DE3889124T2

DE3889124T2 - Elektrische anordnung zur umwandlung molekularer gewichte.

Info

Publication number: DE3889124T2
Application number: DE3889124T
Authority: DE
Inventors: William M Sackinger
Original assignee: University of Alaska Fairbanks
Current assignee: University of Alaska Fairbanks
Priority date: 1987-09-28
Filing date: 1988-09-17
Publication date: 1994-09-08
Anticipated expiration: 2008-09-18
Also published as: DK78190D0; EP0393079B1; AU2615888A; JPH07108373B2; KR890701466A; FI94842C; DK78190A; LV10419B; EP0393079A1; LV10419A; AU614796B2; EP0393079A4; FI94842B; WO1989002868A1; JPH03501357A; FI901522A0; AU8795791A; DE3889124D1; CA1326647C

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft die Umwandlung der Größe von Kohlenwasserstoffmolekülen in einem Prozeßfluß unter Einsatz eines elektrischen Verfahrens und kann entweder zur Vereinigung kleiner Moleküle zu größeren Molekülen oder zur Trennung größerer Moleküle in kleinere Moleküle verwendet werden.

2. Beschreibung des Standes der Technik

In den Erdöl verarbeitenden Industrien wurde seit vielen Jahrzehnten ein thermisches Trennungsverfahren für Rohöl, das eine Mischung aus Kohlenwasserstoffen ist, angewendet, um verschiedene Fraktionen herauszutrennen, die in der Folge für spezielle Zwecke verwendet werden. Beispielsweise werden Dieselkraftstoff, Benzin, Schmieröle und Asphalte durch Verdampfung und nachfolgende Kondensation bei geeigneten, unterschiedlichen Temperaturen und Höhen in einem Turm getrennt. Die resultierenden Ausbeuten raffinierter Produkte hängen von den Eigenschaften des zugeführten Rohöls ab, die bei jedem Erdölvorkommen andere sind. Die Marktnachfrage für jede Kategorie raffinierter Produkte ändert sich im Lauf der Zeit, und daher kann die Anpassung des Erdölraffinierungsverfahrens an Änderungen in der Eingangszusammensetzung und Ausgangsnachfrage schwierig sein und eine Herausforderung darstellen.
Eine Abhilfe, die seit vielen Jahren anerkannt ist, ist die Umwandlung größerer Moleküle in kleinere, ein Verfahren, das Cracken genannt wird, welches normalerweise durch katalytische Wirkung auf speziellen Oberflächen bei hohen Temperaturen ausgeführt wurde. Auf diese Weise kann beispielsweise eine extra Menge an Schwerölen in Benzin, das besser vermarktbar ist, umgewandelt werden. Einschränkungen für diese Vorgangsweise ergeben sich unter anderem durch die Kosten der Katalysatoren, den Bereich der eingegebenen Moleküle, für die sie wirksam sind, und die Wärmeenergie, die für das Verfahren notwendig ist und die schwer rückzugewinnen ist.
Anderseits wird auch der Weltvorrat an flüssigen Kohlenwasserstoffen verbraucht, und bereits innerhalb einiger weniger Jahrzehnte werden die bekannten Reserven aufgebraucht sein. Zwei naheliegende Alternativen sind die Nutzung anderer natürlicher Kohlenwasserstoffquellen, die in großen Mengen vorhanden sind:
Erdgas und Schweröl. Wenn mag bedenkt, daß die Mehrheit der Einsatzfälle von Erdöl in Geräten in unserer Zeit die Verwendung für Kraftstoffe in flüssiger Form (wie Benzin, Dieselkraftstoff, Düsentreibstoff u. dgl.) ist und der Transport von flüssigem Kraftstoff bei normaler Atmosphärentemperatur und Druck ein deutlicher Vorteil ist und zu den derzeit in Verwendung befindlichen Geräten geführt hat, ist klar, daß ein wesentlicher Vorteil aus Verfahren zur Umwandlung von Erdgas (typischerweise Methan und Ethan, CH&sub4; und C&sub2;H&sub6;) in Flüssigkeiten (z. B. C&sub4;Hx bis C&sub1;&sub0;Hy) zu ziehen wäre. Erdgas wird aus Reservoirs leicht abgezogen, und wenn es zu Produkten mit höherem Molekulargewicht umgewandelt würde, könnte es von weit entfernten Quellgebieten über bereits bestehende Flüssiggas-Pipelines oder Schiffe zu den Verbrauchern gebracht werden, wogegen in seiner natürlichen Gasform oder gekühlten Flüssigform spezielle Pipelines und Schiffe konstruiert werden müssen und die Verwendung von Erdgas als Fahrzeugkraftstoff vom Verbraucher wesentliche Investitionen in neue Geräte auf den Fahrzeugen erfordern würde. Ein Verfahren wurde tatsächlich von der Neuseeländischen Regierung baulich umgesetzt und kommerziell betrieben, mit welchem pro Tag etwa 14.450 Barrels Benzin erzeugt werden, wobei Erdgas als Ausgangsmaterial verwendet wird. Es ist ein Verfahren in drei Stufen: in der ersten werden Wasserstoff und Kohlenmonoxid erzeugt, in der zweiten wird Methanol erzeugt, und in der dritten wird auf dem Weg über das Mobil MTG-(methanol to gasolin, Methanol-zu-Benzin) -Verfahren, bei welchem ein synthetischer Zeolit-Katalysator 2 SM-5 (U.S. Patent Nr. 3,702,886, Argauer und Landolt) verwendet wird, Benzin erzeugt. Der Einbau von Zeoliten in Reaktoren verschiedener Form wurde in den U.S. Patenten Nr. 4,058,576 (Chang und Grover), Nr. 3,928,483 (Chang, Silvestri und Smith), Nr. 3,931,349 (Kuo), Nr. 4,138,440 (Chang, Jacob, Silvestri und Zahner), Nr. 4,197,418 (Lee und Yurchak), Nr. 4,046,825 (Owen und Venuto) und Nr. 4,251,484 (Daviduk und Haddad) in Betracht gezogen. Zwei Schwierigkeiten bei all den auf diesen Patenten basierenden Verfahren sind erstens, daß ein mehrstufiges Umwandlungsverfahren von Erdgas zu Benzin dazu gehört und zweitens, daß hohe Betriebstemperaturen (315ºC bis 450ºC) notwendig sind. Beide Schwierigkeiten führen zu einem Energieverlust und zu hohen Kosten der ursprünglichen Ausrüstung. Ein Weg, bei dem eine einstufige direkte Umwandlung verwendet wird und bei welchem die Energie, die zur Umsetzung zugeführt werden muß, insbesondere verwendet wird, um die molekulare Umwandlung mit einem Minimum an Wärmeverschwendung zu erreichen, würde eine Verbesserung darstellen. Außerdem ist das MTG-Verfahren hinsichtlich der Größe der formbaren großen Moleküle durch die Innenabmessungen der Säulen des synthetischen Zeolitmoleküls beschränkt. Ein Verfahren, welches die Kombination von Molekülen praktisch unbeschränkt größerer Größen ermöglicht, hätte bei der Erzeugung von Schmierölen und schwereren Fluiden zusätzliche Verwendungsmöglichkeiten. Das Prinzip der molekularen Umwandlung hat somit ein breites Anwendungsspektrum.
Obwohl die voranstehende Diskussion der molekularen Umwandlung auf die gasförmig-zu-flüssig-Umwandlung von Kohlenwasserstoffen gerichtet ist, ist es offensichtlich, daß gasförmige Verbindungen, die andere Elemente, wie Sauerstoff, Chlor, Fluor, Brom, Stickstoff, Schwefel, Wasserstoff, Silizium und andere Elemente enthalten, in ihrer Zusammensetzung verändert werden könnten, um bestimmte Vorteile zu erzielen, wie die Minimierung der Toxizität vor der Freisetzung in die natürliche Umwelt, oder die Änderung der Zusammensetzung, um gefährliche Gase vor ihrer Freisetzung in die Umwelt zu ungefährlichen Flüssigkeiten oder Gasen zu machen. Die Fluorchlorkohlenwasserstoffgase beispielsweise, die mit der natürlich vorkommenden UV-Strahlung in Wechselwirkung treten, wenn sie in der Atmosphäre vorhanden sind, könnten in Kombination mit anderen Elementen in flüssige Formen, die relativ harmlos wären, verwandelt werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Dementsprechend ist es das Ziel dieser Erfindung, eine elektrische Einrichtung zu schaffen, welche die Funktion der Vereinigung von Molekülen mit niedrigem Molekulargewicht zu Molekülen mit höherem Molekulargewicht zustandebringt.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer elektrischen Einrichtung zur Trennung von Molekülen mit höherem Molekulargewicht in andere Moleküle mit niedrigerem Molekulargewicht.
Außerdem ist ein zusätzliches Ziel der Erfindung die Schaffung einer elektrischen Einrichtung zur Vereinigung von zwei oder mehreren molekular verschiedenen Spezies zu neuen molekularen Spezies.
Gemäß einem ersten Aspekt werden diese Ziele erfindungsgemäß erfüllt durch Schaffung einer Vorrichtung zur Umwandlung eines Moleküle mit einem ersten Molekulargewicht enthaltenden Gases in ein Moleküle mit einem zweiten Molekulargewicht enthaltenden Gases der im einleitenden Teil des Anspruchs 1 definierten Art, welche durch die Charakteristika des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gekennzeichnet ist.
Kurz gesagt besteht die vorliegende Erfindung aus einer Vielzahl von Rohren aus Glas oder Keramik, die elektrisch halbleitende Innenwände aufweisen. Durch Anlegen einer Spannung von einem Ende dieser Anordnung von Rohren zum gegenüberliegenden Ende wird ein elektrisches Feld gebildet, das zu den inneren Oberflächen parallel ist. Eine schwache Elektronenquelle befindet sich an oder knapp außerhalb der negativ-geschalteten Seite der Anordnung, und diese Elektronen werden entlang der inneren Bereiche der Rohre beschleunigt und stoßen schließlich mit einer Energie, die von mehreren Elektronenvolt bis zu über hundert Elektronenvolt reichen kann, gegen die Wände. Wegen des Elektronenflusses werden gewöhnlich Gasdrücke von weniger als 133,3 Pa (1 Torr) verwendet, obwohl ein Betrieb bei um mehrere Größenordnungen höheren Drücken möglich ist, wenn Volumen-Elektronen/Ionen-Wechselwirkungen als zusätzliche Verbesserung im Betrieb verwendet werden sollen. Das umzuwandelnde Gas wird an der der Elektronenquelle gegenüberliegenden Seite der rohrförmigen Anordnung in die Kammer eingelassen. Es erfolgt eine Diffusion des Quellengas in die rohrförmige Anordnung, wobei die Gasmoleküle an den inneren Wänden der Rohre absorbiert werden. Auf einen streifenden Stoß der Elektronen auf die inneren Wände des Rohres erfolgen mehrere Prozesse, von welchen der am meisten offensichtliche das Zerbrechen der molekularen Bindung des absorbierten Gases ist. Wenn das Quellengas Methan ist, wird ein Wasserstoffion, H&spplus;, gebildet, welches durch die Wirkung des elektrischen Feldes sofort vom Ausgangsmolekül getrennt wird. Die so gebildeten Wasserstoffionen werden entlang des Rohres zum negativen Ende hin beschleunigt, wobei sie entlang des Weges an die Wände stoßen und beim Auftreffen die Bindung der Methanmoleküle zerbrechen und über eine Ionen-induzierte Sekundärelektronenemission ebenfalls als zusätzliche Elektronenquelle dienen. Das Auftreffen von Elektronen führt auch zu einer Sekundärelektronenemission mit einem Nettogewinn an Elektronenfluß entlang der Länge des Rohres. Außerdem haben Methanmoleküle, sobald sie ein oder mehrere Wasserstoffatome verlieren, eine negative Nettoladung, die, wenn sie von der Wandoberfläche durch die mit dem Elektronenaufschlag verbundene Energie freigesetzt worden sind, bewirkt, daß sie zum positiven Ende des Rohres hin zurück beschleunigt werden. In einem solchen Aktivierungszustand werden sie beim Zusammenstoßen mit anderen ähnlichen Spezies sich leicht an diese binden, und die Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff- Bindungen ist wahrscheinlich. So erfolgt durch die wiederholte Anwendung dieses Prozesses die Bildung von Mischungen höherer Ordnung von Paraffinen, Aromaten, Olefinen und Polyenen, und eine physikalische Trennung des verfügbaren Wasserstoffs aus den neu gebildeten Kohlenwasserstoffprodukten höherer Ordnung wird durch das elektrische Feld ermöglicht. Ein Ladungsaustausch ist infolge des Elektronenflusses durch den Raum und den Fluß von elektrischem Strom durch das Halbleitersubstrat möglich. Die Energie für die Dissoziation wird durch das elektrische Feld geschaffen, welches Elektronen, Wasserstoffionen und komplexe Kohlenwasserstoffionen beschleunigt. Die Energieübertragung erfolgt durch direktes Auftreffen an den inneren Oberflächen der Rohre; bei höheren Drücken erfolgen auch Volumenswechselwirkungseffekte mit ähnlichen Ergebnissen. Sowohl chemisch absorbierte Moleküle als auch physikalisch absorbierte Moleküle an der Oberfläche werden durch den Elektronenaufprallprozeß beeinflußt und transformiert. Die Moleküle höherer Ordnung werden elektrisch zu dem Bereich des höheren Einlaßgasdrucks bewegt, wo sie durch den Einlaßgasdruckgradienten seitlich zu einem Auslaßstrom getragen werden. Durch eine Kondensationsstufe werden dann die Spezies höherer Ordnung entfernt, und das Methan wird wieder im Kreislauf durch die Einrichtung geführt. Dieselbe Einrichtung könnte, würde sie in einem Modus mit hohem Elektronenfluß betrieben, auf den Wänden des Rohres in der Nähe des Ausgangsendes abgelagerte Kohlenwasserstoffmoleküle höherer Ordnung abbauen, und eine auf einer höheren positiven Spannung gehaltene eigene Sammelelektrode würde solche Fragmente anziehen. Auf diese Weise könnten Spezies mit niedrigerem Molekulargewicht aus großen Molekülen erzeugt werden. Es ist klar, daß das Einleiten gasförmiger Mischungen in diese Vorrichtung dazu führen würde, daß eine Vielfalt von Verbindungen aus dieser herauskommt, wobei eine sehr große Anzahl von Möglichkeiten in Betracht gezogen werden könnte, unter welchen die Entgiftung bestimmter Gase oder Flüssigkeiten erfolgen könnte. Es ist auch klar, daß die von den Rohrenden mit negativer Polarität austretenden Wasserstoffionen zur Fragmentierung von Kohlenwasserstoffmolekülen mit hohem Molekulargewicht verwendet werden könnten, und zwar entweder in einer Oberflächenwechselwirkung oder in einer Volumenswechselwirkung, und sich mit den Fragmenten vereinigen könnten, so daß Moleküle mit mittlerem Gewicht (beispielsweise C&sub3;Hx bis C&sub1;&sub0;Hy) gebildet würden. Sogar reiner Kohlenstoff (wie Kohle) könnte auf diesem Weg vergast und die resultierenden Kohlenwasserstoffe weggepumpt werden.
Weiters werden gemäß einem zweiten Aspekt diese Ziele durch Schaffung eines Verfahrens zur Umwandlung einer ersten Substanz - mit einem ersten Molekulargewicht in eine zweite Substanz mit einem zweiten Molekulargewicht, wie in Anspruch 16 definiert, erfüllt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer vereinfachten Reaktionskammer.
Fig. 2 ist eine Stirnansicht eines Teils der parallelen Anordnung von Rohren.
Fig. 3 ist eine Schnittansicht eines solchen Rohres.
Fig. 4 ist eine Schnittansicht eines solchen Rohres mit einem Winkel zwischen dem elektrischen Feld und der Rohrachse.
Fig. 5 ist eine Schnittansicht einer Axialfluß-Reaktionskammer mit Viereck-symmetrischer Rohrbefestigung.
Fig. 6 ist eine geschnittene Stirnansicht eines Teils der Reaktionskammer der Fig. 5.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Es sei auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1 Bezug genommen, wo eine elektrische Einrichtung 10 zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffmolekulargewichten gezeigt ist, die eine Kammer 12 mit aus Glas, Keramik oder Metall konstruierten Wänden, einer Einlaßgasquelle 27, einer Auslaßgasöffnung 28 und einer Wasserstoffauslaßgasöffnung 29 aufweist. Auf oder nahe der inneren Wand der Kammer 12 befindet sich eine aus Metall gebildete Elektrode 26, und an der gegenüberliegenden Seite der Kammer 12 ist eine weitere, aus Metall oder geeignetem Halbleitermaterial gebildete Elektrode 22, die als Elektronenquelle dienen kann. Im Mittelteil der Kammer 12 ist eine Mehrzahl 30 von rohrförmigen Elementen 32 montiert, die entlang ihrer Außengrenzen so in einer Anordnung verbunden sind, daß die Achse jedes rohrförmigen Elements 32 zu den anderen parallel verläuft. Die rohrförmigen Elemente 32 bestehen aus geeignetem Glas, Glaskeramik oder Keramik und sind durch direktes Verschmelzen ihrer Grenzen 36, wie in Fig. 2 gezeigt, miteinander verbunden, oder sie können auch mittels eines auf die Grenzen 36 aufgebrachten Glases mit niedrigerem Erweichungspunkt miteinander verbunden sein. Innen sind die Rohre 31 offene Zylinder 33 mit inneren Oberflächen 34, die Sekundärelektronenemissionseigenschaften aufweisen und die direkt unter den Oberflächen 34 eine Zone aus Halbleitermaterial haben. Die Details der Konstruktion, wie im U.S. Patent Nr. 3,260,876 (Manley et al.) beschrieben, könnten beispielsweise verwendet werden. Die Vielzahl 30 der rohrförmigen Elemente ist mit metallischem Elektrodenmaterial 38 und 40, wie Gold, Nickel oder Aluminium, an den Flächen 38 und 40 beschichtet, wobei die offenen Zylinder 33 das metallische Elektrodenmaterial durchsetzen. Drei Spannungsquellen sind erforderlich, wobei die Quelle 42 zwischen den Flächen 38 und 40 der Mehrzahl 30 der rohrförmigen Elemente, die Quelle 44 von der Elektrode 40 zur Elektrode 26, und die Quelle 45 von der Elektrode 22 zur Elektrode 38 verbunden ist. Der Anschluß dieser Quellen durch eine Glas- oder Keramikkammer 12 hindurch ist gezeigt, wogegen bei Verwendung einer Metallkammer eigene isolierende Durchleitungsverbindungen durch die Kammerwand nötig wären.
Kurz beschrieben wird bei einem Betrieb der Einrichtung in dem Modus, der die Kohlenwasserstoffmolekulargewichte erhöht, das Eingangsgas, wie Methan, CH&sub4;, oder Ethan, C&sub2;H&sub6;, durch eine Öffnung 27 bei einem Umgebungsdruck von beispielsweise 133,3 · 10&supmin;&sup6; bis 133,3 Pa (10&supmin;&sup6; bis 1 Torr) in die Kammer 10 eingelassen. Es kommt zu einer Diffusion des Gases in die Rohre 32, wobei ein Teil des Gases an den inneren Wänden 34 absorbiert wird. Elektronen, die entweder von der Elektronenquelle 22 oder von einer Feldemission von den Rändern der Metallbeschichtung an der Fläche 38 oder von kosmischer Strahlung, Photoemission oder anderen natürlichen Quellen stammen, werden entlang der Längserstreckung der Bereiche von der Quelle 22 zur Fläche 38, und weiter zur Fläche 40 hin, beschleunigt, wobei sie auf ihrem Weg mit beträchtlichen Energien, wie 10 bis 100 Elektronenvolt, an die inneren Wänden 34 anstoßen. Der Bereich der Energiewerte ist mit der Spannungsquelle 42 einstellbar. Es erfolgt eine Reihe kaskadenartiger Aufprallvorgänge, was nachfolgend genauer beschrieben wird, wodurch Wasserstoffionen von den adsorbierten Molekülen entfernt werden, und eine Bewegung von Wasserstoffionen in die offenen Zylinder 33 zur Fläche 38 hin ermöglicht wird, während gleichzeitig ermöglicht wird, daß negativ geladene Kohlenwasserstoffionen sich in den offenen Zylindern 33 zur Fläche 40 hin bewegen. Ein nachfolgendes Zusammenstoßen dieser Kohlenwasserstoffionen mit anderen ähnlich geladenen oder neutralen Spezies bewirkt eine Vereinigung zu größeren Kohlenwasserstoffmolekülen, die von der Fläche 40 austreten und in den Auslaß 28 weggepumpt werden. Gleichzeitig werden die extrahierten Wasserstoffionen durch das elektrische Feld an der Fläche 38 vorbeigetragen, wo sie sich mit anderen derselben Spezies vereinigen und in den Auslaß 29 weggepumpt werden. Ein Teil des eingelassenen Methans geht durch Diffusion direkt in die Auslaßöffnung 23 und wird in nachfolgenden Kondensationsstufen von den schwereren, durch den Betrieb der Einrichtung gebildeten Kohlenwasserstoffmolekülen getrennt, wonach das Methan im Kreis in den Einlaßstrom, der die Öffnung 27 speist, zurückgeführt werden kann.
Zur weiteren Erörterung der Details des Trennungs- und Wiedervereinigungsmechanismus unter Bezugnahme auf Fig. 3 seien die Methanmoleküle 55 als an den inneren Wänden 34 in einer starken, chemosorbierten Bindung mit Siliziumdioxid oder Tonerde absorbiert angesehen, was sich auf eine monomolekulare Oberflächenschicht bezieht, und auch in einer schwächeren, Multimolekularschicht-Bindung für zusätzliche Moleküle. Wenn die innere Wand 34 von einem einfallenden Elektron 51 mit einer Energie im Bereich von 10 bis 100 Elektronenvolt getroffen wird, wird eine Vielfalt von Prozessen in Gang gesetzt. Ein Teil der Energie des einfallenden Elektrons 51 geht in die Bildung von Sekundärelektronen 57, die von der Wand 34 emittiert werden und die in parabelförmigen Flugbahnen beschleunigt werden, um beim nächsten Aufprall an der Wand 34 den Prozeß fortzusetzen. Ein Teil der Energie des einfallenden Elektrons 51 geht in die Trennung eines positiven Wasserstoffions 52 von einem absorbierten Gasmolekül 55, wobei auch ein negativ geladenes Kohlenwasserstoffion 53, beispielsweise CH&sub3; oder CH&sub2;, geschaffen wird. Ein Teil der Energie des einfallenden Elektrons 51 verleiht diesen Ionen 52 und 53 genügend kinetische Energie, so daß sie ihre Entstehungsstelle an der Oberfläche verlassen und entlang der Richtung des elektrischen Feldes auf parabelförmigen Bahnen beschleunigt werden. Das Wasserstoffion 52 trifft danach auf die Wand 34 mit genügender Energie auf, um Sekundärelektronen zu bilden, die zu der für den Prozeß benötigten Elektronenkaskade beitragen; dies ist ein positier Ionen- Rückkopplungs-Effekt. Durch denselben Aufprall des Wasserstoffions 52 auf der Wand 34 wird auch genügend Energie geschaffen, um die Bindung eines oder mehrerer an dieser Stelle absorbierter Gasmoleküle 55 zu trennen, wodurch weitere positive Wasserstoffionen und negative Kohlenwasserstoffionen gebildet werden, die von dieser Stelle freigesetzt werden und die in entgegengesetzte Richtungen entlang der Richtung des elektrischen Feldes beschleunigt werden und so zum Prozeß beitragen. Das Kohlenwasserstoffion 53, das entlang seiner parabelförmigen Bahn kinetische Energie aufnimmt, trifft auf die Wand 34 mit einer Energie auf, die ausreicht, um die Bindungen der Moleküle 55 an der Aufprallstelle zu zerbrechen, was die Bildung einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung an jener Stelle und somit die Schaffung eines Kohlenwasserstoffmoleküls 56 mit größerem Gewicht ermöglicht, welches in Fig. 3 in einem negativ geladenen Ionenzustand beim Austritt aus der Fläche 40 des Rohres gezeigt ist. Man kann auch erwarten, daß an der Stelle, wo es zur Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung kommt, andere Prozesse, wie Sekundärelektronenerzeugung und Wasserstoffionenerzeugung, stattfinden werden. In manchen Fällen kann es sein, daß der höhergewichtige Kohlenwasserstoff die Wand 34 nicht unmittelbar nach seiner Bildung verläßt, sondern durch einen nachfolgenden Elektronen- oder Ionenaufprall aus seiner Lage gebracht wird. Alle diese Prozesse insgesamt können durch die Feststellung zusammengefaßt werden, daß (a) kinetische Energie von Elektronen und Ionen auf die Oberflächenzone, an der die Kohlenwasserstoffmoleküle absorbiert sind, aufgebracht wird; (b) das Zerbrechen mindestens einer der Kohlenwasserstoffbindungen zu einer Speziestrennung mittels des elektrischen Feldes führt; (c) die Ankunft eines energiegeladenen Kohlenwasserstoffions auf der Oberflächenzone absorbierte Moleküle weiter zerbricht und bewirkt, daß sie Kohlenstoff- Kohlenstoff-Bindungen bilden; (d) Moleküle mit höherem Gewicht, wie Ionen, in einer zur Richtung des überschüssigen Wasserstoffs entgegengesetzten Richtung zum Ende der Einrichtung bewegt werden, wo sie herausgepumpt werden.
Das Auffüllen der Methanmoleküle 55 an der Oberfläche erfolgt rasch durch Diffusion und Niederschlag aus der im Rohr vorhandenen Gasphase. Ein bestimmtes Ausmaß an Wechselwirkung zwischen geladenen Teilchen und neutralen Molekülen im Volumensraum des Rohres findet ebenfalls statt, wobei die Tendenzen zur Ladungstrennung und zur Speziestrennung, wie für die Wände 34 beschrieben, den Prozeß weiter verstärken.
Die richtige Ladungsmenge, die für die Konservierung des Elektronenstroms an jeder Aufprallstelle nötig ist, wird durch einen geringen Strom bereitgestellt, der in einer Halbleiterschicht nur einige hundert Ångstrom oder weniger unter der Oberfläche 34 fließt. Eine solche Schicht kann beispielsweise durch eine vorhergehende Hochtemperatur-Wasserstoffreduktionsbehandlung eines Bleioxid-Aluminiumsilikatglases leicht gebildet werden.
Die parabelförmigen Bahnen der Elektronen und der Ionen, wie oben beschrieben, haben eine Länge, die von der elektrischen Feldstärke und auch von der ursprünglichen kinetischen Energie der Teilchen und der Richtung ihrer Emission von der Oberfläche abhängt. Insoferne, als die Aufprall-Schaffung dieser geladenen Teilchen die Kombination vieler zufallsverteilter Prozesse innerhalb der Wand 34 mit sich bringt, folgen die Richtung und die ursprüngliche kinetische Energie der Teilchen einer statistischen Verteilungsfunktion. Einige dieser Teilchen folgen sehr langen Flugbahnen, was es ihnen ermöglicht, hunderte Elektronenvolt an kinetischer Energie aufzunehmen. Dies kann zur vollständigen Entfernung von Wasserstoff beim Aufprall unter Ablagerung von elementarem Kohlenstoff führen. Obwohl dieser durch nachfolgende Aufprallvorgänge entfernt werden kann, wäre es nützlich, sowohl eine untere als auch eine obere Grenze für den Bereich der Aufprallenergien einzurichten, und aus diesem Grund wird die Geometrie geneigter Kanalachsen, wie in Fig. 4 gezeigt, besprochen.
Es sei auf Fig. 4 Bezug genommen, wo ein Winkel zwischen dem elektrischen Feld und der Rohrachse eingeführt ist, indem das Bündel von Rohren hergestellt und danach in einem solchen Winkel durchschnitten wird. Zur Vereinfachung sind in Fig. 4 die Moleküle 55 nicht gezeigt, sind aber entlang der Wand 34 vorhanden. Der Aufprall eines Elektrons 51 schafft ein Wasserstoffion 52, ein Kohlenwasserstoffion 53 und Sekundärelektronen 58. Da zwischen dem elektrischen Feld und der Rohrachse ein Winkel vorhanden ist, ist die Länge der parabelförmigen Bahnen stark begrenzt. Beispielsweise können, wenn das elektrische Feld 10 Volt pro Durchmesser beträgt, Weglängen von drei Durchmessern oder weniger mit daraus resultierenden Aufprallenergien von 30 Elektronenvolt oder weniger, festgelegt werden. Es sind somit viel mehr Aufpralle entlang der Längserstreckung möglich, wodurch größere Molekülionen 57 und 56 erzeugt werden. Die Länge dieser Rohre kann von 10 bis 1000 Durchmesser oder mehr reichen, und die Kombination aus Winkel, Stärke des elektrischen Feldes, Länge/Durchmesser- Verhältnis und Gesamtlänge kann gewählt werden, um den Umwandlungsprozeß in jedem einzelnen Fall, je nach der eingegebenen Molekülspezies, dem Durchsatz und dem gewünschten Spektrum an Molekülspezies, die abgegeben werden, zu optimieren.
Es können verschiedene geometrische Formen verwendet werden, um einen eingeleiteten Molekularstrom vielen Millionen elektrischer Reaktionsrohre auszusetzen. Eine mögliche Konfiguration ist in Fig. 5 veranschaulicht, in welcher die Vielzahl 30 rohrförmiger Elemente 32 so angeordnet sind, daß sie einem zentralen Kernbereich zugewandt sind, wobei die am meisten positive Elektrode 26 die Form eines Stabes im Zentrum des Kernbereiches hat. Die Viereck-Symmetrie dieses Axialflußreaktors ist auch in Fig. 6 veranschaulicht, welche zeigt, daß die Elektrode 26 das elektrische Feld erzeugt, um die größeren, negativ geladenen Moleküle von den Oberflächenelektroden 40 des Ausgangs der röhrenförmigen Elemente weg zu ziehen. Die Spannungsquellen 42, 44, 45 wurden aus den Fig. 5 und 6 im Interesse der Deutlichkeit der Zeichnung absichtlich weggelassen, sind aber trotzdem für den Betrieb wesentlich und so geschaltet, wie oben beschrieben. Die von der Öffnung 27 kommenden Einlaßmoleküle werden in den rohrförmigen Elementen 32 umgewandelt, und Moleküle mit höherem Gewicht werden an der Öffnung 28 abgezogen, wobei Wasserstoff an der Öffnung 29 abgezogen wird. Der Gasstrom von der Einlaßöffnung 27 zur Auslaßöffnung 28 kann gewünschtenfalls durch ein Magnetfeld unterstützt werden, um umgewandelte geladene Moleküle zwangsweise zur Öffnung 28 hin zu bewegen. In diesem Fall könnte eine Konfiguration ein Magnetfeld mit zylindrischer Symmetrie sein, das durch einen hohen Strom im Stab 26 erzeugt würde, der in einem solchen Fall die Kammerwand 10 an zwei Stellen durchdringen würde und der an eine geeignete Stromquelle angeschlossen wäre. Gemäß gut bekannten Prinzipien würde die Magentkraft auf die geladenen Teilchen in der Richtung des Axialflusses wirken. Ein solches Magnetfeld würde sich auch in die rohrförmigen Elemente 32 hinein erstrecken, wo es die Anzahl der Zusammenstöße der geladenen Teilchen mit den Wänden erhöhen würde und unter bestimmten Umständen die Umwandlungswirksamkeit verbessern würde.

Claims

1. Vorrichtung zur Umwandlung eines Molküle mit einem ersten Molekulargewicht enthaltenden Gases in ein Moleküle mit einem zweiten Molekulargewicht enthaltendes Gas, welche eine Reaktionskammer (10) mit einem Gaseinlaß (27) und mindestens einem Gasauslaß (28, 29) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer

- mindestens eine Anordnung (30) von Reaktionsrohren aus Isoliermaterial (32) enthält, wobei jedes Rohr

(i) ein erstes und ein zweites offenes Ende,

(ii) eine innere Oberfläche (34), die den Molekülen mit einem ersten Molekulargewicht ausgesetzt ist und Sekundärelektronen-abgebende Eigenschaften hat und eine Zone aus Halbleitermaterial direkt darunter aufweist, und (iii) eine Längsachse

hat, wobei die Reaktionsrohre im wesentlichen parallel zu einander so angeordnet sind, daß das erste und das zweite Ende der Rohre eine erste bzw. eine zweite Fläche der Anordnung festlegen,

- eine auf der ersten Fläche der Anordnung angeordnete Elektrode (38), die mit den Halbleiterschichten an den ersten Enden der Reaktionsröhren verbunden ist;

- eine auf der zweiten Fläche der Anordnung angeordnete zweite Elektrode (40), die mit den Halbleiterschichten an den zweiten Enden der Reaktionsröhren verbunden ist;

und daß die Vorrichtung weiters

- eine erste, äußere, elektrische Spannungsquelle (42) aufweist, welche

(i) einen ersten, mit der ersten Elektrode (38) der Anordnung (30) verbundenen Pol und

(ii) einen zweiten, mit der zweiten Elektrode (40) der Anordnung (30) verbundenen Pol und

- eine Elektronenquelle, die sich an oder neben mindestens einer der Elektroden (38, 40) befindet,

aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste äußere elektrische Spannungsquelle (42) eine Gleichstromquelle ist, deren erster Pol negativ und deren zweiter Pol positiv ist, und daß die Vorrichtung weiters

- eine dritte Elektrode (22), die neben der ersten Elektrode (38) der Anordnung (30) placiert ist und als Elektronenquelle fungiert, und

- eine zweite äußere elektrische Spannungsquelle (45) aufweist, welche

(i) einen ersten, mit der Elektrode (22) verbundenen Pol und

(ii) einen zweiten, mit der ersten Elektrode (38) der Anordnung (30) verbundenen Pol

aufweist, um eine Spannungsdifferenz zwischen der dritten und der ersten Elektrode zu gewährleisten, um Elektronen während ihres Durchgangs von der dritten zur ersten Elektrode zu beschleunigen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste äußere elektrische Spannungsquelle (42) eine mit der Zeit variierende Komponente und eine zusätzliche statische Komponente hat und daß die Vorrichtung weiters

- eine zweite äußere elektrische Spannungsquelle (45) aufweist, welche

(i) einen ersten, mit der Elektrode (22) verbundenen Pol und (ii) einen zweiten, mit der ersten Elektrode (38) der Anordnung (30) verbundenen Pol aufweist,

um eine Spannungsdifferenz zwischen der dritten und der ersten Elektrode zu gewährleisten, um Elektronen während ihres Durchgangs von der dritten zur ersten Elektrode zu beschleunigen.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiters

- eine vierte Elektrode (26), die neben der zweiten Elektrode (40) der Anordnung (30) placiert ist, und

- eine dritte äußere elektrische Spannungsquelle (44) aufweist, welche

(i) einen ersten, mit der vierten Elektrode (26) verbundenen Pol und

(ii) einen zweiten, mit der zweiten Elektrode (40) der Anordnung (30) verbundenen Pol aufweist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Fläche der Anordnung im wesentlichen eben sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode im wesentlichen parallel zur ersten Elektrode angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Elektrode im wesentlichen parallel zur zweiten Elektrode angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2-7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite äußere elektrische Spannungsquelle (45) eine Gleichstromquelle ist, deren erster Pol negativ und deren zweiter Pol positiv ist.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Anordnung von Reaktionsrohren und einen ersten und einen zweiten Gasauslaß (28, 29) hat; wobei der Gaseinlaß (27) und der erste Gasauslaß (28) neben der zweiten Fläche der Anordnung angeordnet sind; und der zweite Gasauslaß (29) sich neben der ersten Fläche der Anordnung befindet.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens zwei Anordnungen von Reaktionsrohren hat, daß jede der Anordnungen eine Längsachse hat und daß diese Anordnungen um eine Mittelachse so angeordnet sind, daß die Längsachsen dieser Anordnungen orthogonal zur zentralen Achse hin gerichtet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine lineare Elektrode (26 b, c) in der Nähe der Mittelachse und eine dritte äußere elektrische Spannungsquelle mit einem ersten Pol, der mit der linearen Elektrode verbunden ist, und einem zweiten Pol, der mit den zweiten Elektroden der Anordnungen verbunden ist, beinhaltet.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode (22) ein Material mit Elektronenemissionseigenschaften aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste äußere elektrische Spannungsquelle eine mit der Zeit variierende Komponente und eine statische Komponente hat.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Fläche der Anordnung(en) im wesentlichen parallele Ebenen festlegen, die sich in einem Winkel befinden, der in bezug auf die Längsachsen der Reaktionsröhren in dieser Anordnung (diesen Anordnungen) nicht 90º ist.

15. Verfahren zur Umwandlung einer ersten Substanz mit einem ersten Molekulargewicht in eine zweite Substanz mit einem zweiten Molekulargewicht in einer Reaktionszone, welche mindestens eine Anordnung von Reaktionsrohren mit im wesentlichen parallelen Längsachsen aufweist, die eine der ersten Substanz ausgesetzte innere Oberfläche haben, wobei diese innere Oberfläche eine Halbleiterschicht hat, und welches die folgenden Schritte aufweist:

Anlegen eines elektrischen Feldes mit einer signifikanten Komponente parallel zu den Längsachsen der Reaktionsrohre;

Einbringen der ersten Substanz in diese Reaktionsrohre, wobei die erste Substanz auf Elektronen, die durch das angelegte elektrische Feld beschleunigt sind, reagiert, um die zweite Substanz zu bilden; und

Sammeln der zweiten Substanz.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Substanz einen Kohlenwasserstoff enthält.