm，特别是小于10cm，更优选小于5cm。因此，可以用现有技术的电压发生器施加多梯度的足够高的电势，以在纵向通道3中产生等离子体。
反应器1包括至少一个电极丝4，其形成反应器1的阳极。电极丝4布置在距形成阴极的纵向通道3的一个或更多个壁一定距离处。电极丝4在纵向通道3内延伸。它可以沿着纵向通道3的一部分延伸，并且优选地在纵向通道3的整个长度上延伸。因此，等离子体的空间分布在纵向通道3中是均匀的。优选地，纵向通道3是具有旋转轴线7的旋转圆柱体。电极丝4沿着旋转轴线7定位。因此，在纵向通道3的位于阴极和阳极之间的体积中，电势的梯度可以是均匀的。
在二氧化碳和/或一氧化碳的转化期间，在由所述一个或更多个纵向通道3形成的体积中的在电极丝4和每个纵向通道3的所述一个或更多个壁之间的体积中产生等离子体。等离子体是由介质阻挡放电(也称为受控的介质阻挡放电，或DBD)产生的。介质阻挡放电是在由介质材料隔开的两个电极之间产生的放电。例如，当所选择的介质材料是介质气体时，这种放电可以是脉冲的。在反应器1中，介质可以至少从包含固体介质材料(布置在电极丝4上)的层5、包含固体介质材料(布置在阴极上)的层或分隔两个电极的气相(包含例如二氧化碳)中选择。每个电极丝4优选地沿着电极丝在纵向通道3内延伸的部分被电绝缘层5覆盖。因此，可以在反应器中，在阴极和阳极之间施加大于10kV的电压，优选大于20kV。层5可以优选由氧化铝制成。
反应器1还包括适于催化二氧化碳和/或一氧化碳转化成烃和/或醇的转化反应的催化剂6。催化剂6布置在电极丝4和每个纵向通道3的所述一个或更多个壁之间。
催化剂6优选包含至少一种选自氧化镁、氧化硅、氧化镧、氧化铈、氧化锆和氧化铝的元素。催化剂6特别地包含至少一种选自氧化镁、氧化镧、氧化铈和氧化锆及其组合的元素，所述氧化物(一种或更多种)被镍或钴浸渍，优选为金属的形式。氧化物可以来源于水滑石、水铝钙石或天然粘土。催化剂6可以包括含有介孔的基质。该基质可以具有沸石的结构。
相对于催化剂6的总成分，镍含量可以有利地在以质量计的5至30％之间。相对于催化剂6的总成分，钴含量可以有利地在以质量计的5至30％之间。锆石含量(氧化锆的别称)，特别是在催化剂6包含铈和锆石的复合氧化物的情况下，相对于催化剂6的总成分，可以在以质量计的1％至20％之间。相对于催化剂6的总成分，氧化铈的含量可以在以质量计的5％至30％之间。相对于催化剂6的总成分，氧化硅的含量可以在以质量计的15％至40％之间。相对于催化剂6的总成分，氧化铝的含量可以在以质量计的15％至40％之间。相对于催化剂6的总成分，氧化镁的含量可以在以质量计的1％至20％之间。相对于催化剂6的总成分，氧化镧的含量可以在以质量计的1％至10％之间。
催化剂6可以通过控制阴极和电极之间的电势来活化。“活化”是指电势在催化剂6的表面上形成正极化位置或负极化位置。这些极化位置有利于气相元素的吸附和解吸附，从而允许二氧化碳和/或一氧化碳的转化。这种催化特别有利，因为它可以在低于350℃的温度下进行。
纵向通道3装配有位于纵向通道3的端部中的每个处的两个止挡件8。每个止挡件8由至少一种电绝缘材料制成。每个止挡件8也是气体可渗透的。最后，位于纵向通道3中的至少一个止挡件8，优选两个止挡件8，提供了电极丝4可以插入其中的贯通通路9。止挡件8具有若干功能。它在纵向通道3的端部中的任一侧支撑电极丝4。止挡件8还将纵向通道3内限定的体积与反应器1的其余部分电绝缘。因此，在反应器1的使用期间产生的等离子体被限制在一个或更多个纵向通道中。最后，由于它们对气体的渗透性，止挡件8执行前面两个功能，并允许气体从纵向通道3的一个端部流动到另一个端部，以便将二氧化碳和/或一氧化碳引入到纵向通道3。止挡件8还释放任何生成的烃和/或醇。
支撑件2形成热传递流体13的流动通道10。热传递流体的流动通道10和纵向通道3被支撑件2隔开。由于支撑件2既导电又导热，同时它起到反应器1的阴极的作用，使得等离子体能够在纵向通道3中产生，并起到热交换器的作用，允许纵向通道3和流动通道10之间的热交换。支撑件2还充当反应器1的机械支撑件。
参照图2，电极丝4可以插入到纵向通道3的两个止挡件8中。止挡件8可以例如包括由陶瓷制成的套筒，该套筒包围电极丝4的将被布置在纵向通道3的一个端部处的部分。套筒形成止挡件的通路9。套筒可以被烧结玻璃部件包围。烧结玻璃部件本身可以被陶瓷制成的圆柱形部件包围。由陶瓷制成的圆柱形部件可以例如具有开口，用于气体流动以穿过止挡件8。
参考图3，支撑件2的一部分可以包围止挡件8的每个圆柱形部分，从而形成围绕旋转轴线7的纵向圆柱形通道3。
参照图4、图5、图6和图7，支撑件2可以形成纵向通道3的二维网结构12。根据网结构12的平面，二维网结构12可以是平面的。纵向通道3可以优选地彼此平行并且垂直于网结构12的平面。因此，纵向通道3可以定向成允许气体流从由网结构的平面形成的半空间中的一个穿过支撑件2到达由网结构12的平面形成的另一个半空间。支撑件2优选形成多个纵向通道，特别地，至少2个，特别地，至少50个，特别地，至少1000个，并且更优选地至少2500个纵向通道3。由于支撑件2和阴极的机械支撑功能，简化了包括多个纵向通道的反应器1的制造。
图4示意性地示出了根据垂直于网结构12的平面的平面的反应器1的截面。电极丝4插入到由支撑件2形成的每个纵向通道3中。每个电极4可以通过导电线的树电连接到其他电极4。所述树的根部具有电连接部，用于连接到反应器1的外部。树的其他顶端具有与电极丝4的电连接。
图5示意性地示出了从侧面观察的反应器1，其包括纵向通道3的网结构12。支撑件2形成热传递流体13的流动通道10。图5示意性地示出了用于热传递流体13的一个输入部和两个输出部，以允许热传递流体13在流动通道10中的流动。
图6示意性地示出了图5所示的反应器的正视图。支撑件2形成纵向通道3的六边形二维网结构12(蜂窝型网结构)。支撑件2同时形成热传递流体的流动通道10以及在热传递流体13的流动通道10中的障碍物11，优选为柱。每个障碍物11包括单个纵向通道3，热传递流体13的流动通道10和所述纵向通道3被支撑件2分隔开。
图7示意性示出了反应器1的透视图。在图7中，反应器1被切割，以便说明流动通道10和纵向通道3之间通过支撑件2的分隔。流动通道10允许热传递流体13围绕每个障碍物10流动，并因此围绕每个纵向通道3流动，以便调节每个纵向通道3中的温度。
装置16的架构
参考图8和图9，本发明的另一个目的是包括导管14的装置16。导管14具有主流动轴线15、流体输入部17和流体输出部18。流体输入部17可以连接到气体源，该气体源包括要被转化的二氧化碳和/或一氧化碳。流体输入部17可以优选地连接到包括二氧化碳和/或一氧化碳和二氢的气体扩散器。
导管14包括至少一个反应器1，优选多个反应器1，其沿着导管14串联定位。每个反应器1的每个支撑件2主要根据正交于导管14的主流动轴线15的截面的至少一部分延伸。支撑件2形成并定位在导管14中，使得纵向通道3平行于导管14的主流动轴线15。因此，经由流体输入部17引入到导管14的气体可以流动到直至第一反应器1。气体经由所有平行的纵向通道3穿过第一反应器1的支撑件2，在所述纵向通道3中二氧化碳和/或一氧化碳可以被转化。例如，图9示出了包括串联布置的三个反应器1的装置16。
根据本发明的一种实施例，串联的支撑件2可以在导管14的整个截面上延伸。因此，反应器1上游的全部气体流流动通过纵向通道3，并且所述支撑件2的上游和所述支撑件2的下游之间的一氧化碳和/或二氧化碳的转化率最大化。
参照图10，热交换器34，例如“壳管式”热交换器，可以布置在反应器(一个或更多个)1的下游、在装置16的导管14中或装置16的输出部处。例如，通过与热交换器的冷却管接触，通过在20℃和40℃之间(例如大约30℃)的温度下在隔板(chicane)23之间循环的热传递流体，来自反应器1的气态产物在热交换器34中冷凝。热交换器34被构造成冷却从反应器1输出的气体。热交换器34被构造成冷却速率大于50m3/h，特别是大于100m3/h，更优选大于300m3/h的气体流。热交换器34被构造成例如冷却速率大于50m3/h的气体甲烷流。热交换器34还被构造成冷却包含CO2和二氢的气体流，所述气体流具有大于300m3/h的速率。
参考图11、图12和图13，支撑件2可以仅在导管14的截面的一部分上延伸。导管14的截面还包括穿孔部分21，气体可以经由该穿孔部分逸出。该穿孔部分21表现出比支撑件2的其余部分低的流体动力学阻力：穿孔部分有利于流动。若干支撑件2可以串联布置，各支撑件2的穿孔部分21相对于导管14的主流动轴线15不对齐。因此，有利于混合包含待转化的二氧化碳和/或一氧化碳的气体。同时，导管14还可以包括在导管14的整个截面上延伸的支撑件2，并且支撑件2形成该截面的穿孔部分21。反应器1可以包括三个支撑件2，例如，每个支撑件2分别在图11、图12和图13中示出。每个支撑件2形成所述支撑件2在其中延伸的截面的穿孔部分21。穿孔部分21不在每个支撑件2之间对齐。
图11示意性地示出了支撑件2，其适于在支撑件2被插入到导管14中时形成四个穿孔部分21a和21b。图12示意性地示出了支撑件2，其适于在支撑件2被插入到导管14中时形成三个穿孔部分21和22。图13示意性地示出了支撑件2，其适于在支撑件2被插入到导管14中时形成两个穿孔部分22。图11、图12和图13的支撑件2可以串联安装，使得含有CO2和/或CO的气体仅穿过反应器1一次。在图11的支撑件2的输入部处，气体可以经由纵向通道3的输入部进入反应器1，然后在转化反应后通过图12和13的穿孔部分22，或者经由穿孔部分21a和21b进入。经由穿孔部分21a进入的包含CO2和/或CO的气体然后可以被引导到图12的支撑件2的纵向通道3，以在转化反应之后经由图13的穿孔部分22离开。经由穿孔部分21b进入的包含CO2和CO的气体可以被引导至图12的穿孔部分21，然后被引导至图13的纵向通道3。
参照图14、图15、图16和图17，支撑件2的障碍物11可以布置在热传递流体的流动通道10中，以便优化纵向通道3中的温度的均匀性。图14示出了根据本发明的一种优选实施例的流动通道10中的热传递流体13的局部流动速度的数字模拟。图的右边的刻度对应于单位为m.s-1的速度。图15示出了根据本发明的实施例的流动通道10中热传递流体13的局部流动速度的数字模拟。图的右边的刻度对应于单位为m.s-1的速度。局部流动速度的差异在图15所示的实施例中比在图14中大。事实上，流动通道的几何形状导致流体动力学阻力在流动通道10的外围处较低。热传递流体13的流动速度在流动通道10的外围处比在流动通道10的其余部分高。这种构造不利于优化纵向通道3中的温度的均匀性。优选地，网结构12具有限定网格表面的网格，并且支撑件2的形式适于使得在平行于网结构12的平面并且以第一圆柱体的旋转轴线为中心的平面中的网格表面上测量的流动中的热传递流体13的平均流动速度是在平行于网结构12的平面并且以邻近第一圆柱体的第二圆柱体的旋转轴线7为中心的平面中的网格表面上的热传递流体13的平均速度的0.5倍和1.5倍之间。因此，可以均匀地控制纵向通道中的温度。
图16示出了根据本发明的一种优选实施例的在流动通道中的热传递流体13流的局部温度的数字模拟。图17示出了根据本发明的实施例的在流动通道中的热传递流体流的局部温度的数字模拟。图16所示的流动通道10的几何形状将纵向通道3的温度控制的更均匀。事实上，为了使CO2和/或CO的转化反应的效率最大化，优选将温度保持在250℃和300℃之间，并因此控制反应器1的冷却，因为转化反应是放热的。
执行二氧化碳和/或一氧化碳的转化
参考图18，二氧化碳和/或一氧化碳的转化方法包括以下步骤：
-181提供反应器1；
-182将包含二氧化碳和/或一氧化碳和二氢的气体注入到反应器1的一个或更多个纵向通道3中；以及
-184在作为阴极的支撑件2和作为阳极的电极丝4或电极之间施加电势，该电势适于在所述一个或更多个纵向通道3的在电极丝4和每个纵向通道3的所述一个或更多个壁之间的体积中产生等离子体。
优选地，二氧化碳和/或一氧化碳的转化还包括步骤183，用于将反应器1的温度控制在150℃和300℃之间，优选在250℃和300℃之间。在氢化反应期间，二氧化碳和/或一氧化碳对烃和/或醇的转化产率在250℃和300℃之间的温度范围内是最大的。低于该温度，二氧化碳的转化导致不期望的副产物的产生，例如，如果催化剂6包含镍，则产生四羰基镍。在300℃以上，二氧化碳的转化会产生一氧化碳。可以通过将热传递流体13注入到由支撑件2形成的流动通道10中来确保温度的控制。由于二氧化碳和/或一氧化碳对烃和/或醇的转化反应是放热的，热传递流体13可以在流动通道10外部冷却，并且其温度由恒温器控制。优选地，该方法可用于产生热量。该方法优选在大气压下进行。
在电势的施加步骤184期间，所施加的电势优选为交流电势，比如脉冲或正弦电势。所施加的电势优选地具有在5kV和50kV之间，特别是在10kV和20kV之间的幅值。最后，所施加的电势优选具有0.5MHz和100MHz之间，特别是1MHz和20MHz之间的频率。所施加的电势的这些特性单独或组合地有利于催化剂6的表面上的活性位置的出现，并提高转化率。根据CO2和H2之间的摩尔比，可以优选地形成给定的烃和/或给定的醇。例如，对于CO2对H2为1比4的摩尔比，优选形成甲烷(CH4)。该方法优选用于产生烃，更具体地是甲烷。
参考图19，甲烷转化器24(例如，常见于农场)可以有利地包括根据本发明实施例的装置16。甲烷转化器包括蒸煮器25。蒸煮器25是适于有机物的厌氧发酵的反应器。蒸煮器25将未处理的沼气排放到沼气处理单元23。沼气处理单元23适于将生物甲烷从由蒸煮器25排放的未经处理的沼气的其它气态成分中分离出来。沼气处理单元23包括连接到例如气体网结构的生物甲烷输出部。沼气处理单元23包括向装置16输送二氧化碳的另外的输出部。来自例如水的水解的二氢也被送到装置16，以允许转化反应。在通过装置16转化二氧化碳之后，装置16排出水和甲烷，甲烷被注入回到沼气处理单元23中。因此，来自甲烷转化器24的甲烷的生产率最大化，并且最小化了进入大气的二氧化碳排放。优选地，冷凝器连接到装置16的流体输出18处。冷凝器适于冷凝来自水和烃的至少一种元素。
示例
测试了包括三个纵向通道3的反应器1。纵向通道3可以用于产生DBD(介质阻挡放电)等离子体或脉冲等离子体。
用于产生DBD等离子体的装置
参考图20，形成反应器1，首先将第二下部支撑件26固定在支撑件2的外表面上。然后，将止挡件8的圆柱形保持部分紧靠第二支撑件26放置在单元中。电极4包括剥去皮的高压电缆27。高压电缆27被引入到由氧化铝制成的介质材料的管中，该管形成电绝缘层5。保持套筒28沿着电极滑动，该电极还被引入到下部套筒29中。烧结玻璃部件30围绕下部套筒29放置，其被引入到第二下部支撑件26的容纳部(creuset)中。然后经由纵向通道3的上部部分将催化剂6倾倒在电极周围。另一个烧结玻璃部件30以及第二上部支撑件26被滑入到保持套筒28中，直至催化剂6。电缆和套筒楔件被放置在第二支撑件26上。最后，第二上部支撑件26被固定到支撑件2的外表面。
参照图21，并且根据本发明的优选实施例，介质材料层31可以布置在催化剂6和支撑件2之间。介质材料层31可以例如由插入到纵向通道3中的介质材料31制成的圆柱形管构成，电极丝4插入到纵向通道中，优选由电绝缘层5和催化剂6覆盖。电极丝4也可以插入到由介质材料制成的护套中，由介质材料制成的护套被催化剂6覆盖。在支撑件2和由介质材料31制成的圆柱形管之间布置屏障，以保持催化剂6。由介质材料31制成的圆柱形管的几何形状适于在根据主流动轴线15的长度上接收催化剂6，该长度大于由支撑件2形成的纵向管3的长度。优选地，反应器1包括在纵向通道3的上游的催化剂6，其长度大于0.5cm，特别是大于1cm。优选地，反应器1包括在纵向通道3的下游的长度大于0.5cm、特别是大于1cm的催化剂6。因此，这避免了优选电路径的形成潜在地以电弧的形成而结束。事实上，在其他实施例中，催化剂6和止挡件8之间的结合可以有利于优选电路径的出现。由于由介质材料制成的圆柱形管的几何形状，该结合远离由支撑件2形成的纵向通道3。
用于产生脉冲等离子体的装置
参考图22，电极丝4没有插入到刚性介质管中。因此，有必要在两个固定点之间张紧电缆。安装单元首先将第二下部支撑件26固定到支撑件2的外表面上。然后，止挡件8的圆柱形部分被放置在单元中，紧靠第二下部支撑件26。上部保持套筒28沿着高压电缆27滑动。然后，电缆被引入到下部套筒29中，其可以被打开成两个，用于电缆的引入和固定。然后，下部套筒29经由由聚合物制成的自紧固密封件被封闭并固定到止挡件的圆柱形部分。环形形式的烧结玻璃部件30围绕下部套筒29放置，其被引入到止挡件8的圆柱形部分的容纳部中。然后经由纵向通道3的上部部分将催化剂6倾倒在电极周围。另一个烧结玻璃部件以及止挡件8的圆柱形部分被滑入到上部套筒28中，直至催化剂6。然后张紧高压电缆，将用于保持电缆中的张紧的包含自紧固密封件和护套夹爪的套筒楔件和电缆放在止挡件的圆柱形部分上。最后，第二上部支撑件26被固定在支撑件2的外表面上。
转化
通过二氢使CO2转化为烃的转化反应是放热的。对于甲烷的产生，对于反应器1而言，250℃和300℃之间的温度获得最佳产率。热传递流体13，在这种情况下是油，通过加热电阻器预热到200℃。启动泵以使油在流动通道10中的环中循环。然后将CO2和二氢送到反应器1。CO2和二氢的比例保持不变。以气态形式注入到反应器1中的CO2的量和以气态形式注入到反应器1中的二氢的量之间的比率优选在0.20和0.30之间，特别是基本上等于四分之一。因此，有利于在产生其他可能的反应产物之前产生甲烷。如果用CO代替CO2，以气态形式注入到反应器1中的CO的量和以气态形式注入到反应器1中的二氢的量之间的比率优选在0.25和0.40之间，特别是基本上等于三分之一。因此，有利于在产生其他可能的反应产物之前产生甲烷。
连接到阳极和阴极的电势发生器以72kHz的频率通电。电压控制在15kV和25kV之间。分离器球囊流体地连接到导管14的流体输出部18。球囊可以冷却。通过收集和分析在导管14的输出部处获得的气体和液体来测量烃的产生。油泵的速率根据反应器1的输出处的气体的温度和返回的油的温度连续地调节。
测量后，导管14的输出部处的气相包含50％的甲烷、12.5％的CO2和37.5％的二氢。测量后，导管14的输出部处的液相包含100％的水。
因此，反应器1能够捕获和储存CO2，例如由水泥厂或钢厂工业地输出的CO2。
根据本发明的实施例的用于转化二氧化碳和/或一氧化碳的方法可以例如处理木材废料的裂解气化产物。事实上，在裂解和气化之后，木材的裂解气化主要产生CO2、CO和H2。因此，可以经由根据本发明的实施例的方法产生烃，比如甲烷。
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Claims (14)

1.一种用于将二氧化碳或一氧化碳转化为烃和/或醇的反应器(1)，所述反应器包括：
-支撑件(2)，其由导电和导热的材料制成，所述支撑件(2)形成至少一个纵向通道(3)的一个或更多个壁，所述纵向通道穿过支撑件(2)并且还充当反应器(1)的阴极；
-至少一个电极丝(4)，其形成反应器(1)的阳极，每个电极丝(4)在每个纵向通道(3)内沿着所述纵向通道(3)延伸，并且被布置在离所述纵向通道(3)的所述一个或更多个壁一定距离处，每个电极丝(4)可选地沿着电极丝(4)在所述纵向通道(3)内延伸的部分被电绝缘层(5)覆盖；
-催化剂(6)，其适于催化二氧化碳或一氧化碳转化为烃和/或醇的转化反应的，所述催化剂(6)位于电极丝(4)和每个纵向通道(3)的所述一个或更多个壁之间。
2.根据权利要求1所述的反应器(1)，其中，所述纵向通道(3)是旋转圆柱体，并且其中，所述电极丝(4)沿着旋转圆柱体的旋转轴线(7)定位。
3.根据权利要求1或2所述的反应器(1)，其中，每个纵向通道(3)装配有由电绝缘材料制成的两个止挡件(8)，这两个止挡件分别位于所述纵向通道的各个端部处，每个止挡件(8)是气体能够渗透的，并且具有贯通通路(9)，电极丝(4)被插入所述贯通通路中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的反应器(1)，其中，所述支撑件(2)由金属制成，尤其是由钢制成，并且优选由不锈钢制成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的反应器(1)，其中，所述纵向通道(3)的直径小于2cm，特别是小于1cm，并且其中，所述通道的长度小于20cm，特别是小于10cm，并且优选小于5cm。
6.根据前述权利要求中任一项所述的反应器(1)，其中，所述催化剂(6)包含选自二氧化铈、介孔二氧化铈、镍、二氧化锆、水滑石、粘土及它们的混合物的至少一种元素。
7.根据前述权利要求中任一项所述的反应器(1)，其中，所述支撑件(2)还形成：
-热传递流体(13)的流动通道(10)；以及
-在热传递流体(13)的流动通道(10)中的至少一个障碍物(11)，优选为柱，每个障碍物(11)包括单个纵向通道(3)，热传递流体(13)的流动通道(10)和所述纵向通道(3)由所述支撑件(2)分隔开。
8.根据前述权利要求中任一项所述的反应器(1)，包括根据网结构(12)的平面的所述纵向通道的二维网结构(12)，优选为所述纵向通道(3)的六边形网结构(12)，所述纵向通道(3)彼此平行并且垂直于网结构(12)的平面。
9.根据权利要求8所述的反应器(1)，其中，所述网结构(12)具有限定网格表面的网格，并且其中，支撑件(2)的形式适于使得在平行于所述网结构(12)的平面并且以第一圆柱体的旋转轴线为中心的平面中的网格表面上测量的流动中的热传递流体(13)的平均速度是在平行于所述网结构(12)的平面并且以邻近第一圆柱体的第二圆柱体的旋转轴线(7)为中心的平面中的网格表面上的热传递流体(13)的平均速度的0.5和1.5倍之间。
10.一种用于将二氧化碳或一氧化碳转化为烃和/或醇的装置(16)，包括具有主流动轴线(15)的导管(14)，所述导管(14)包括多个根据权利要求8或9所述的反应器(1)，所述反应器沿着导管(14)的至少一部分定位，每个反应器(1)的每个支撑件(2)主要根据正交于导管(14)的主流动轴线(15)的截面的至少一部分延伸，支撑件(2)形成并定位在导管(14)中，使得所述纵向通道(3)平行于导管(14)的主流动轴线(15)。
11.根据前一权利要求所述的装置(16)，其中，所述导管(14)具有流体输入部(17)和流体输出部(18)，并且包括：
-气体扩散器，所述气体扩散器包括二氧化碳或一氧化碳和氢气，并且连接到所述流体输入部；以及
-至少一个冷凝器，所述冷凝器连接到流体输出部，并适于冷凝水和烃中的至少一种元素。
12.一种用于转化二氧化碳和/或一氧化碳的方法，包括以下步骤：
(a)提供根据权利要求1至9中任一项所述的反应器(1)；
(b)将包含二氧化碳或一氧化碳和二氢的气体注入到反应器(1)的一个或更多个纵向通道(3)中；
(c)在作为阴极的支撑件(2)和作为阳极的一个或更多个电极丝(4)之间施加电势，所述电势适于在所述一个或更多个纵向通道(3)的在电极丝(4)和每个纵向通道(3)的一个或更多个壁之间的体积中产生等离子体。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括步骤(d)，用于控制反应器(1)内的温度在150℃和300℃之间，优选在250℃和300℃之间。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，在步骤(c)中施加的电势的频率在1MHz和20MHz之间。
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