EP3548426A1 - Plasmareaktor und verfahren zum betrieb eines plasmareaktors - Google Patents

Plasmareaktor und verfahren zum betrieb eines plasmareaktors

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EP3548426A1
EP3548426A1 EP17818441.2A EP17818441A EP3548426A1 EP 3548426 A1 EP3548426 A1 EP 3548426A1 EP 17818441 A EP17818441 A EP 17818441A EP 3548426 A1 EP3548426 A1 EP 3548426A1
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EP
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hydrocarbon
plasma
hydrocarbon fluid
reactor
pressure
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Application number
EP17818441.2A
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Olaf Kühl
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CAPHENIA GMBH
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Ccp Technology GmbH
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Publication date
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    • C01B2203/1205—Composition of the feed
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    • C01B2203/1235—Hydrocarbons

Definitions

  • the present invention relates to a plasma reactor and method of operating a plasma reactor to decompose a hydrocarbon fluid.
  • US Pat. No. 5,997,837 A1 describes a known plasma reactor which was used in the 1990s as an experimental reactor for the production of carbon particles or C particles.
  • the known plasma reactor has a reactor chamber which is enclosed by a reactor wall.
  • a plasma torch is fixed, which has annular electrodes.
  • the plasma torch has a burner part which projects into the reactor chamber.
  • In the center of the annular electrodes is a central hydrocarbon inlet which is suitable for introducing a hydrocarbon fluid in the axial direction.
  • the reactor chamber is substantially cylindrical, and on its outer wall a plurality of further radially oriented hydrocarbon inlets are provided.
  • the plasma reactor has an outlet through which the materials resulting from the decomposition of the introduced hydrocarbon fluid can escape.
  • an annular plasma is formed on the burner part along the annular electrodes in the time average.
  • a hydrocarbon fluid is introduced into the central region of the annular plasma via the central hydrocarbon inlet.
  • the hydrocarbon fluid is split into hydrogen and carbon particles at operating temperatures of up to 2000 ° C.
  • the additional radially directed hydrocarbon inlets introduce additional hydrocarbon fluid which is split into additional hydrogen and additional carbon.
  • the extra carbon attaches to the already existing C particles and produces larger C particles.
  • the C particles and the hydrogen exit from the outlet of the plasma reactor as H 2 / C aerosol.
  • a similar system is described in WO93 / 20152.
  • a major problem in the decomposition of hydrocarbons into C particles and hydrogen is the uncontrolled deposition of C particles (so-called fouling) on the walls of the reactor chamber and on other parts of the device. While fouling leads to solid carbon deposits or crusts that only can be difficult to solve, is an accumulation of loose carbon particles (so-called sediments) less problematic, since these loose sediments either dissolve by themselves during operation or can be easily solved mechanically, for example by scratching or brushing. Prediction of the occurrence of fouling has heretofore been difficult, and the phenomenon has been poorly understood in the art. Partly stored in the known plasma reactors within a few minutes so much carbon on the walls of the reactor chamber from that the reactor chamber was "overgrown" and the operation had to be stopped. On the other hand, plasma reactors with electrodes made of graphite eroded the electrodes, which also led to the termination of the operation.
  • a plasma reactor for splitting a hydrocarbon fluid which has a reactor chamber, which is surrounded by a reactor wall and has at least one hydrocarbon inlet and one outlet.
  • a plasma torch having at least two electrodes having a base portion at a first end is attached to the reactor wall.
  • the electrodes have at a second end a burner part which projects into the reactor chamber, and a plasma zone is defined at the end of the burner parts of adjacent electrodes.
  • an electrical voltage is applied between the electrodes, whereby a plasma is generated at the end of the burner parts.
  • the hydrocarbon inlet opens into the reactor chamber, and the hydrocarbon inlet is aligned with the plasma zone so that outflowing hydrocarbon fluid is directed towards the plasma zone.
  • carbon particles carbon black, activated carbon
  • the plasma reactor disclosed here mainly produces small C particles which prevent the fouling or growth of the reactor chamber. Furthermore, some large and heavy C particles, which can form statistically, penetrate through the plasma cloud and can specifically attach to the electrodes. This compensates for material loss of the electrodes by erosion. Consequently, the plasma reactor described here can achieve significantly longer periods of use without interruption compared to the prior art.
  • At least the supply of electrical energy to the graphite electrodes and the inlet pressure and rate of introduction of the hydrocarbon fluid are controlled so that the temperature at the top is hotter than 2800 ° C but colder than 3900 ° C.
  • the temperature at the tip of the plasma torch was not precisely controlled.
  • gaseous carbon is generated, which evaporates from a graphite electrode.
  • the gaseous carbon is continuously drained by this flow toward the outlet.
  • the electrode erodes at its hottest zones (especially the tip).
  • the introduction of the hydrocarbon fluid directly to the plasma zone results in the advantageous effect that the partial pressure of gaseous carbon in the vicinity of the electrode is increased. Consequently, the partial pressure is no longer maintained by evaporation of the electrode, and the erosion of the electrode is stopped.
  • the vapor pressure of the carbon at the electrode becomes too high, the carbon re-sublimes on the electrode because the temperature of the electrode is below the sublimation temperature of the graphite.
  • the hydrocarbon inlet of the plasma reactor is formed by a conduit fixed to the reactor wall at a first end and having a hydrocarbon fluid discharge port at an opposite second end, and the conduit is shaped to provide the hydrocarbon fluid discharge port Plasma zone is aligned.
  • the introduction of hydrocarbon fluid can be carried out in the reactor chamber in a simple manner and the line can be additionally cooled, if the cooling is not sufficient by the introduced hydrocarbon fluid.
  • the hydrocarbon inlet of the plasma reactor is formed by a bundle of hydrocarbon conduits, the bundle of Hydrocarbon lines attached at a first end to the reactor wall, and wherein each hydrocarbon line at an opposite second end having a discharge port for hydrocarbon fluid.
  • the bundle of hydrocarbon lines in this case is shaped so that each of the hydrocarbon fluid discharge ports is aligned with the plasma zone. Further, the output of hydrocarbon fluid from the individual hydrocarbon lines of the bundle is separately controllable.
  • the output of hydrocarbon fluid ie, the introduction into the plasma reactor
  • the pressure of the hydrocarbon fluid prior to discharge pre-pressure
  • the flow rate at the discharge port can be varied over a wide range, eg, in terms of mass per time, the pressure of the hydrocarbon fluid prior to discharge (pre-pressure), the flow rate at the discharge port.
  • the individual hydrocarbon lines each have discharge openings with differently sized flow cross-sections. With a constant mass flow, this allows the flow velocity of the hydrocarbon fluid to be changed. Alternatively, the mass flow can be changed at a constant flow rate. These possibilities for change again influence the size of the C particles and their motion impulse.
  • the pressure and the flow rate are controlled so that the cloud of hydrocarbon fluid comes close to the electrode tips.
  • the pressure and the flow rate are controlled in such a way that the edges of the cloud of the hydrocarbon fluid are directed to the tip of the electrode (fine adjustment).
  • the flow cross-sections of the hydrocarbon conduit discharge ports are different, wherein an output of hydrocarbon fluid from a first hydrocarbon conduit having a first delivery port can be varied via valves via a first hydrocarbon fluid delivery region, and wherein an output of hydrocarbon fluid is from at least one second hydrocarbon Hydrocarbon conduit having a corresponding second discharge opening can be varied by means of valves via at least one second output range for hydrocarbon fluid, wherein the at least one second discharge area is at least partially offset from the first discharge area for Hydrocarbon fluid is different.
  • the first discharge portion and the at least one second discharge portion cooperatively constitute a whole hydrocarbon feed output portion of the hydrocarbon inlet.
  • the output parameters can be varied over a wide range without interrupting the operation of the plasma reactor.
  • the plasma reactor can be adjusted for different hydrocarbons and varying operating conditions.
  • the plasma reactor has an apparatus for measuring a particle size.
  • a control device of the plasma reactor can regulate the operating parameters depending on the particle size. If the particle size is continuously measured, and at the same time individual operating parameters are changed, a map can further be created that represents the relationship between the particle size and the various operating parameters.
  • the plasma reactor may include a pressure sensor configured to sense the pressure in the reactor chamber (corresponding to the back pressure for (pre-) pressure before the discharge opening).
  • a pressure sensor configured to sense the pressure in the reactor chamber (corresponding to the back pressure for (pre-) pressure before the discharge opening).
  • the object of the invention is further achieved by a method for operating a plasma reactor, wherein the plasma reactor is designed for splitting a hydrocarbon fluid and has a reactor chamber, which is enclosed by a reactor wall and has at least one hydrocarbon inlet and one outlet.
  • a plasma torch having at least two electrodes is disposed in the reactor chamber, and a plasma zone is defined between adjacent elongate electrodes.
  • the method comprises the steps of: introducing hydrocarbon fluid toward the plasma zone into a region of the reactor chamber between the plasma zone and the outlet, and decomposing the hydrocarbon fluid into carbon particles and hydrogen; Varying at least one parameter of introduction of hydrocarbon fluid; Determining a correlation between a particle size of the carbon particles and the at least one parameter of the introduction of hydrocarbon fluid during the varying.
  • a map can further be created which represents the relationship between the particle size and the various operating parameters. From the correlation between particle size and the at least one parameter of the introduction of hydrocarbon fluid, parameters can be selected in which mainly small C particles are generated, which prevent the fouling or growth of the reactor chamber. Likewise targeted large and heavy C particles can be generated, which penetrate through the plasma cloud and attach specifically to the electrodes to compensate for a loss of material of the electrodes by erosion. Furthermore, an adjustment of the operating parameters is considered, in which some large and heavy C particles are generated statistically, and compensate for the loss of material of the electrodes. Consequently, the method described here achieves significantly longer periods of use without interruption compared to the prior art.
  • the adjusted operating parameter of the introduction of hydrocarbon fluid is advantageously at least one of the following:
  • a flow rate of the hydrocarbon fluid at the hydrocarbon inlet (the flow rate may be influenced by changing the flow cross-section of the hydrocarbon inlet or by changing the mass flow).
  • the method includes the step of determining the at least one parameter of hydrocarbon fluid introduction based on the determined correlation to control so that the particle size of the carbon particles is minimal.
  • the size of the C particles depends on the length of the time interval in which the growing C particle encounters thermally decomposable hydrocarbon molecules.
  • thermally decomposable hydrocarbon molecules it depends on the spatial availability of agglomeratable C atoms, that is, the availability of C atoms in close proximity, which can combine to form a C particle. This spatial availability can be increased by turbulent flow.
  • a pressure difference between (i) a pressure of the hydrocarbon fluid at a location in front of the hydrocarbon inlet and (ii) a pressure in the reactor chamber or a pressure at a point after the outlet is continuously sensed and a sudden change in the sensed Detected pressure difference.
  • the pressure in the reactor chamber and the temperature outside the plasma zone are kept slightly below the sublimation conditions of graphite (about 3900 ° C. at 20 bar), in particular the pressure in the reactor chamber kept at 20 bar and the temperature outside the plasma zone below 3900 ° C held.
  • Particle formation then occurs immediately and is essentially completed before the formed C particle arrives near the reactor wall.
  • the C-particle formed does not tend to deposit (ie, condense) on the reactor wall.
  • the hydrocarbon inlet is formed by a bundle of hydrocarbon conduits, the bundle of hydrocarbon conduits being attached to the reactor wall at a first end, and each hydrocarbon conduit having an output port for hydrocarbon fluid at an opposite second end.
  • the discharge openings for hydrocarbon fluid are aligned with the plasma zone and have discharge openings with different flow cross-sections.
  • the method includes the step of separately controlling the output of hydrocarbon fluid from the hydrocarbon lines.
  • the output of hydrocarbon fluid can be varied over a wide range, eg, in terms of mass per time, pressure, flow rate.
  • the output of hydrocarbon fluid may be varied over a still wider range when a process is used wherein the hydrocarbon inlet has a bundle of at least N hydrocarbon conduits, and the following steps are performed, wherein the mass flow of the hydrocarbon effluent in steps a) and b) is equal to:
  • the erosion of the electrodes can be reduced or prevented if, in the method, a distribution of the size of the carbon particles based on the correlation is influenced so that a small part of the carbon particles is sufficiently large to travel through the plasma zone. Part of these carbon particles are then deposited on the ends of the electrodes. Further, the time of introducing hydrocarbon fluid and the thickness of deposition of the carbon particles on the electrode ends are measured during this time. The course of the deposition of carbon on the electrode can, inter alia, by continuous Measuring the electrical resistance at the electrode to be monitored. The flow rate at which the hydrocarbon fluid is introduced is then modified so that the deposition of the carbon on the electrode ends is as fast as the erosion of the electrode ends due to sublimation of the carbon at high temperatures. In particular, there are advantages when the distribution of the size of the carbon particles is influenced by the following parameters of the output of hydrocarbon fluid:
  • a change in these parameters of the output of hydrocarbon fluid affects the size of the C particles and their momentum so that targeted C particles can be generated which have sufficient magnitude and momentum or momentum to traverse the plasma zone and the electrodes to reach.
  • the size of the C particles can be adjusted and it is possible to counteract the erosion of the electrodes.
  • This arrangement is an improvement over the prior art where the introduction of hydrocarbon fluid into the reactor chamber has heretofore been variable only with respect to the pressure in a small range and erosion of the electrodes has occurred. Due to the orientation of the hydrocarbon inlet (ie, the discharge opening (s)), large C particles with high kinetic energy can penetrate into the plasma zone and migrate through the plasma zone.
  • FIG. 1 shows a plasma reactor for splitting a hydrocarbon fluid according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 2 shows a plasma reactor for splitting a hydrocarbon fluid according to another embodiment of the present disclosure
  • FIG. Fig. 3 shows a sectional detail Z of a hydrocarbon inlet for a
  • FIG. 4a shows a sectioned detail Z of an alternative hydrocarbon inlet for a plasma reactor according to one embodiment
  • FIG. 4b shows a plan view of the detail Z from FIG. 4a
  • FIG. 5 shows the plasma reactor according to one of the exemplary embodiments described in operation.
  • the hydrocarbon fluid described herein is preferably natural gas, methane, liquefied petroleum gas, biogas, heavy oil, synthetic hydrocarbons or a mixture thereof (more preferably preferably from a stream of conventional or non-conventional natural gas and liquefied gases, also called "wet gases").
  • the hydrocarbons are preferably in
  • Hydrocarbons which are liquid or highly viscous under normal ambient conditions may be gaseous, diluted, or may also be introduced in a finely atomized form prior to introduction into the reactor. All of these forms are referred to herein as hydrocarbon fluid.
  • the plasma reactor 1 has a reactor chamber 2 enclosed by a reactor wall 3 having a base 3a and a lid 3b.
  • the reactor chamber 2 may also be divided at a different location than shown in the figures.
  • the reactor chamber 2 is substantially cylindrical and has a central axis 4.
  • the plasma reactor 1 continues at least one hydrocarbon inlet 5 connected to a supply (not shown) of a pressurized hydrocarbon fluid (for example with a tank and / or a pump).
  • a plasma torch 7 Attached to the lid 3b of the reactor wall 3 is a plasma torch 7 which has elongated electrodes (not shown in more detail).
  • the plasma torch 7 has a base part 9, which is attached to the reactor wall 3 (here on the lid 3b).
  • the plasma burner 7 has at its other end opposite to the base part 9 a burner part 1 1 at a free end of the electrodes, which projects into the reactor chamber 2.
  • the electrodes which are not shown in greater detail in the figures, are preferably tubular electrodes or tube electrodes arranged in one another (for example known from US Pat. No. 5,481,080 A). But it is also conceivable that rod electrodes are used, for example, two juxtaposed rod electrodes.
  • the electrodes may be made of metal or graphite.
  • hydrogen and carbon are generated from hydrocarbons (C n H m ) by means of the energy of a plasma.
  • a plasma zone 13 is generated by means of an arc between the electrodes, preferably with H 2 as plasma gas, since this is obtained anyway in the decomposition of the hydrocarbons.
  • plasma gas any other suitable gas can be selected, for example, inert gases such as argon or nitrogen, which do not influence or participate in the reaction or splitting in the plasma arc.
  • a plasma is formed in operation, which can be influenced by a plasma control device 14, for example by magnetic force.
  • the plasma reactor 1 has an outlet 15 through which the substances which result from the splitting up of the introduced hydrocarbon fluid can escape.
  • the outlet 15 is arranged at an axial end of the reactor chamber 2.
  • FIG. 2 shows a plasma reactor 1 with a plurality of outlets 15.
  • a first outlet 15-1 is provided for discharging an H 2 / C aerosol, as in FIG. 1.
  • a second outlet 15 - 2 may also be used to discharge a portion of the H 2 / C aerosol, for example in another Reactor or process can be used that should.
  • hydrogen H 2 is discharged via the second outlet 15-2, the second outlet 15-2 being designed so that the gaseous hydrogen H 2 separates from the solid C particles.
  • the second outlet 15-2 can be used in all embodiments described here.
  • the hydrocarbon inlet 5 is formed by a conduit 7 which is fixed at a first end to the reactor wall 3 (for example, here at the lower part 3b), and which has at least one outlet opening 21 for hydrocarbon fluid at an opposite end.
  • the hydrocarbon inlet 5 opens into the reactor chamber 2.
  • the discharge opening 21 is aligned with the plasma zone 3 in such a way that hydrocarbon fluid flowing out of it is conducted to the plasma zone 13.
  • the hydrocarbon fluid discharge port 21 is thus aligned with the plasma zone.
  • the conduit 7 has a hydrocarbon conduit 18 and a protective gas conduit 19.
  • the hydrocarbon line 18 and the protective gas line 19 can run next to each other or can lie inside one another, the hydrocarbon line 18 preferably being arranged in the protective gas line 19.
  • the hydrocarbon line 18 and the inert gas line 19 can also partially extend next to one another and lie close to the dispensing opening 21.
  • the hydrocarbon inlet 5 is formed by a bundle of hydrocarbon lines 18-1, 18-n.
  • the hydrocarbon lines 18-1,... 18-n are in this case surrounded by a common protective gas line 19.
  • the bundle of hydrocarbon lines 18-1, 18-n is again attached to the reactor wall 3 at a first end, and each hydrocarbon line 18-118-n has at an opposite second end a hydrocarbon fluid discharge port 21-1, 21-n , Also in this case, each of the discharge openings 21 -1, 21 -n for hydrocarbon fluid to the plasma zone 13 aligned tet.
  • the output of hydrocarbon fluid from the individual hydrocarbon lines 18-1 18-n is separately controllable.
  • each of the hydrocarbon lines 18-1, 18-n may be surrounded by its own protective gas line 19 (not shown in the figures), so that the output of protective gas can also be controlled separately.
  • the hydrocarbon lines 18-1, 18-n are optionally cooled by a coolant in one or more coolant lines 20. Cooling by the coolant lines 20 prevents the hydrocarbon fluid from decomposing in an uncontrolled manner. Although the coolant lines 20 are shown only in Fig. 4a for ease of illustration, they may be provided in all embodiments.
  • the individual hydrocarbon lines 18-1, 18-n have discharge openings 21 -1, 21 -n with different flow cross-sections.
  • an output of hydrocarbon fluid from a first hydrocarbon conduit 18-1 having a first delivery port 21-1 may be varied by means of valves (not shown) through a first output range of hydrocarbon fluid, and an output of hydrocarbon fluid from a second hydrocarbon conduit 18-2 a corresponding second dispensing opening 21 -2 can be varied via a second output range for hydrocarbon fluid.
  • the first output port 21-1 is used for a different range of output speeds than the second output port 21-2.
  • the first output port 21-1 is used for a different range of the mass flow than the second output port 21-2.
  • the output areas are different and may be adjacent or overlapping. The first and second discharge areas together form a total output area for hydrocarbon fluid.
  • the location and shape of the cloud of hydrocarbon fluid can be varied as the hydrocarbon fluid is dispensed through multiple dispensing ports simultaneously.
  • a large-flow discharge port is located in the center of the group of discharge ports (corresponding to 18-7 in FIG. 4b)
  • the position of the cloud of the hydrocarbon fluid relative to the tips of the electrodes of the torch member 1 may be affected.
  • the pressure of the hydrocarbon fluid increases upon introduction, the cloud of hydrocarbon fluid shifts closer to the tips of the electrodes.
  • the pressure of the hydrocarbon fluid is reduced at introduction, the cloud of hydrocarbon fluid moves away from the tips of the electrodes.
  • the shape of the cloud of the hydrocarbon fluid can also be influenced, for example approximately round, oval or conical.
  • the cloud of the hydrocarbon fluid may flow toward the reactor wall 3 or be moved away from it.
  • the hydrocarbon line (s) 18 or 18-1, 18-n and the inert gas line 19 are arranged so that in operation an outflowing hydrocarbon fluid is surrounded by a protective gas.
  • the output velocity of the shielding gas is significantly less than the output rate of the hydrocarbon fluid, in particular at least five times lower.
  • an optional purge gas line 22 is arranged in the vicinity of the base part 9 of the plasma burner 7.
  • the purge gas line 22 By means of the purge gas line 22, a curtain of purge gas between the reactor wall 3 and the plasma torch 7 can be initiated.
  • the purge gas may be the same gas that is also used as the plasma gas.
  • the mass flow of the purge gas is less than the mass flow of the hydrocarbon fluid, preferably at least 10 times lower.
  • the plasma reactor 1 has, in the lower region of the reactor chamber 2 or at the outlet 15, a device 24 for measuring a size of the C particles of the H 2 / C aerosol.
  • Devices for measuring a particle size are known and are described, for example, in: Leschonski, Kurt “Fundamentals and Modern Methods of Particle Measurement", Institute of Mechanical Process Engineering and Environmental Engineering, Clausthal University of Technology, 1988.
  • Various measuring methods can be used, and the device 24 can, for example - se is one of the following: a differential mobility analyzer (DEMC), a differential mobility analyzer (DE-MAS) or a laser diffraction analyzer (Laser Diffraction Analyzer) is not on these are restricted.
  • DEMC differential mobility analyzer
  • DE-MAS differential mobility analyzer
  • Laser Diffraction Analyzer Laser Diffraction Analyzer
  • the plasma reactor 1 has a pressure sensor 26, which is arranged in connection with the reactor chamber 2 and can sense the pressure in the reactor chamber 2, ie the backpressure.
  • the pressure sensor 26 is arranged, for example, in the lower region of the reactor chamber 2 in order to protect it from the direct influence of the plasma.
  • the pressure sensor 26 may, for example, be arranged along the center axis 4 at approximately the same distance from the plasma torch 7, in which the lines 17, 18, 19 for hydrocarbon and inert gas are attached to the reactor wall 3.
  • the plasma reactor 1 further includes a second pressure sensor (not shown) which can sense the pressure of the hydrocarbon fluid in front of the discharge port 21 or 21-1, 21-n, that is, the admission pressure.
  • Hydrocarbon fluid is introduced through the hydrocarbon line 18 in the direction of the plasma zone 13. Individual hydrocarbon molecules can not penetrate the high-viscosity plasma, as has been shown by experiments and calculations. Due to the high temperature of the plasma, the hydrocarbon fluid on the way to the plasma zone 3 is first decomposed into product gas (C atoms and H atoms). At the same time, C particles (carbon black particles - a kind of graphite) form from the C atoms. This process takes about 8-12 ms.
  • one or more hydrocarbon fluid introduction parameters are varied, in particular (a) a flow area of the hydrocarbon inlet (with constant mass flow, the flow rate of the hydrocarbon fluid can thereby be changed and, alternatively, the mass flow can be changed at a constant flow rate); (b) a pressure difference between a pressure in the reactor chamber and a pressure of the hydrocarbon fluid at a position in front of the hydrocarbon inlet (thereby, the mass flow and the flow velocity can be changed, in particular finely adjusted); or (c) a flow rate of the hydrocarbon fluid at the hydrocarbon inlet (the flow rate may be influenced by changing the flow area of the hydrocarbon inlet or by changing the mass flow).
  • These operating parameters influence the size of the C particles and their motion impulse.
  • a correlation between a particle size of the C particles and the at least one parameter of the introduction of hydrocarbon fluid can be determined.
  • the operation of the plasma Reactor 1 is controlled by a controller (not shown), and the correlation between the particle size and the operating parameters is stored in a map in a memory of the controller.
  • the parameters for the introduction of hydrocarbon fluid are controlled so that the particle size of the C particles is minimal to avoid hard or solid deposits.
  • small C particles can be processed better. Small C particles are particularly advantageous when the C particles are to be converted to CO, for example, when the plasma reactor 1 is used in a device for producing CO or synthesis gas as a hydrocarbon converter.
  • a plasma reactor 1 with a plurality of outlets 15-1 and 15-2 ( Figure 2) is advantageous for a device for generating CO or synthesis gas, since a portion of the hydrogen can be discharged via the second outlet 15-2 and the ratio of CO can be changed to H 2 .
  • a pressure difference between (i) a pressure of the hydrocarbon fluid at a point in front of the hydrocarbon inlet and (ii) a pressure in the reactor chamber or a pressure at a point after the outlet is continuously sensed and a sudden change in the sensed pressure difference is detected ,
  • the pressure at a position downstream of the outlet 15 is related to the pressure in the reactor chamber 2.
  • a significant change in the pressure or pressure rise in the reactor chamber is an indication that the product gas described above is generated from C atoms and H atoms and the desired flow of product gas to the wall of the reactor chamber occurs.
  • the size of the C particles generated from the C atoms of the product gas is somewhat randomized. That is, very large C particles (or very small C particles) can not be completely avoided.
  • the flow of most of the product gas to the wall of the reactor chamber ensures that predominantly small C particles are produced from this part of the product gas.
  • the measurement of the pressure difference and the measurement of the particle size can be carried out independently.
  • the measurement of the pressure difference is used as a support to improve the accuracy and speed of the control.
  • the pressure in the reactor chamber 2 and the temperature outside the plasma zone 13 are kept slightly below the sublimation conditions of graphite.
  • the pressure in the reactor chamber 2 is maintained at about 20 bar (+/- 10%), and the temperature outside the plasma zone 13 is kept below 3900 ° C., so that the C particles do not sublime and condense on the reactor wall 3 ,
  • the output of hydrocarbon fluid from the hydrocarbon lines 18-1, 18-n is separately transferred controlled different output ranges.
  • the output of hydrocarbon fluid can be varied over a wide range, e.g. in terms of mass per time, pressure, flow rate.
  • the output velocity and the difference between the primary pressure and the back pressure of the first dispensing opening 21 -1 are varied to introduce hydrocarbon in a first portion of the mass flow in the reactor chamber 2.
  • the size of the second dispensing opening 21-2 is suitable for a different range of mass flow, and accordingly the dispensing speed and the difference between the pre-pressure and the back pressure are varied in a mating other area.
  • the size of the third output port 21-3 is again suitable for another range of mass flow, and so on.
  • the parameters for introducing hydrocarbon fluid may be varied for the output areas of the dispensing openings 21 -1, 21-n, as shown in the following Table 1:
  • the output ranges differ and are contiguous, ie, the velocity range v 2 i -2 , min to v 2 i- 2 , max of the next adjoin the velocity range v 2 i- 1 im in to V2i-i, max of the output aperture 21 -1 Output port 21 -2, and so on until 21-7.
  • the range of the pressure difference Ap 2 is adjacent. min to Ap 21- i. max between the pre-pressure and the back pressure of the discharge port 21-1 to the range of the pressure difference ⁇ p 2 i-2, min to ⁇ p 2 -i-2.ma of the next discharge port 21-2, and so on until 21-7.
  • the range m 2 ii, min to m 2 ii, ma of the mass flow from the discharge opening 21 -1 adjoins the range m 2 i-2, min to m2i- 2 , max of the mass flow from the discharge port 21 -2, and continue until 21 -7.
  • the adjacent discharge areas of the discharge openings 21 -1, 21-7 together form an entire discharge area in which the output with respect to flow rate, mass flow and pressure difference can be varied without interrupting the operation.
  • the output areas of the dispensing openings 21 -1, 21 -n may also be partially over-lapping so that a smooth transition between the dispensing openings 21 -1, 21-n is possible.
  • hydrocarbon lines 18 - 1, 18 - n can be used simultaneously, the hydrocarbon starting from an initial number of hydrocarbon lines 18 - 1, 18 - n - Hydrogen fluid is additionally or less introduced into the reactor chamber 2 by one or more hydrocarbon lines 18-1, 18-n.
  • the hydrocarbon fluid is first discharged from the discharge ports 21-1, 21-n of four hydrocarbon lines 18-1, 18-n with a first pressure difference.
  • the hydrocarbon fluid is first discharged from the discharge ports 21-1, 21-n of five hydrocarbon lines 18-1, 18-n with a second pressure difference, the mass flow remaining the same regardless of how many hydrocarbon lines 18-1, 18- n the hydrocarbon fluid to the plasma zone 13 flows.
  • a longer uninterrupted operation of the plasma reactor 1 can be achieved independently of whether the hydrocarbon inlet 5 is a single hydrocarbon line 18 or several 17 hydrocarbon lines 18-18. 1, 18-n.
  • hydrocarbon fluid is introduced toward the plasma zone 13.
  • the heat decomposes the hydrocarbon fluid to form C particles and hydrogen.
  • the C particles continue to flow to the plasma zone 13 because of the orientation of the hydrocarbon inlet 5 and its pulse.
  • decomposition of the hydrocarbon fluid and C particle formation takes about 8-12 ms (9 ms on average).
  • the decomposition of the hydrocarbon fluid and growth of the finished C particles in this case takes about 9 ms, according to the inventors' calculations in this case. Therefore, although C particles reach the plasma zone 13, the plasma represents a barrier for the C particles. In order to penetrate into the plasma zone 13, a minimum energy (momentum) is necessary.
  • the operating temperature in the plasma reactor 1 is 2500-3500 ° C between the arc at the burner part 1 1 and the reactor wall 3, wherein the temperature decreases in the direction of the reactor wall 3.
  • the sublimation temperature of graphite (C particles) is about 3800 ° C. Since the temperature in the plasma zone 13 is about 5000-15000 ° C, submerge the C-particles after entering the plasma zone 13 continuously with reformation to atomic carbon (carbon atom). The parameters for the introduction of the hydrocarbon fluid are therefore controlled so that large C particles are generated.
  • the parameters for the initiation are set, for example, based on the characteristic map in the memory of the control device of the plasma reactor 1.
  • a size distribution of the carbon particles is influenced, for example, by means of the following parameters of the output of hydrocarbon fluid: flow cross-section of the hydrocarbon inlet; Pressure difference between (i) a pressure of the hydrocarbon fluid at a location in front of the hydrocarbon inlet and (ii) a pressure in the reactor chamber or a pressure after the outlet; Flow rate of the hydrocarbon fluid at the hydrocarbon inlet.
  • the size of the C particles can be measured by means of the particle size measuring device 24.
  • Controlling the flow rate of the hydrocarbon fluid from the hydrocarbon inlet 5 is particularly advantageous.
  • the mass of a C atom is a constant, and the momentum of a C particle is additively composed of the momenta of the C atoms of which it consists.
  • Pulse of a C-particle with n carbon atoms: Pc- pa rticie nm C - a tom v.
  • the momentum of a C particle depends only on the number of carbon atoms (ie the particle size) and the flow velocity v.
  • the parameters for introducing the hydrocarbon fluid are controlled based on the map so that at least a portion of the C particles is sufficiently large to penetrate the plasma zone 13 and to migrate to the electrodes of the plasma torch 7.
  • the number and size of the C particles (and the total number of carbon atoms contained therein) is subject to a statistical distribution function, with all C particles having a velocity dependent on the flow velocity from the output port (s) 21 or 21 -1, 21 -n to have.
  • the parameters for the introduction of the hydrocarbon fluid in particular the flow velocity v
  • the statistical distribution function of the size of the C particles can be influenced so that a small part of the C particles is sufficiently large and has sufficient kinetic energy (momentum) to and to pass through the plasma zone 13. Although these sufficiently large C particles are subject to sublimation in the plasma zone 13, some of these C particles deposit on the electrode and compensate for erosion.
  • the particle size is not the sole decisive parameter, but also the momentum of the particles. Therefore, a definite particle size can not be specified.
  • a small particle has a diameter of less than 20 nm
  • a medium particle has a diameter of 20 nm to 60 nm
  • a large particle has a diameter of more than> 60 nm.
  • Small C particles can not enter the plasma zone 13. Although medium-sized C particles can penetrate into the plasma zone 13, they are greatly attenuated. slows.
  • the small and medium-sized C particles sublime to C atoms and flow laterally to the reactor wall 3, the C atoms newly forming on cooling to small C particles. Since the entire H 2 / C aerosol consistently cools, no "cold methane" grows on existing C particles (as in WO93 / 20152).
  • the large C particles with high kinetic energy can penetrate into the plasma zone 13 and penetrate them, while at the same time small and large After sublimation on or in the plasma zone 3, transform medium-sized C particles into very small C particles.
  • the size of the C particles, which flow laterally to the reactor wall 3 and down to the outlet 15, is thus smaller than in the case of known plasma reactors, namely in the range of less than 50 nm diameter, preferably less than 30 nm diameter. Further, the thickness of the deposition of the carbon on the electrode ends and the time of introducing hydrocarbon fluid are measured.
  • the flow velocity v at which the hydrocarbon fluid is introduced is adjusted so that the deposition of the carbon on the electrode ends is as fast as the erosion of the electrode due to the sublimation of the carbon.
  • the resistance that the plasma gas brings to the C particles depends on the composition of the plasma gas, its flow velocity, its viscosity (temperature, degree of ionization) and its extent (reactor design, mass flow per unit time). It should be noted that for a given plasma reactor 1 there is not a fixed flow rate of the hydrocarbon in which the deposition of carbon on the electrode is always equal to erosion by sublimation. This balance depends on many secondary parameters that can be varied independently.
  • the power of the electrode (the injected amount of current in MW and thus the energy introduced by the electrode into the plasma reactor 1) can be increased significantly if the carbon deposition on the electrode is correspondingly increased.
  • the increased by the electrical power increase rate of sublimation of the electrode material is compensated by a higher carbon deposition and the electrode remains virtually erosion-free.
  • targeted deposition of C particles on the electrode it is thus possible not only to increase the service life of the electrode but at the same time also to increase the capacity of the plasma reactor 1. It should be understood that the methods described herein may be practiced regardless of whether the hydrocarbon inlet 5 has a single hydrocarbon line 18 or multiple hydrocarbon lines 18-1, 18-n.

Abstract

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Plasmareaktor zur Zersetzung von Kohlenwasserstoffen vorzusehen, der einen stabilen Betrieb über einen längeren Zeitraum gestattet. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Plasmareaktor (1) zum Aufspalten eines Kohlenwasserstofffluids, der eine Reaktorkammer (2) aufweist, die von einer Reaktorwand (3, 3a, 3b) umschlossen ist und wenigstens einen Kohlenwasserstoffeinlass (5) und einen Auslass (15) aufweist. Ein Plasmabrenner (7) mit wenigstens zwei Elektroden, die an einem ersten Ende einen Basisteil (9) aufweisen, ist an der Reaktorwand befestigt. Die Elektroden weisen an einem zweiten Ende einen Brennerteil (11) auf, der in die Reaktorkammer ragt, und eine Plasmazone (13) ist zwischen den Brennerteilen von benachbarten Elektroden definiert. In einem Bereich zwischen der Plasmazone und dem Auslass mündet der Kohlenwasserstoffeinlass in die Reaktorkammer, und der Kohlenwasserstoffeinlass ist zur Plasmazone so ausgerichtet, dass daraus ausströmendes Kohlenwasserstofffluid zur Plasmazone hin geleitet wird. Bei dem hier offenbarten Plasmareaktor entstehen hauptsächlich kleine C-Partikel, die das Fouling bzw. Zuwachsen der Reaktorkammer verhindern. Weiterhin dringen einige große und schwere C-Partikel, die statistisch entstehen können, durch die Plasmawolke und können sich gezielt an den Elektroden anlagern.

Description

Plasmareaktor und Verfahren zum Betrieb eines Plasmareaktors
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Plasmareaktor und Verfahren zum Betrieb eines Plasmareaktors zum Aufspalten eines Kohlenwasserstofffluids.
Hintergrund
In US 5 997 837 A1 wird ein bekannter Plasmareaktor beschrieben, der in den 1990er Jahren als Versuchsreaktor zur Herstellung von Kohlenstoffpartikeln bzw. C- Partikeln eingesetzt wurde. Der bekannte Plasmareaktor weist eine Reaktorkammer auf, die von einer Reaktorwand umschlossen ist. An der Reaktorwand ist ein Plasmabrenner befestigt, der ringförmige Elektroden aufweist. Der Plasmabrenner weist einen Brennerteil auf, der in die Reaktorkammer ragt. In der Mitte der ringförmigen Elektroden befindet sich ein mittiger Kohlenwasserstoffeinlass, welcher dazu geeig- net ist, in axialer Richtung ein Kohlenwasserstofffluid einzuleiten. Die Reaktorkammer ist im Wesentlichen zylinderförmig, und an ihrer Außenwand sind mehrere weitere radial ausgerichtete Kohlenwasserstoffeinlässe vorgesehen. Am anderen Ende der Reaktorkammer gegenüberliegend zum Plasmabrenner weist der Plasmareaktor einen Auslass auf, durch den die Stoffe austreten können, die aus der Aufspaltung des eingeleiteten Kohlenwasserstofffluids resultieren. Im Betrieb des bekannten Plasmareaktors wird am Brennerteil entlang der ringförmigen Elektroden im zeitlichen Durchschnitt ein ringförmiges Plasma gebildet. Ein Kohlenwasserstofffluid wird über den mittigen Kohlenwasserstoffeinlass in den mittleren Bereich des ringförmigen Plasmas eingeleitet. Das Kohlenwasserstofffluid wird bei Betriebstemperaturen von bis zu 2000°C in Wasserstoff und C-Partikel aufgespalten. Durch die weiteren radial ausgerichteten Kohlenwasserstoffeinlässe wird zusätzliches Kohlenwasserstofffluid eingeleitet, das in zusätzlichen Wasserstoff und zusätzlichen Kohlenstoff aufgespalten wird. Der zusätzliche Kohlenstoff lagert sich an den schon vorhandenen C- Partikeln an und erzeugt größere C-Partikel. Die C-Partikel und der Wasserstoff tre- ten als H2/C-Aerosol aus dem Auslass des Plasmareaktors aus. Ein ähnliches System wird in WO93/20152 beschrieben.
Ein großes Problem bei der Zersetzung von Kohlenwasserstoffen in C-Partikel und Wasserstoff ist die unkontrollierte Ablagerung von C-Partikeln (sogenanntes Fouling) an den Wänden der Reaktorkammer und an anderen Teilen der Vorrichtung. Während das Fouling zu festen Kohlenstoffablagerungen oder Krusten führt, die nur schwer gelöst werden können, ist eine Anlagerung von lockeren C-Partikeln (sogenannte Sedimente) weniger problematisch, da diese lockeren Sedimente sich entweder während des Betriebs von selbst lösen oder einfach mechanisch gelöst werden können, z.B. durch Auskratzen oder Bürsten. Eine Vorhersage des Auftretens von Fouling war bisher schwer, und das Phänomen wurde im Stand der Technik nur unzureichend verstanden. Teilweise lagerte sich bei den bekannten Plasmareaktoren innerhalb von wenigen Minuten so viel Kohlenstoff an den Wänden der Reaktorkammer ab, dass die Reaktorkammer "zugewachsen" war und der Betrieb abgebrochen werden musste. Andererseits kam es bei Plasmareaktoren mit Elektroden aus Gra- phit zu einer Erosion der Elektroden, was ebenfalls zum Abbruch des Betriebs führte.
Allgemeine Beschreibung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Plasmareaktor zur Zersetzung von Kohlen- Wasserstoffen vorzusehen, der einen stabilen Betrieb über einen längeren Zeitraum gestattet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Plasmareaktor zum Aufspalten eines Kohlen- wasserstofffluids, der eine Reaktorkammer aufweist, die von einer Reaktorwand um- schlössen ist und wenigstens einen Kohlenwasserstoffeinlass und einen Auslass aufweist. Ein Plasmabrenner mit wenigstens zwei Elektroden, die an einem ersten Ende einen Basisteil aufweisen, ist an der Reaktorwand befestigt. Die Elektroden weisen an einem zweiten Ende einen Brennerteil auf, der in die Reaktorkammer ragt, und eine Plasmazone ist am Ende von den Brennerteilen von benachbarten Elektro- den definiert. Im Betrieb wird zwischen den Elektroden eine elektrische Spannung angelegt, wodurch am Ende von den Brennerteilen ein Plasma erzeugt wird. In einem Bereich zwischen der Plasmazone und dem Auslass mündet der Kohlenwasserstoffeinlass in die Reaktorkammer, und der Kohlenwasserstoffeinlass ist zur Plasmazone so ausgerichtet, dass daraus ausströmendes Kohlenwasserstofffluid zur Plasmazone hin geleitet wird.
Die Wahl dieser speziellen Art der Einleitung direkt zur Plasmazone hin, hier auch Head-on-Feeding genannt, erreicht den vorteilhaften Effekt, dass die eingeleiteten Kohlenwasserstoffe (vorzugsweise Methan, Erdgas usw.) in der Nähe des Lichtbo- gens bei extrem hohen Temperaturen zersetzt werden. Nahe dem Lichtbogen des Plasmabrenners und innerhalb des Plasmas herrscht eine Temperatur oberhalb der Sublimationstemperatur von Kohlenstoff und oberhalb der Spaltungstemperatur von Wasserstoff. Bei dem gasförmigen Kohlenwasserstoff Methan wird eine Verfünffachung des Gasvolumens verursacht (CH4 -> C + 4H), da ein Methanmolekül in fünf gasförmige Einzelatome zerfällt. Falls schwerere Kohlenwasserstoffen mit längeren C-Ketten eingeleitet werden, wird das Gasvolumen noch stärker vervielfacht
(CnHm -> nC + mH). Da im Betrieb kontinuierlich Kohlenwasserstofffluid (z.B. Methan) nachströmt, müssen die Stoffe C und H (Produktgas) zur Seite hin abfließen. Wegen der Reaktorwand kann das Produktgas aus C und H nicht schnell genug abfließen, und es kommt zu einer Stauung des sehr heißen Produktgases unmittelbar vor dem Lichtbogen des Plasmabrenners. Diese Wolke aus heißem Produktgas wird von anströmendem Kohlenwasserstofffluid teilweise penetriert und heizt dieses über Kon- vektion und Strahlung auf mehrere Tausend Grad Celsius auf bevor es zur Seite abgeführt wird und dann außen in Nähe der Reaktorwand nach unten in Richtung des Ausgangs des Plasmareaktors strömt. Dabei überträgt das Produktgas aus C und H im Gegenstromprinzip Wärme an das aufsteigende Kohlenwasserstofffluid im Zentrum der Reaktorkammer.
Aus dem Kohlenstoff des Produktgases entstehen C-Partikel (Carbon Black, Aktivkohle) im Wesentlichen durch Aggregation lokaler Konzentrationen von Kohlenstoff- atomen aus der Gasphase. Bei dem hier offenbarten Plasmareaktor entstehen hauptsächlich kleine C-Partikel, die das Fouling bzw. Zuwachsen der Reaktorkammer verhindern. Weiterhin dringen einige große und schwere C-Partikel, die statistisch entstehen können, durch die Plasmawolke und können sich gezielt an den Elektroden anlagern. Dadurch wird ein Materialverlust der Elektroden durch Erosion ausge- glichen. Folglich kann der hier beschriebene Plasmareaktor im Vergleich zum Stand der Technik deutlich längere Einsatzzeiten ohne Unterbrechung erreichen.
Wenn bei dem Plasmareaktor eine Auslassrichtung durch eine Linie von der Plasmazone zum Auslass definiert wird, ist der Kohlenwasserstoffeinlass insbesondere ent- gegen der Auslassrichtung ausgerichtet. Die Wolke aus heißem Produktgas wird zwischen dem anströmendem Kohlenwasserstofffluid aus dem Kohlenwasserstoffeinlass und dem Plasma am Brennerteil zusammengedrückt, wodurch eine Flussrichtung zur Reaktorwand beschleunigt wird. Dadurch können sich nur wenige C-Atome zusammenlagern und es bilden sich nur kleine C-Partikel. Wenn Graphit-Elektroden für den Plasmabrenner verwendet werden, sind diese Graphit-Elektroden so ausgelegt, dass sie im Betrieb zumindest an der Spitze heißer als 2800°C (Temperatur bei der Graphit einen nicht mehr vernachlässigbaren Dampfdruck aufweist) aber kälter als 3900°C (Temperatur, bei der Graphit sublimiert) sind. Bei einem Betriebsverfahren werden zumindest die Zufuhr von elektrischer Energie zu den Graphit-Elektroden sowie der Einleitungsdruck und die Einleitungsrate des Kohlenwasserstofffluids so gesteuert, dass die Temperatur an der Spitze heißer als 2800°C aber kälter als 3900°C ist. Bei einem bekannten Plasmareaktor, z.B. gemäß US 5 997 837 A1 , wurde die Temperatur an der Spitze des Plasmabrenners nicht genau geregelt. Bei Temperaturen über 3900°C wird gasförmiger Kohlenstoff erzeugt, der von einer Graphit-Elektrode abdampft. Da weiter beim Betrieb in der Reaktorkammer ein Fluss von der Elektrode in Richtung zum Auslass erzeugt wird, wird der gasförmige Kohlenstoff (der Partial- druck des Graphits) durch diesen Fluss in Richtung zum Auslass kontinuierlich abgeleitet. Die Erfinder haben herausgefunden, dass daher beim bekannten Plasmareaktor die Elektrode an ihren heißesten Zonen erodiert (besonders die Spitze). Durch die Einleitung des Kohlenwasserstofffluids direkt zur Plasmazone (Head-on-Feeding) ergibt sich der vorteilhafte Effekt, dass der Partialdruck gasförmigen Kohlenstoffs in der Umgebung der Elektrode erhöht wird. Folglich wird der Partialdruck nicht mehr durch Verdampfung der Elektrode aufrecht erhalten, und die Erosion der Elektrode wird gestoppt. Wenn der Dampfdruck des Kohlenstoffs an der Elektrode aber zu hoch wird, dann re-sublimiert der Kohlenstoff auf der Elektrode, da die Temperatur der Elektrode unterhalb der Sublimationstemperatur des Graphits liegt.
Vorteilhafterweise wird der Kohlenwasserstoffeinlass des Plasmareaktors durch eine Leitung gebildet, die an einem ersten Ende an der Reaktorwand befestigt ist, und die an einem entgegengesetzten zweiten Ende eine Ausgabeöffnung für Kohlenwas- serstofffluid aufweist, und die Leitung ist so geformt, dass die Ausgabeöffnung für Kohlenwasserstofffluid zur Plasmazone ausgerichtet ist. Auf diese Weise kann die Einleitung von Kohlenwasserstofffluid in die Reaktorkammer in einfacher Weise ausgeführt werden und die Leitung kann zusätzlich gekühlt werden, falls die Kühlung durch das eingeleitete Kohlenwasserstofffluid nicht reicht. In einem Ausführungsbeispiel wird der Kohlenwasserstoffeinlass des Plasmareaktors durch ein Bündel von Kohlenwasserstoffleitungen gebildet, wobei das Bündel von Kohlenwasserstoffleitungen an einem ersten Ende an der Reaktorwand befestigt ist, und wobei jede Kohlenwasserstoffleitung an einem entgegengesetzten zweiten Ende eine Ausgabeöffnung für Kohlenwasserstofffluid aufweist. Das Bündel von Kohlenwasserstoffleitungen ist in diesem Fall so geformt, dass jede der Ausgabeöffnungen für Kohlenwasserstofffluid zur Plasmazone ausgerichtet ist. Weiter ist die Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid aus den einzelnen Kohlenwasserstoffleitungen des Bündels separat steuerbar. So kann die Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid (d.h. die Einleitung in den Plasmareaktor) über einen großen Bereich variiert werden, z.B. bezüglich der Masse pro Zeit, des Druckes des Kohlenwasserstofffluids vor der Aus- gabeöfmung (Vordruck), der Strömungsgeschwindigkeit an der Ausgabeöffnung.
Weiter ist es vorteilhaft, wenn die einzelnen Kohlenwasserstoffleitungen jeweils Ausgabeöffnungen mit unterschiedlich großem Strömungsquerschnitt aufweisen. Bei konstantem Massestrom kann dadurch die Strömungsgeschwindigkeit des Kohlen- wasserstofffluids verändert werden. Alternativ kann bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit dadurch der Massestrom verändert werden. Diese Möglichkeiten zur Veränderung beeinflussen wieder die Größe der C-Partikel und deren Bewegungsimpuls. Außerdem ist es bei dieser Ausführung möglich, den Kohlenstoff Partialdruck an der Elektrode so zu regulieren, dass es einerseits nicht zu verstärkten Ablagerun- gen (zu hoher Partialdruck) andererseits aber auch nicht zur Erosion der Elektrode kommt (zu niedriger Dampfdruck). Bei der Düse mit dem größten Strömungsquerschnitt werden der Druck, und die Flussrate so gesteuert, dass die Wolke des Kohlenwasserstofffluids in die Nähe der Elektrodenspitzen kommt. Bei den kleineren Düsen werden der Druck, und die Flussrate so gesteuert, dass die Ränder der Wolke des Kohlenwasserstofffluids gezielt an die Elektrodenspitze herangeführt werden (Feinjustierung).
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Strömungsquerschnitte der Ausgabeöffnungen der Kohlenwasserstoffleitungen unterschiedlich sind, wobei eine Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid aus einer ersten Kohlenwasserstoffleitung mit einer ersten Ausgabeöffnung mittels Ventilen über einen ersten Ausgabebereich für Kohlenwasserstofffluid variiert werden kann, und wobei eine Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid aus wenigstens einer zweiten Kohlenwasserstoffleitung mit einer entsprechenden zweiten Ausgabeöffnung mittels Ventilen über wenigstens einen zweiten Ausgabebe- reich für Kohlenwasserstofffluid variiert werden kann, wobei der wenigstens eine zweite Ausgabebereich sich zumindest teilweise vom ersten Ausgabebereich für Kohlenwasserstofffluid unterscheidet. Dabei bilden der erste Ausgabebereich und der wenigstens eine zweite Ausgabebereich zusammenwirkend einen gesamten Ausgabebereich für Kohlenwasserstofffluid des Kohlenwasserstoffeinlasses. So können die Ausgabeparameter ohne Unterbrechung des Betriebs des Plasmareaktors über einen weiten Bereich variiert werden. Dadurch ist es auch möglich, Versuche zu optimalen Betriebsparametern für den Plasmareaktor auszuführen. Außerdem kann der Plasmareaktor für unterschiedliche Kohlenwasserstoffe und variierende Betriebszustände eingestellt werden. In einem Ausführungsbeispiel weist der Plasmareaktor eine Vorrichtung zum Messen einer Partikelgröße auf. So kann eine Steuervorrichtung des Plasmareaktors die Betriebsparameter abhängig von der Partikelgröße regeln. Wenn die Partikelgröße kontinuierlich gemessen wird, und gleichzeitig einzelne Betriebsparameter verändert werden, kann weiter ein Kennfeld erstellt werden, das die Beziehung zwischen der Partikelgröße und den verschiedenen Betriebsparametern repräsentiert.
Weiter kann der Plasmareaktor einen Drucksensor aufweisen, der ausgebildet ist, um den Druck in der Reaktorkammer abzufühlen (entsprechend dem Gegendruck zum (Vor-)Druck vor der Ausgabeöffnung). Die Erfinder haben herausgefunden, dass eine starke Veränderung des Druckes in der Reaktorkammer ein Hinweis darauf ist dass eine Einstellung der Betriebsparameter erreicht wurde, bei der das oben beschriebene Produktgas aus C und H und die erwünschte Strömung zur Wand der Reaktorkammer auftreten. So kann mittels eines einfachen Drucksensors eine Einstellung erreicht werden, bei der kleine C-Partikel vorliegen.
Das Ziel der Erfindung wird weiter durch ein Verfahren zum Betrieb eines Plasmareaktors erreicht, wobei der Plasmareaktor zum Aufspalten eines Kohlenwas- serstofffluids ausgebildet ist und eine Reaktorkammer aufweist, die von einer Reaktorwand umschlossen ist und wenigstens einen Kohlenwasserstoffeinlass und einen Auslass aufweist. Ein Plasmabrenner mit wenigstens zwei Elektroden ist in der Reaktorkammer angeordnet, und eine Plasmazone ist zwischen benachbarten langgestreckten Elektroden definiert. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: Einleiten von Kohlenwasserstofffluid in Richtung zur Plasmazone in einen Bereich der Reaktorkammer zwischen der Plasmazone und dem Auslass, und Zersetzen des Kohlen- wasserstofffluids in Kohlenstoffpartikel und Wasserstoff; Variieren wenigstens eines Parameters der Einleitung von Kohlenwasserstofffluid; Bestimmen einer Korrelation zwischen einer Partikelgröße der Kohlenstoffpartikel und dem wenigstens einen Parameter der Einleitung von Kohlenwasserstofffluid während des Variierens. Wenn die Partikelgröße kontinuierlich gemessen wird, und gleichzeitig einzelne Betriebsparameter verändert werden, kann weiter ein Kennfeld erstellt werden, das die Beziehung zwischen der Partikelgröße und den verschiedenen Betriebsparametern repräsentiert. Aus der Korrelation zwischen Partikelgröße und dem wenigstens einen Parameter der Einleitung von Kohlenwasserstofffluid können Parameter gewählt werden, bei denen hauptsächlich kleine C-Partikel erzeugt werden, die das Fouling bzw. Zuwachsen der Reaktorkammer verhindern. Ebenso können gezielt große und schwere C- Partikel erzeugt werden, die durch die Plasmawolke dringen und sich gezielt an den Elektroden anlagern, um einen Materialverlust der Elektroden durch Erosion auszugleichen. Weiter wird eine Einstellung der Betriebsparameter in Betracht gezogen, bei der einige große und schwere C-Partikel statistisch entstehen, und den Materialverlust der Elektroden ausgleichen. Folglich erreicht das hier beschriebene Verfahren im Vergleich zum Stand der Technik deutlich längere Einsatzzeiten ohne Unterbrechung.
Bei diesem Verfahren ist der eingestellte Betriebsparameter der Einleitung von Kohlenwasserstofffluid vorteilhafterweise wenigstens einer der Folgenden:
- ein Strömungsquerschnitt des Kohlenwasserstoffeinlasses (bei konstantem Massestrom kann dadurch die Strömungsgeschwindigkeit des Kohlenwasserstofffluids verändert werden, und alternativ kann bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit dadurch der Massestrom verändert werden);
- eine Druckdifferenz zwischen (i) einem Druck des Kohlenwasserstofffluids an einer Stelle vor dem Kohlenwasserstoffeinlass und (ii) einem Druck in der Reaktorkammer oder einem Druck nach dem Auslass (dadurch können der Massestrom und die Strömungsgeschwindigkeit verändert werden, insbesondere fein eingestellt werden);
- eine Strömungsgeschwindigkeit des Kohlenwasserstofffluids am Kohlenwasserstoffeinlass (die Strömungsgeschwindigkeit kann durch Veränderung des Strö- mungsquerschnittes des Kohlenwasserstoffeinlasses oder durch Veränderung des Massestroms beeinflusst werden).
Diese Veränderungen der eingestellten Betriebsparameter beeinflussen wieder die Größe der C-Partikel und deren Bewegungsimpuls. Vorzugsweise weist das Verfahren den Schritt auf, den wenigstens einen Parameter der Einleitung von Kohlenwasserstofffluid basierend auf der bestimmten Korrelation so zu steuern, dass die Partikelgröße der Kohlenstoffpartikel minimal ist. Aus Versuchen hat sich ergeben, dass keine harten oder festen Ablagerungen (Fouling) entstehen, wenn die erzeugten C-Partikel klein sind. Die Größe der C-Partikel hängt von der Länge des Zeitintervalls ab, in dem das wachsende C-Partikel auf thermisch zer- setzbare Kohlenwasserstoffmoleküle trifft. In Abwesenheit von thermisch zersetzbaren Kohlenwasserstoffmolekülen hängt sie außerdem von der räumlichen Verfügbarkeit agglomerisierfähiger C-Atome ab, d.h. von der Verfügbarkeit von C-Atomen in räumlicher Nähe, die sich zu einem C-Partikel zusammenfügen können. Diese räumliche Verfügbarkeit kann durch turbulente Strömung erhöht werden. Das Partikel- Wachstum kommt zum Erliegen, wenn im relevanten Volumensegment keine weiteren C-Atome mehr verfügbar sind. Die C-Partikel haben eine graphitartige Struktur, und einzelne C-Partikel können sich noch zu Clustern aggregieren (nicht-elastischer Stoß), wobei diese keine harten oder festen Strukturen und Ablagerungen bilden. In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird eine Druckdifferenz zwischen (i) einem Druck des Kohlenwasserstofffluids an einer Stelle vor dem Kohlenwasserstoff- einlass und (ii) einem Druck in der Reaktorkammer oder einem Druck an einer Stelle nach dem Auslass kontinuierlich abgefühlt und eine plötzliche Veränderung der abgefühlten Druckdifferenz detektiert. Es wurde herausgefunden, dass eine plötzliche Veränderung des Druckes oder des Druckanstiegs in der Reaktorkammer ein Hinweis darauf ist dass eine Einstellung der Betriebsparameter erreicht wurde, bei der das oben beschriebene Produktgas aus C und H und die erwünschte Strömung zur Wand der Reaktorkammer auftreten. So kann mittels einer Überwachung des Druckverlaufs eine Einstellung erreicht werden, bei der kleine C-Partikel vorliegen.
Vorzugsweise werden der Druck in der Reaktorkammer und die Temperatur außerhalb der Plasmazone geringfügig unter den Sublimationsbedingungen von Graphit (etwa 3900°C bei 20 bar) gehalten, insbesondere der Druck in der Reaktorkammer auf 20 bar gehalten und die Temperatur außerhalb der Plasmazone unterhalb von 3900°C gehalten. Dann kommt es sofort zur Partikelbildung und diese ist im Wesentlichen abgeschlossen, bevor das gebildete C-Partikel in der Nähe der Reaktorwand ankommt. Wenn die Partikelbildung abgeschlossen ist und kein unzersetzter Kohlenwasserstoff (z.B. Erdgas bzw. Methan) mehr vorhanden ist, neigt der gebildete C- Partikel nicht dazu, sich an der Reaktorwand abzulagern (d.h. zu kondensieren). In einem Ausführungsbeispiel wird der Kohlenwasserstoffeinlass durch ein Bündel von Kohlenwasserstoffleitungen gebildet, wobei das Bündel von Kohlenwasserstoffleitungen an einem ersten Ende an der Reaktorwand befestigt ist, und wobei jede Kohlenwasserstoffleitung an einem entgegengesetzten zweiten Ende eine Ausgabe- Öffnung für Kohlenwasserstofffluid aufweist. Dabei sind die Ausgabeöffnungen für Kohlenwasserstofffluid zur Plasmazone ausgerichtet und weisen Ausgabeöffnungen mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten auf. In diesem Fall weist das Verfahren den Schritt auf, die Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid aus den Kohlenwasserstoffleitungen separat zu steuern. So kann die Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid über einen großen Bereich variiert werden, z.B. bezüglich der Masse pro Zeit, des Druckes, der Strömungsgeschwindigkeit.
Die Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid kann über einen noch größeren Bereich variiert werden, wenn ein Verfahren angewendet wird, wobei der Kohlenwasserstoff- einlass ein Bündel von wenigstens N Kohlenwasserstoffleitungen aufweist, und folgende Schritte ausgeführt werden, wobei der Massenfluss des Kohlenwasserstoffflu- ids in den Schritten a) und b) gleich ist:
a) Einleiten von Kohlenwasserstofffluid aus den Ausgabeöffnungen von N Kohlenwasserstoffleitungen mit einer ersten Druckdifferenz zwischen (i) einem Druck des Kohlenwasserstofffluids an einer Stelle vor dem Kohlenwasserstoffeinlass und (ii) einem Druck in der Reaktorkammer oder einem Druck an einer Stelle nach dem Aus- lass;
b) Einleiten von Kohlenwasserstofffluid aus den Ausgabeöffnungen von N-1 oder N+1 Kohlenwasserstoffleitungen mit einer zweiten Druckdifferenz zwischen (i) einem Druck des Kohlenwasserstofffluids an einer Stelle vor dem Kohlenwasserstoffeinlass und (ii) einem Druck in der Reaktorkammer oder einem Druck an einer Stelle nach dem Auslass, wobei die zweite Druckdifferenz größer ist als die erste Druckdifferenz.
Die Erosion der Elektroden kann verringert oder verhindert werden wenn bei dem Verfahren eine Verteilung der Größe der Kohlenstoffpartikel basierend auf der Korrelation, so beeinflusst wird, dass ein kleiner Teil der Kohlenstoffpartikel ausreichend groß ist, um durch die Plasmazone zu wandern. Ein Teil dieser Kohlenstoffpartikel wird dann auf den Enden der Elektroden abgelagert. Weiter werden die Zeit des Einleitens von Kohlenwasserstofffluid und die Dicke der Ablagerung der Kohlenstoffpar- tikel auf den Elektrodenenden während dieser Zeit gemessen. Der Verlauf der Ablagerung von Kohlenstoff auf der Elektrode kann unter anderem durch fortlaufendes Messen des elektrischen Widerstandes an der Elektrode überwacht werden. Die Strömungsgeschwindigkeit, mit der das Kohlenwasserstofffluid eingeleitet wird, wird dann so modifiziert, dass die Ablagerung des Kohlenstoffs auf den Elektrodenenden genauso schnell erfolgt wie die Erosion der Elektrodenenden infolge von Sublimation des Kohlenstoffs bei hohen Temperaturen. Insbesondere ergeben sich Vorteile, wenn die Verteilung der Größe der Kohlenstoffpartikel mittels folgender Parameter der Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid beeinflusst wird:
- Strömungsquerschnitt des Kohlenwasserstoffeinlasses;
- Druckdifferenz zwischen (i) einem Druck des Kohlenwasserstofffluids an einer Stelle vor dem Kohlenwasserstoffeinlass und (ii) einem Druck in der Reaktorkammer oder einem Druck nach dem Auslass; und
- Strömungsgeschwindigkeit des Kohlenwasserstofffluids am Kohlenwasserstoffeinlass.
Eine Veränderung dieser Parameter der Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid beein- flusst die Größe der C-Partikel und deren Bewegungsimpuls, so dass gezielt C- Partikel erzeugt werden können, welche ausreichend Größe und genügend Bewegungsenergie bzw. Impuls haben, um die Plasmazone zu durchwandern und die Elektroden zu erreichen. Durch die beschriebene Anordnung der Einleitung von Kohlenwasserstofffluid und durch das Variieren der Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid kann die Größe der C- Partikel eingestellt werden und es ist möglich, der Erosion der Elektroden entgegenzuwirken. Diese Anordnung stellt eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar, wo die Einleitung von Kohlenwasserstofffluid in die Reaktorkammer bis- her nur bezüglich des Druckes in einem kleinen Bereich variiert werden konnte und eine Erosion der Elektroden auftrat. Durch die Ausrichtung des Kohlenwasserstoffeinlasses (d.h. der Ausgabeöffnung(en)) können also große C-Partikel mit großer kinetischer Energie in die Plasmazone eindringen und durch die Plasmazone wandern. Gleichzeitig formen sich kleine und mittelgroße C-Partikel nach einer Sublimation an oder in der Plasmazone (bei einer Temperatur von mehr als der Sublimationstemperatur von Kohlenstoff) zu sehr kleinen C-Partikeln um, weil sich kein weiterer Kohlenwasserstoff (z.B. Erdgas bzw. Methan) in der Nähe dieser C-Partikel zersetzen kann. Die Größe der C-Partikel, die seitlich zur Reaktorwand und nach unten zum Auslass des hier beschriebenen Plasmareaktors strömen, ist also kleiner als bei bekannten Plasmareaktoren, Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten und Vorteile derselben wird bzw. werden nachfolgend an bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Fig. 1 zeigt einen Plasmareaktor zum Aufspalten eines Kohlenwasserstofffluids gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung; Fig. 2 zeigt einen Plasmareaktor zum Aufspalten eines Kohlenwasserstofffluids gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung; Fig. 3 zeigt ein geschnittenes Detail Z eines Kohlenwasserstoffeinlasses für einen
Plasmareaktor gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 4a zeigt ein geschnittenes Detail Z eines alternativen Kohlenwasserstoffeinlasses für einen Plasmareaktor gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 4b zeigt eine Draufsicht des Details Z aus Fig. 4a
Fig. 5 zeigt den Plasmareaktor gemäß einem der beschriebenen Ausführungs- beispiele im Betrieb.
In der folgenden Beschreibung beziehen sich die Ausdrücke oben, unten, rechts und links sowie ähnliche Angaben auf die in den Figuren dargestellten Ausrichtungen bzw. Anordnungen und dienen nur zur Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Die- se Ausdrücke können bevorzugte Anordnungen zeigen, sind jedoch nicht im einschränkenden Sinne zu verstehen. Das hier beschriebene Kohlenwasserstofffluid ist bevorzugt Erdgas, Methan, Flüssiggas, Biogas, Schweröl, synthetische Kohlenwasserstoffe oder eine Mischung davon (insbesondere vorzugsweise aus einem Strom von konventionellem oder nicht-konventionellem Erdgas sowie Flüssiggasen, die auch "wet gases" genannt werden). Die Kohlenwasserstoffe werden bevorzugt in
Gasform in den Reaktor eingeleitet. Kohlenwasserstoffe, die bei normal Umgebungsbedingungen flüssig oder hochviskos sind, können vor dem Einleiten in den Reaktor in Gasform gebracht werden, verdünnt werden oder sie könnten auch in einer fein zerstäubten Form eingeleitet werden. Alle diese Formen werden hier als Kohlenwas- serstofffluid bezeichnet.
Der Plasmareaktor 1 gemäß der vorliegenden Offenbarung weist eine Reaktorkammer 2 auf, die von einer Reaktorwand 3 umschlossen ist, welche einen Unterteil 3a und einen Deckel 3b aufweist. Die Reaktorkammer 2 kann auch an einer anderen Stelle geteilt sein, als in den Figuren gezeigt. Die Reaktorkammer 2 ist im Wesentlichen zylinderförmig und hat eine Mittelachse 4. Der Plasmareaktor 1 weist weiter wenigstens einen Kohlenwasserstoffeinlass 5 auf, der mit einem nicht gezeigten Vorrat für ein unter Druck stehendes Kohlenwasserstofffluid verbunden ist (beispielsweise mit einem Tank und/oder einer Pumpe). Am Deckel 3b der Reaktorwand 3 ist ein Plasmabrenner 7 befestigt, der (nicht näher gezeigte) langgestreckte Elektroden auf- weist. Der Plasmabrenner 7 weist einen Basisteil 9 auf, der an der Reaktorwand 3 befestigt ist (hier am Deckel 3b). In der Nähe des Basisteils 9 ist ein Plasmagasein- lass 0 vorgesehen. Der Plasmabrenner 7 weist an seinem anderen Ende gegenüberliegend zum Basisteil 9 einen Brennerteil 1 1 an einem freien Ende der Elektroden auf, der in die Reaktorkammer 2 ragt. Die in den Figuren nicht näher gezeigten Elekt- roden sind vorzugsweise ineinander angeordnete rohrförmige Elektroden oder Rohr- Elektroden (beispielsweise aus US 5 481 080 A bekannt). Es ist aber auch denkbar, dass Stab-Elektroden verwendet werden, beispielsweise zwei nebeneinander angeordnete Stab-Elektroden. Die Elektroden können aus Metall oder Graphit sein. Im Betrieb des Plasmareaktors 1 werden Wasserstoff und Kohlenstoff aus Kohlenwas- serstoffen (CnHm) mittels der Energie von einem Plasma erzeugt. Eingeleitete Koh- lenwasserstofffluide werden bei hoher Temperatur in eine Mischung aus Kohlenstoff (C-Partikel) und Wasserstoff (H2) aufgespalten, die auch als H2/C-Aerosol bezeichnet wird. Diese Mischung aus C-Partikeln und Wasserstoff bleibt auch nach dem Abkühlen getrennt. In der Nähe der Elektroden, insbesondere am Ende der Brennerteile, wird eine Plasmazone 13 mittels eines Lichtbogens zwischen den Elektroden erzeugt, vorzugsweise mit H2 als Plasmagas, da dieses bei der Aufspaltung der Kohlenwasserstoffe sowieso anfällt. Als Plasmagas kann aber auch jedes andere geeignete Gas ausgewählt werden, beispielsweise inerte Gase wie Argon oder Stickstoff, die nicht die Reaktion bzw. Aufspaltung im Plasma-Lichtbogen beeinflussen oder daran teilnehmen. In der Plasmazone 13 wird im Betrieb ein Plasma gebildet, das durch eine Plasmasteuervorrichtung 14 beeinflusst werden kann, beispielsweise durch Magnetkraft. Am anderen Ende der Reaktorkammer 2 gegenüberliegend zum Plasmabrenner 7 weist der Plasmareaktor 1 einen Auslass 15 auf, durch den die Stoffe austreten können, die aus der Aufspaltung des eingeleiteten Kohlenwas- serstofffluids resultieren. Der Auslass 15 ist an einem axialen Ende der Reaktorkammer 2 angeordnet.
In Figur 2 ist ein Plasmareaktor 1 mit mehreren Auslässen 15 gezeigt. Ein erster Auslass 15-1 ist zum Auslassen eines H2/C-Aerosols vorgesehen, wie in Fig. 1. Über einen zweiten Auslass 15-2 kann ebenfalls ein Teil des H2/C-Aerosols ausgeleitet werden, der beispielsweise in einem anderen Reaktor oder Prozess verwendet wer- den soll. Jedoch wird vorzugsweise über den zweiten Auslass 15-2 nur Wasserstoff H2 ausgeleitet, wobei der zweite Auslass 15-2 dafür so gestaltet wird, dass sich der gasförmige Wasserstoff H2 von den festen C-Partikeln abscheidet. Der zweite Auslass 15-2 kann bei allen hier beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendet wer- den.
Allgemein gesagt, wird der Kohlenwasserstoffeinlass 5 durch eine Leitung 7 gebildet, die an einem ersten Ende an der Reaktorwand 3 befestigt ist (beispielsweise hier am Unterteil 3b), und die an einem entgegengesetzten Ende wenigstens eine Ausga- beöffnung 21 für Kohlenwasserstofffluid aufweist. In einem Bereich zwischen der Plasmazone 13 und dem Auslass 15 mündet der Kohlenwasserstoffeinlass 5 in die Reaktorkammer 2. Die Ausgabeöffnung 21 ist zur Plasmazone 3 so ausgerichtet, dass daraus ausströmendes Kohlenwasserstofffluid zur Plasmazone 13 hin geleitet wird. Die Ausgabeöffnung 21 für Kohlenwasserstofffluid ist somit zur Plasmazone ausgerichtet. Wenn man eine Auslassrichtung der Stoffe, die aus der Aufspaltung des eingeleiteten Kohlenwasserstofffluids resultieren (d.h. C-Partikel und H2), durch eine Linie von der Plasmazone zum Auslass 15 definiert, dann ist der Kohlenwasserstoffeinlass 5 entgegen der Auslassrichtung ausgerichtet. Wie detailliert in Fig. 3 zu sehen, weist die Leitung 7 gemäß einem einfachen Ausführungsbeispiel eine Kohlenwasserstoffleitung 18 und eine Schutzgasleitung 19 auf. Die Kohlenwasserstoffleitung 18 und die Schutzgasleitung 19 können nebeneinander verlaufen oder können ineinander liegen, wobei die Kohlenwasserstoffleitung 18 vorzugsweise in der Schutzgasleitung 19 angeordnet ist. Die Kohlenwasserstoffleitung 18 und die Schutzgasleitung 19 können auch teilweise nebeneinander verlaufen und nahe der Ausgabeöffnung 21 ineinander liegen.
Wie in der vergrößerten Ansicht der Fig. 4a und 4b gezeigt, wird der Kohlenwasserstoffeinlass 5 gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel durch ein Bündel von Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n gebildet. Die Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , ... 18-n sind in diesem Fall von einer gemeinsamen Schutzgasleitung 19 umgeben. Das Bündel von Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n ist wieder an einem ersten Ende an der Reaktorwand 3 befestigt, und jede Kohlenwasserstoffleitung 18- 1 18-n weist an einem entgegengesetzten zweiten Ende eine Ausgabeöffnung 21 -1 , 21-n für Kohlenwasserstofffluid auf. Auch in diesem Fall ist jede der Ausgabeöffnungen 21 -1 , 21 -n für Kohlenwasserstofffluid zur Plasmazone 13 ausgerich- tet. Die Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid aus den einzelnen Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 18-n ist separat steuerbar. Alternativ kann jede der Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n von einer eigenen Schutzgasleitung 19 umgeben sein (nicht in den Fig. gezeigt), so dass auch die Ausgabe von Schutzgas separat steuer- bar ist. Die Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n werden optional über ein Kühlmittel in einer oder mehreren Kühlmittelleitungen 20 gekühlt. Eine Kühlung durch die Kühlmittelleitungen 20 verhindert, dass das Kohlenwasserstofffluid sich unkontrolliert zersetzt. Obwohl die Kühlmittelleitungen 20 zur Vereinfachung der Darstellung nur in Fig. 4a gezeigt sind, können sie in allen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein. Die einzelnen Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n weisen Ausgabeöffnungen 21 -1 , 21 -n mit unterschiedlich großem Strömungsquerschnitt auf. In diesem Fall kann eine Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid aus einer ersten Kohlenwasserstoffleitung 18-1 mit einer ersten Ausgabeöffnung 21 -1 mittels (nicht gezeigten) Ventilen über einen ersten Ausgabebereich für Kohlenwasserstofffluid variiert werden, und eine Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid aus einer zweiten Kohlenwasserstoffleitung 18-2 mit einer entsprechenden zweiten Ausgabeöffnung 21 -2 kann über einen zweiten Ausgabebereich für Kohlenwasserstofffluid variiert werden. In einem Beispiel wird die erste Ausgabeöffnung 21-1 für einen anderen Bereich von Ausgabegeschwindigkeiten verwendet als die zweite Ausgabeöffnung 21 -2. In einem anderen Beispiel wird die ersten Ausgabeöffnung 21 -1 für einen anderen Bereich des Massestroms verwendet als die zweite Ausgabeöffnung 21 -2. Die Ausgabebereiche unterscheiden sich und können angrenzend oder überlappend sein. Der erste und zweite Ausgabebereich bilden zusammen einen gesamten Ausgabebereich für Kohlenwasserstofffluid. So können sowohl der Impuls der erzeugten C-Partikel als auch die Teilchengröße variiert werden.
Weiterhin können die Lage und die Form der Wolke des Kohlenwasserstofffluids variiert werden, wenn das Kohlenwasserstofffluid durch mehrere Ausgabeöffnungen gleichzeitig ausgegeben wird. Wenn eine Ausgabeöffnung mit großem Strömungs- querschnitt in der Mitte der Gruppe von Ausgabeöffnungen angeordnet ist (entsprechend 18-7 in Fig. 4b), kann die Lage der Wolke des Kohlenwasserstofffluids relativ zu den Spitzen der Elektroden des Brennerteils 1 beeinflusst werden. Wenn der Druck des Kohlenwasserstofffluids bei der Einleitung erhöht wird, verschiebt sich die Wolke des Kohlenwasserstofffluids näher zu den Spitzen der Elektroden. Wenn der Druck des Kohlenwasserstofffluids bei der Einleitung verringert wird, entfernt sich die Wolke des Kohlenwasserstofffluids von den Spitzen der Elektroden. Wenn gleichzei- tig Kohlenwasserstofffluid am Rand der Gruppe von Ausgabeöffnungen eingeleitet wird, kann auch die Form der Wolke des Kohlenwasserstofffluids beeinflusst werden, beispielsweise ungefähr rund, oval oder kegelförmig. Wenn das Kohlenwasserstofffluid an einer Seite des Randes (entsprechend 18-1 , 18-2, 18-3 in Fig. 4b) der Gruppe von Ausgabeöffnungen mit höherem Druck eingeleitet wird als an der anderen Seite, kann die Wolke des Kohlenwasserstofffluids zur Reaktorwand 3 hin oder weg davon verschoben werden.
In beiden Ausführungsbeispielen sind die Kohlenwasserstoffleitung(en) 18 oder 18-1 , 18-n und die Schutzgasleitung 19 so angeordnet, dass im Betrieb ein ausströmendes Kohlenwasserstofffluid von einem Schutzgas umgeben wird. Im Betrieb ist die Ausgabegeschwindigkeit des Schutzgases signifikant geringer als die Ausgabegeschwindigkeit des Kohlenwasserstofffluids, insbesondere mindestens fünfmal geringer.
In der Nähe des Basisteils 9 des Plasmabrenners 7 ist eine optionale Spülgasleitung 22 angeordnet. Mittels der Spülgasleitung 22 kann ein Vorhang aus Spülgas zwischen der Reaktorwand 3 und dem Plasmabrenner 7 eingeleitet werden. Das Spülgas kann das gleiche Gas sein, welches auch als Plasmagas verwendet wird. Der Massenfluss des Spülgases ist geringer als der Massenfluss des Kohlenwasserstofffluids, vorzugsweise mindestens 10 mal geringer.
Der Plasmareaktor 1 weist im unteren Bereich der Reaktorkammer 2 oder beim Ausläse 15 eine Vorrichtung 24 zum Messen einer Größe der C-Partikel des H2/C- Aerosols auf. Vorrichtungen zum Messen einer Partikelgröße sind bekannt und werden beispielsweise beschrieben in: Leschonski, Kurt "Grundlagen und moderne Verfahren der Partikelmesstechnik", Institut für mechanische Verfahrenstechnik und Umweltverfahrenstechnik, Technische Universität Clausthal, 1988. Verschiedene Messverfahren können verwendet werden, und die Vorrichtung 24 kann beispielswei- se eine der folgenden sein: ein differentieller Mobilitätsanalysator (DEMC, engl.: Differential Electrical Mobility Classifier), ein differentielles Mobilitätsspektrometer (DE- MAS, engl. Differential Mobility Analysing System) oder ein Laserbeugungssensor (Laser diffraction analysator), ist jedoch nicht auf diese eingeschränkt. Da die Temperatur im unteren Bereich der Reaktorkammer 2 oder beim Auslass 15 (oder 15-1 , 15- 2) über 700°C liegt, wird in Betracht gezogen, dass ein Teil des H2/C-Aerosols oder der C-Partikel entnommen wird, abgekühlt wird und dann gemessen wird. Weiter weist der Plasmareaktor 1 einen Drucksensor 26 auf, der in Verbindung mit der Reaktorkammer 2 angeordnet ist und den Druck in der Reaktorkammer 2 abfühlen kann, d.h. den Gegendruck. Der Drucksensor 26 ist beispielsweise im unteren Bereich der Reaktorkammer 2 angeordnet, um diesen vor direktem Einfluss des Plasmas zu schützen. Der Drucksensor 26 kann beispielsweise entlang der Mittelachse 4 ungefähr in der gleichen Entfernung zum Plasmabrenner 7 angeordnet sein, in der die Leitungen 17, 18, 19 für Kohlenwasserstoff und Schutzgas an der Reaktorwand 3 befestigt sind. Der Plasmareaktor 1 weist weiter einen (nicht gezeig- ten) zweiten Drucksensor auf, der den Druck des Kohlenwasserstofffluids vor der Ausgabeöffnung 21 oder 21-1 , 21 -n abfühlen kann, d.h. den Vordruck.
Im Folgenden wird der Betrieb des Plasmareaktors 1 beschrieben. Kohlenwas- serstofffluid wird durch die Kohlenwasserstoffleitung 18 in Richtung zur Plasmazone 13 eingeleitet. Einzelne Kohlenwasserstoffmoleküle können nicht in das hochviskose Plasma eindringen, wie sich nach Versuchen und Berechnungen herausgestellt hat. Durch die hohe Temperatur des Plasmas wird das Kohlenwasserstofffluid auf dem Weg zur Plasmazone 3 zuerst in Produktgas (C-Atome und H-Atome) zersetzt. Gleichzeitig bilden sich C-Partikel (Carbon-Black-Teilchen - eine Art Graphit) aus den C-Atomen. Dieser Vorgang dauert etwa 8-12 ms. Dann werden ein oder mehrere Parameter der Einleitung von Kohlenwasserstofffluid variiert, insbesondere (a) ein Strömungsquerschnitt des Kohlenwasserstoffeinlasses (bei konstantem Massestrom kann dadurch die Strömungsgeschwindigkeit des Kohlenwasserstofffluids verändert werden, und alternativ kann bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit dadurch der Massestrom verändert werden); (b) eine Druckdifferenz zwischen einem Druck in der Reaktorkammer und einem Druck des Kohlenwasserstofffluids an einer Stelle vor dem Kohlenwasserstoffeinlass (dadurch können der Massestrom und die Strömungsgeschwindigkeit verändert werden, insbesondere fein eingestellt werden); oder (c) eine Strömungsgeschwindigkeit des Kohlenwasserstofffluids am Kohlenwasser- stoffeinlass (die Strömungsgeschwindigkeit kann durch Veränderung des Strömungsquerschnittes des Kohlenwasserstoffeinlasses oder durch Veränderung des Massestroms beeinflusst werden). Diese Betriebsparameter beeinflussen die Größe der C-Partikel und deren Bewegungsimpuls. Durch kontinuierliche Messung der Partikelgröße der Kohlenstoffpartikel mittels der Vorrichtung 24 kann eine Korrelation zwischen einer Partikelgröße der C-Partikel und dem wenigstens einen Parameter der Einleitung von Kohlenwasserstofffluid bestimmt werden. Der Betrieb des Plasma- reaktors 1 wird durch eine (nicht gezeigte) Steuervorrichtung gesteuert, und die Korrelation zwischen der Partikelgröße und den Betriebsparametern wird in einem Kennfeld in einem Speicher der Steuervorrichtung gespeichert. Die Parameter zur Einleitung von Kohlenwasserstofffluid werden so gesteuert, dass die Partikelgröße der C-Partikel minimal ist, um harte oder feste Ablagerungen zu vermeiden. Außerdem lassen sich kleine C-Partikel besser weiterverarbeiten. Kleine C-Partikel sind insbesondere vorteilhaft, wenn die C-Partikel in CO umgewandelt werden sollen, beispielsweise wenn der Plasmareaktor 1 in einer Vorrichtung zum Erzeugen von CO oder Synthesegas als Kohlenwasserstoffkonverter eingesetzt wird. Vorrichtungen zum Erzeugen von CO oder Synthesegas werden beispielsweise in WO 2013/09 878 A1 und WO 2013/091879 A1 beschrieben. CO oder Synthesegas kann neben den oben genannten Plasmagasen bei diesen Vorrichtungen als Plasmagas verwendet werden. Weiter ist ein Plasmareaktor 1 mit mehreren Auslässen 15-1 und 15-2 (Figur 2) vorteilhaft für eine Vorrichtung zum Erzeugen von CO oder Synthesegas, da über den zweiten Auslass 15-2 ein Teil des Wasserstoffes abgeleitet werden kann und das Verhältnis von CO zu H2 verändert werden kann.
Weiterhin wird eine Druckdifferenz zwischen (i) einem Druck des Kohlenwas- serstofffluids an einer Stelle vor dem Kohlenwasserstoffeinlass und (ii) einem Druck in der Reaktorkammer oder einem Druck an einer Stelle nach dem Auslass kontinuierlich abgefühlt und eine plötzliche Veränderung der abgefühlten Druckdifferenz de- tektiert. Der Druck an einer Stelle nach dem Auslass 15 steht in Beziehung mit dem Druck in der Reaktorkammer 2. Eine deutliche Veränderung des Druckes oder des Druckanstiegs in der Reaktorkammer ist ein Hinweis darauf dass das oben beschriebene Produktgas aus C-Atomen und H-Atomen erzeugt wird und die erwünschte Strömung des Produktgases zur Wand der Reaktorkammer auftritt. Die Größe der C- Partikeln, die aus den C-Atomen des Produktgases erzeugt werden, unterliegt in gewisser Weise einer statistischen Verteilung. Das heißt, sehr große C-Partikel (oder sehr kleine C-Partikel) können nicht vollständig vermieden werden. Durch die Strömung des größten Teils des Produktgases zur Wand der Reaktorkammer hin wird aber sichergestellt, dass aus diesem Teil des Produktgases vorherrschend kleine C- Partikel erzeugt werden. Die Messung der Druckdifferenz und die Messung der Partikelgröße können unabhängig voneinander ausgeführt werden. Vorzugsweise wird die Messung der Druckdifferenz als Unterstützung eingesetzt, um die Genauigkeit und Schnelligkeit der Steuerung zu verbessern. Im Betrieb wird der Druck in der Reaktorkammer 2 und die Temperatur außerhalb der Plasmazone 13 geringfügig unterhalb der Sublimationsbedingungen von Graphit gehalten. Beispielsweise wird der Druck in der Reaktorkammer 2 ungefähr auf 20 bar gehalten (+/- 10%), und die Temperatur außerhalb der Plasmazone 13 wird unterhalb von 3900°C gehalten, so dass die C-Partikel nicht sublimieren und an der Reaktorwand 3 kondensieren.
Im Betrieb des Ausführungsbeispiels der Fig. 4a und 4b, bei dem der Kohlenwasser- stoffeinlass 5 durch ein Bündel von Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 8-n gebildet wird, wird die Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid aus den Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n separat über unterschiedliche Ausgabebereiche gesteuert. Wie oben erwähnt, kann die Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid über einen großen Gesamtbereich variiert werden, z.B. bezüglich der Masse pro Zeit, des Druckes, der Strömungsgeschwindigkeit. Die Ausgabegeschwindigkeit und die Differenz zwischen Vordruck und Gegendruck der ersten Ausgabeöffnung 21 -1 werden variiert, um Kohlenwasserstoff in einem ersten Bereich des Massestroms in die Reaktorkammer 2 einzuleiten. Die Größe der zweiten Ausgabeöffnung 21 -2 ist für einen anderen Bereich des Massestroms geeignet, und entsprechend werden die Ausgabegeschwin- digkeit und die Differenz zwischen Vordruck und Gegendruck in einem dazu passenden anderen Bereich variiert. In gleicher weise ist die Größe der dritten Ausgabeöffnung 21 -3 wieder für einen anderen Bereich des Massestroms geeignet, und so weiter. Beispielsweise können die Parameter zur Einleitung von Kohlenwasserstofffluid für die Ausgabebereiche der Ausgabeöffnungen 21 -1 , 21-n variiert werden, wie in der folgenden Tabelle 1 dargestellt:
AusgabeAusgabeDifferenz Querschnitt der Massenfluss des öffnung geschwindigVordruck / Ausgabeöffnung Kohlenwasser- keit Gegendruck stofffluids
21 -1 V2l-l ,min blS Ap2i -i ,min bis a1 rn2i-i ,min bis
V21-1,max Ap2i-i .max m21-1 ,max
21 -2 V21-2,min blS Δρ2ΐ-2,ηιίη lS a2 m2i-2,min bis
V21-2,max Ap21-2.max m2l-2,max
21 -3 V21-3,min bis Δρ21 -3,πιίη b'lS a3 m21-3,min biS
V21-3,max Ap2l-3.ma m21-3,max
21 -4 V21-4,min blS Ap2i-4,min blS a4 m2 ,min bis
V21-4,max Ap2i-4.max m2i-4.max
21 -5 V21-5,min bis Ap2i-5,min bis a5 m21-5,min biS
V21-5,max Ap21-5.max m2l-5,max
21 -6 V21-6,min bis Ap2l-6,min bis a6 m2i-6,min bis V21-6.max Ap2i-6.max m21-6,max
21 -7 V21-7,min blS Ap21-7,min lS a7 m2i-7,min bis
V21-7.max Ap21-7.max m21-7,max
Die Ausgabebereiche unterscheiden sich und sind angrenzend, d.h. an den Geschwindigkeitsbereich v2i-1 imin bis V2i-i,max der Ausgabeöffnung 21 -1 grenzt der Geschwindigkeitsbereich v2i-2,min bis v2i-2,max der nächsten Ausgabeöffnung 21 -2 an, und so weiter bis 21-7. Weiter grenzt der Bereich der Druckdifferenz Ap2 . min bis Ap21-i.max zwischen Vordruck und Gegendruck der Ausgabeöffnung 21-1 an den Bereich der Druckdifferenz Äp2i-2,min bis Äp2-i-2.ma der nächsten Ausgabeöffnung 21-2 an, und so weiter bis 21-7. Ebenso grenzt der Bereich m2i-i ,min bis m2i-i ,ma des Massenflusses aus der Ausgabeöffnung 21 -1 an den Bereich m2i-2,min bis m2i-2,max des Massenflusses aus der Ausgabeöffnung 21 -2 an, und so weiter bis 21 -7. Die angrenzenden Ausgabebereiche der Ausgabeöffnungen 21 -1 , 21 -7 bilden zusammen einen gesamten Ausgabebereich, in dem die Ausgabe bezüglich Strömungsgeschwindigkeit, Massen- fluss und Druckdifferenz variiert werden kann, ohne den Betrieb zu unterbrechen. Die Ausgabebereiche der Ausgabeöffnungen 21 -1 , 21 -n können auch teilweise über- läppend sein, so dass ein sanfter Übergang zwischen den Ausgabeöffnungen 21 -1 , 21-n möglich ist.
Wenn der Massenfluss des Kohlenwasserstofffluids für den gesamten Kohlenwas- serstoffeinlass 5 gesehen gleich bleiben soll, können mehrere Kohlenwasserstofflei- tungen 18-1 , 18-n gleichzeitig eingesetzt werden, wobei ausgehend von einer anfänglichen Anzahl von Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n das Kohlenwas- serstofffluid durch eine oder mehrere Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n zusätzlich oder weniger in die Reaktorkammer 2 eingeleitet wird. Beispielsweise wird das Kohlenwasserstofffluid zuerst aus den Ausgabeöffnungen 21 -1 , 21 -n von vier Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n mit einer ersten Druckdifferenz ausgegeben. Dann wird das Kohlenwasserstofffluid zuerst aus den Ausgabeöffnungen 21 -1 , 21 -n von fünf Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n mit einer zweiten Druckdifferenz ausgegeben, wobei der Massenfluss insgesamt gleich bleibt, unabhängig davon aus wie vielen Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n das Kohlenwas- serstofffluid zur Plasmazone 13 fließt.
Ein längerer ununterbrochener Betrieb des Plasmareaktors 1 kann in folgender Weise unabhängig davon erreicht werden, ob der Kohlenwasserstoffeinlass 5 eine einzelne Kohlenwasserstoffleitung 18 oder mehrere 17 Kohlenwasserstoffleitungen 18- 1 , 18-n aufweist. Zuerst wird Kohlenwasserstofffluid in Richtung zur Plasmazone 13 eingeleitet. Durch die Hitze wird das Kohlenwasserstofffluid zersetzt, und es entstehen C-Partikel und Wasserstoff. Die C-Partikel strömen wegen der Ausrichtung des Kohlenwasserstoffeinlasses 5 und ihrem Impuls weiter zur Plasmazone 13. Wie oben erwähnt, dauert die Zersetzung des Kohlenwasserstofffluids und die Bildung von C-Partikeln gemäß Berechnungen des Erfinders etwa 8-12 ms (durchschnittlich 9 ms). In einem konkreten Beispiel braucht ein Fluid, das mit einer Strömungsgeschwindigkeit v = 100 m/s aus einer Kohlenwasserstoffleitung 18 oder 18-1 , 18-n ausströmt, 10 ms bis zum Erreichen der Plasmazone 13, wenn der Kohlenwasser- stoffeinlass 5 (d.h. die Ausgabeöffnungen 21 oder 21 -1 , 21-n) 1 m von der Plasmazone entfernt ist. Die Zersetzung des Kohlenwasserstofffluids und Wachstum der fertigen C-Partikel benötigt nach Berechnungen der Erfinder in diesem Fall etwa 9 ms. Daher erreichen zwar C-Partikel die Plasmazone 13, das Plasma stellt aber eine Barriere für die C-Partikel dar. Um in die Plasmazone 13 einzudringen ist eine Min- destenergie (Impuls) notwendig. Beim Eindringen in die Plasmazone 13 werden kleine C-Partikel stärker abgebremst als große C-Partikel, da ein proportional größerer Teil des Impulsverlustes aus dem Anteil der Geschwindigkeit kommen muss. Die Betriebstemperatur im Plasmareaktor 1 liegt bei 2500-3500°C zwischen dem Lichtbogen am Brennerteil 1 1 und der Reaktorwand 3, wobei die Temperatur in Richtung der Reaktorwand 3 abnimmt. Die Sublimationstemperatur von Graphit (C-Partikel) beträgt etwa 3800°C. Da die Temperatur in der Plasmazone 13 ca. 5000-15000°C beträgt, sublimieren die C-Partikel nach Eintritt in die Plasmazone 13 kontinuierlich unter Rückbildung zu atomarem Kohlenstoff (C-Atom). Die Parameter zur Einleitung des Kohlenwasserstofffluids werden daher so gesteuert, dass auch große C-Partikel erzeugt werden. Die Parameter zur Einleitung werden beispielsweise basierend auf dem Kennfeld im Speicher der Steuervorrichtung des Plasmareaktors 1 eingestellt. Eine Größenverteilung der Kohlenstoffpartikel wird beispielsweise mittels folgender Parameter der Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid beeinflusst: Strömungsquerschnitt des Kohlenwasserstoffeinlasses; Druckdifferenz zwischen (i) einem Druck des Kohlenwasserstofffluids an einer Stelle vor dem Koh- lenwasserstoffeinlass und (ii) einem Druck in der Reaktorkammer oder einem Druck nach dem Auslass; Strömungsgeschwindigkeit des Kohlenwasserstofffluids am Koh- lenwasserstoffeinlass. Weiter kann die Größe der C-Partikel mittels der Vorrichtung 24 zur Messung der Partikelgröße gemessen werden. Das Steuern der Strömungsgeschwindigkeit des Kohlenwasserstofffluids aus dem Kohlenwasserstoffeinlass 5 (d.h. Ausgabeöffnung(en) 21 oder 21 -1 , 21 -n) ist besonders vorteilhaft. Aus der Strömungsgeschwindigkeit v berechnet sich mit der Masse des Kohlenwasserstoffs m ein Impuls p = m v, der über die Strömungsgeschwindigkeit v variiert werden kann. Da der Kohlenwasserstoff unter Bildung von C-Atomen zersetzt wird, und der Impuls p = m v gemäß dem Impulserhaltungssatz gleich der Summe der Einzelimpulse ist (p = Σ Π| Pi = nc pc + nH2 ΡΗΣ), hängt der Impuls eines einzelnen C-Atoms nicht von der Art des Kohlenwasserstofffluids ab sondern von der Strömungsgeschwindigkeit v: pc = mc v. Die Masse eines C-Atoms ist eine Konstante, und der Impuls eines C- Partikels setzt sich additiv aus den Impulsen der C-Atome zusammen, aus denen er besteht. Impuls eines C-Partikels mit n C-Atomen: Pc-particie = n mC-atom v. Der Impuls eines C-Partikels hängt also nur von der Zahl seiner Kohlenstoffatome (also der Teilchengröße) und der Strömungsgeschwindigkeit v ab.
Die Parameter zur Einleitung des Kohlenwasserstofffluids werden basierend auf dem Kennfeld so gesteuert, dass zumindest ein Teil der C-Partikel ausreichend groß wird, um die Plasmazone 13 zu durchschlagen und zu den Elektroden des Plasmabrenners 7 zu wandern. Insgesamt unterliegt die Anzahl und Größe der C-Partikel (und die Gesamtzahl darin enthaltener Kohlenstoffatome) einer statistischen Verteilungsfunktion, wobei alle C-Partikel eine Geschwindigkeit abhängig von der Strömungsge- schwindigkeit aus den Ausgabeöffnung(en) 21 oder 21 -1 , 21 -n haben. Durch Einstellung der Parameter zur Einleitung des Kohlenwasserstofffluids (insbesondere der Strömungsgeschwindigkeit v), kann die statistische Verteilungsfunktion der Größe der C-Partikel so beeinflusst werden dass ein kleiner Teil der C-Partikel ausreichend groß ist und genügend kinetische Energie (Impuls) hat, um in die und durch die Plasmazone 13 zu gelangen. Trotzdem diese ausreichend großen C-Partikel einer Sublimation in der Plasmazone 13 unterliegen, lagert sich ein Teil dieser C-Partikel an der Elektrode an und gleicht Erosion aus.
Für die Durchdringung der Plasmazone und das Auftreffen auf die Elektrodenenden ist die Partikelgröße nicht der alleinige entscheidende Parameter, sondern auch der Impuls der Teilchen. Daher kann eine definitive Partikelgröße nicht angegeben werden. Als Richtwert kann man annehmen, dass ein kleines Teilchen einen Durchmesser von weniger als 20 nm hat, ein mittelgroßes Teilchen einen Durchmesser von 20 nm bis 60 nm hat, und ein großes Teilchen einen Durchmesser von mehr als > 60 nm hat. Kleine C-Partikel können nicht in die Plasmazone 13 eindringen. Mittelgroße C- Partikel können zwar in die Plasmazone 13 eindringen, werden aber stark abge- bremst. Die kleinen und mittelgroßen C-Partikel sublimieren zu C-Atomen und strömen seitlich zur Reaktorwand 3, wobei sich die C-Atome beim Abkühlen neu zu kleinen C-Partikeln formen. Da das gesamte H2/C-Aerosol gleichbleibend abkühlt kommt es nicht zum Aufwachsen von„kaltem Methan" auf bestehenden C-Partikeln (wie bei WO93/20152).
Durch die Ausrichtung des Kohlenwasserstoffeinlasses 5 (d.h. der Ausgabeöff- nung(en) 21 oder 21-1 , 21-n) können also die großen C-Partikel mit großer kinetischer Energie in die Plasmazone 13 eindringen und diese durchschlagen, während sich gleichzeitig kleine und mittelgroße C-Partikel nach einer Sublimation an oder in der Plasmazone 3 zu sehr kleinen C-Partikeln umformen. Die Größe der C-Partikel, die seitlich zur Reaktorwand 3 und nach unten zum Auslass 15 strömen, ist also kleiner als bei bekannten Plasmareaktoren, nämlich im Bereich von kleiner als 50 nm Durchmesser, bevorzugt kleiner als 30 nm Durchmesser. Weiter werden die Dicke der Ablagerung des Kohlenstoffs auf den Elektrodenenden und die Zeit des Einleitens von Kohlenwasserstofffluid gemessen.
Die Strömungsgeschwindigkeit v, mit der das Kohlenwasserstofffluid eingeleitet wird, wird so eingestellt, dass die Abscheidung des Kohlenstoffs auf den Elektrodenenden genauso schnell erfolgt wie die Erosion der Elektrode infolge von Sublimation des Kohlenstoffs. Der Widerstand, den das Plasmagas den C-Partikeln entgegen bringt, hängt von der Zusammensetzung des Plasmagases, seiner Strömungsgeschwindigkeit, seiner Viskosität (Temperatur, lonisierungsgrad) und seiner Ausdehnung (Reaktordesign, Massenstrom pro Zeiteinheit) ab. Es sei bemerkt, dass es für einen gege- benen Plasmareaktor 1 nicht eine feste Strömungsgeschwindigkeit des Kohlenwasserstoffes gibt, bei der die Ablagerung von Kohlenstoff auf der Elektrode immer gleich der Erosion durch Sublimation ist. Dieses Gleichgewicht hängt von vielen Sekundärparametern ab, die unabhängig voneinander variiert werden können. Beispielsweise kann die Leistung der Elektrode (die eingespeiste Strommenge in MW und damit die von der Elektrode in den Plasmareaktor 1 eingeleitete Energie) deutlich erhöht werden, wenn man den Kohlenstoffauftrag auf der Elektrode entsprechend erhöht. Die durch die elektrische Leistungssteigerung erhöhte Sublimationsrate des Elektrodenmaterials wird durch einen höheren Kohlenstoffauftrag kompensiert und die Elektrode bleibt praktisch erosionsfrei. Durch gezielte Ablagerung von C-Partikeln an der Elekt- rode kann also nicht nur die Lebensdauer der Elektrode sondern gleichzeitig auch die Kapazität des Plasmareaktors 1 erhöht werden. Es sei bemerkt, dass die hier beschriebenen Verfahren unabhängig davon ausgeführt werden können, ob der Kohlenwasserstoffeinlass 5 eine einzelne Kohlenwasserstoffleitung 18 oder mehrere Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n aufweist. Bei ei- nem Ausführungsbeispiel mit mehreren Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n ist es möglich, wenigstens einen Parameter der Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid aus den Kohlenwasserstoffleitungen separat zu steuern, insbesondere einen Strömungsquerschnitt des Kohlenwasserstoffeinlasses 5 (durch Umschalten zwischen den Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n oder durch Verwendung von mehr als einer Kohlenwasserstoffleitung 18-1 , 18-n); eine Druckdifferenz zwischen (i) einem Druck an einer Stelle vor dem Kohlenwasserstoffeinlass 5 (d.h. vor den Ausgabeöffnungen 21 -1 , 21-n) und einem Druck in der Reaktorkammer 2 oder einem Druck an einer Stelle nach dem Auslass 15 und/oder eine Strömungsgeschwindigkeit v des Kohlenwasserstofffluids am Kohlenwasserstoffeinlass 5 (d.h. an den Ausgabe- Öffnungen 21 -1 , 21 -n). Weiterhin gilt folgende Beziehung für alle hier beschriebenen Verfahren unabhängig davon, ob eine einzelne Kohlenwasserstoffleitung 18 oder mehrere Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n vorgesehen sind:
m = 60-rr-v(d/2)2
wobei gilt:
m - Massenfluss (m3/min) aus einer Ausgabeöffnung 21 oder 21-1 , 21-n v - Ausgabegeschwindigkeit (m/s)
d - Durchmesser einer Ausgabeöffnung 21 oder 21-1 , 21 -n
Die Erfindung wurde anhand bevorzugter Ausführungen beschrieben, wobei die ein- zelnen Merkmale der beschriebenen Ausführungen frei miteinander kombiniert werden können und/oder ausgetauscht werden können, sofern sie kompatibel sind. Ebenso können einzelne Merkmale der beschriebenen Ausführungen weggelassen werden, sofern sie nicht zwingend notwendig sind. Für den Fachmann sind zahlreiche Abwandlungen und Ausgestaltungen möglich und offensichtlich, ohne dass da- durch der Erfindungsgedanke verlassen wird.

Claims

Ansprüche
Plasmareaktor (1) zum Aufspalten eines Kohlenwasserstofffluids, der Folgendes aufweist:
eine Reaktorkammer (2), die von einer Reaktorwand (3, 3a, 3b) umschlossen ist und wenigstens einen Kohlenwasserstoffeinlass (5) und einen Auslass (15) aufweist;
einen Plasmabrenner (7) mit wenigstens zwei Elektroden, die an einem ersten Ende einen Basisteil (9) aufweisen, der an der Reaktorwand (3, 3a, 3b) befestigt ist, und die an einem zweiten Ende einen Brennerteil (1 1) aufweisen, der in die Reaktorkammer (2) ragt, und wobei eine Plasmazone (13) am Ende von den Brennerteilen (1 1 ) von benachbarten Elektroden definiert ist;
wobei der Kohlenwasserstoffeinlass (5) in einem Bereich zwischen der Plasmazone und dem Auslass (15) in die Reaktorkammer (2) mündet; und wobei der Kohlenwasserstoffeinlass (5) zur Plasmazone (13) so ausgerichtet ist, dass daraus ausströmendes Kohlenwasserstofffluid zur Plasmazone (13) hin geleitet wird.
Plasmareaktor (1) nach Anspruch 1 , wobei eine Auslassrichtung durch eine Linie von der Plasmazone (13) zum Auslass (15) definiert ist, und wobei der Kohlenwasserstoffeinlass (5) entgegen der Auslassrichtung ausgerichtet ist.
Plasmareaktor (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kohlenwasserstoffeinlass (5) durch eine Leitung (17, 18) gebildet wird, die an einem ersten Ende an der Reaktorwand (3, 3a, 3b) befestigt ist, und die an einem entgegengesetzten zweiten Ende eine Ausgabeöffnung (21 ) für Kohlenwasserstofffluid aufweist; und
wobei die Leitung (17, 18) so geformt ist, dass die Ausgabeöffnung (21 ) für Kohlenwasserstofffluid zur Plasmazone (13) ausgerichtet ist.
Plasmareaktor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kohlenwasserstoffeinlass (5) durch ein Bündel von Kohlenwasserstoffleitungen (18-1 , 18-n) gebildet wird, wobei das Bündel von Kohlenwasserstoffleitungen (18-1 , 18-n) an einem ersten Ende an der Reaktorwand (3, 3a, 3b) befestigt ist, und wobei jede Kohlenwasserstoffleitung (18-1 , 18-n) an einem entgegengesetzten zweiten Ende eine Ausgabeöffnung (21-1 , 21-n) für Kohlenwasserstofffluid aufweist;
wobei das Bündel von Kohlenwasserstoffleitungen (18-1 18-n) so geformt ist, dass jede der Ausgabeöffnungen (21 -1 , 21 -n) für Kohlenwasserstofffluid zur Plasmazone ausgerichtet ist; und
wobei die Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid aus den einzelnen Kohlenwasserstoffleitungen (18-1 , 18-n) des Bündels separat steuerbar ist.
Plasmareaktor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die einzelnen Kohlenwasserstoffleitungen (18-1 , 18-n) Ausgabeöffnungen (21 1 , 21 -n) mit unterschiedlich großem Strömungsquerschnitt aufweisen.
Plasmareaktor (1 ) nach Anspruch 5, wobei eine Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid aus einer ersten Kohlenwasserstoffleitung (18-1 ) mit einer ersten Ausgabeöffnung (21 -1 ) mittels Ventilen über einen ersten Ausgabebereich
( 2i-i,min - 2i-i ,max; Ap2i-i,min - Ap21..,.max; m2i-i ,min - m2i-i,max) für Kohlenwas- serstofffluid variiert werden kann, und
wobei eine Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid aus wenigstens einer zweiten Kohlenwasserstoffleitung (18-2, 18-n) mit einer entsprechenden zweiten Ausgabeöffnung (21 -2, 21 -n) mittels Ventilen über wenigstens einen zweiten Ausgabebereich (v21-2imin - v21.2,max; Äp21.2,min - Ap2 -2.max; m21.2,min - m21.2imax) für Kohlenwasserstofffluid variiert werden kann,
wobei der wenigstens eine zweite Ausgabebereich sich zumindest teilweise vom ersten Ausgabebereich für Kohlenwasserstofffluid unterscheidet; und wobei der erste Ausgabebereich und der wenigstens eine zweite Ausgabebereich zusammenwirkend einen gesamten Ausgabebereich (v2 . imin - v21.nimax; Ap2i-i ,min - Ap2i-n.niax; m21-i ,min - m2i-n,max) für Kohlenwasserstofffluid des Koh¬ lenwasserstoffeinlasses (5) bilden.
Plasmareaktor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Vorrichtung (24) zum Messen einer Partikelgröße aufweist.
8. Plasmareaktor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher einen Drucksensor (26) aufweist, der ausgebildet ist, um den Druck in der Reaktorkammer (2) abzufühlen. Verfahren zum Betrieb eines Plasmareaktors (1 ) zum Aufspalten eines Koh- lenwasserstofffluids, wobei der Plasmareaktor (1 ) eine Reaktorkammer (2) aufweist, die von einer Reaktorwand (3, 3a, 3b) umschlossen ist und wenigstens einen Kohlenwasserstoffeinlass (5) und einen Auslass (15) aufweist; wobei ein Plasmabrenner (7) mit wenigstens zwei Elektroden in der Reaktorkammer (2) angeordnet ist, und wobei eine Plasmazone (13) am Ende von benachbarten langgestreckten Elektroden definiert ist; wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Einleiten von Kohlenwasserstofffluid in Richtung zur Plasmazone (13) in einen Bereich der Reaktorkammer (2) zwischen der Plasmazone (13) und dem Auslass (15), und Zersetzen des Kohlenwasserstofffluids in Kohlenstoffpartikel und Wasserstoff;
Variieren wenigstens eines Parameters der Einleitung von Kohlenwasserstofffluid;
Bestimmen einer Korrelation zwischen einer Partikelgröße der Kohlenstoffpartikel und dem wenigstens einen Parameter der Einleitung von Kohlenwasserstofffluid während des Variierens.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Parameter der Einleitung von Kohlenwasserstofffluid wenigstens einer der Folgenden ist:
ein Strömungsquerschnitt des Kohlenwasserstoffeinlasses (5);
eine Druckdifferenz zwischen
einem Druck des Kohlenwasserstofffluids an einer Stelle vor dem Kohlenwasserstoffeinlass (5) und
einem Druck in der Reaktorkammer (2) oder einem Druck nach dem Auslass (15); und
eine Strömungsgeschwindigkeit des Kohlenwasserstofffluids am Kohlenwasserstoffeinlass (5).
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Plasmabrenner (7) mit Graphit- Elektroden versehen ist und wobei die Zufuhr von elektrischer Energie zu den Graphit-Elektroden und der Druck für die Einleitung des Kohlenwasserstofffluids so gesteuert, dass die Temperatur an der Spitze heißer als 2800°C aber kälter als 3900°C ist, vorzugsweise unterhalb von 3800°C. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , welches den Schritt aufweist, den wenigstens einen Parameter der Einleitung von Kohlenwasserstofffluid basierend auf der bestimmten Korrelation so zu steuern, dass die Partikelgröße der Kohlenstoffpartikel minimal ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, welches Folgendes aufweist: Abfühlen einer Druckdifferenz zwischen
einem Druck des Kohlenwasserstofffluids an einer Stelle vor dem Kohlenwas- serstoffeinlass (5) und
einem Druck in der Reaktorkammer (2) oder einem Druck an einer Stelle nach dem Auslass (15);
Detektieren einer plötzlichen Veränderung der abgefühlten Druckdifferenz.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, welches aufweist, den Druck in der Reaktorkammer (2) und die Temperatur außerhalb der Plasmazone geringfügig unterhalb der Sublimationsbedingungen von Graphit zu halten, insbesondere den Druck in der Reaktorkammer (2) auf 20 bar zu halten und die Temperatur außerhalb der Plasmazone unterhalb von 3800°C zu halten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei der Kohlenwasserstoff- einlass (5) durch ein Bündel von Kohlenwasserstoffleitungen (18-1 18-n) gebildet wird, wobei das Bündel von Kohlenwasserstoffleitungen (18-1 18- n) an einem ersten Ende an der Reaktorwand (3, 3a, 3b) befestigt ist, und wobei jede Kohlenwasserstoffleitung (18-1 , 18-n) an einem entgegengesetzten zweiten Ende eine Ausgabeöffnung (21-1 , 21-n) für Kohlenwasserstofffluid aufweist;
wobei die Ausgabeöffnungen (21 -1 , 21 -n) für Kohlenwasserstofffluid zur Plasmazone (13) ausgerichtet sind und Ausgabeöffnungen (21-1 , 21 -n) mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten aufweisen; und
wobei das Verfahren den Schritt aufweist die Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid aus den Kohlenwasserstoffleitungen (18-1 , 18-n) separat zu steuern.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Kohlenwasserstoffeinlass (5) ein Bündel von wenigstens N Kohlenwasserstoffleitungen (18-1 , 18-n) aufweist, und wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Einleiten von Kohlenwasserstofffluid aus den Ausgabeöffnungen von N Kohlenwasserstoffleitungen mit einer ersten Druckdifferenz zwischen einem Druck des Kohlenwasserstofffluids an einer Stelle vor dem Kohlenwas- serstoffeinlass (5) und
einem Druck in der Reaktorkammer (2) oder einem Druck an einer Stelle nach dem Auslass (15)
b) Einleiten von Kohlenwasserstofffluid aus den Ausgabeöffnungen von N-1 oder N+1 Kohlenwasserstoffleitungen mit einer zweiten Druckdifferenz zwischen
einem Druck des Kohlenwasserstofffluids an einer Stelle vor dem Kohlenwas- serstoffeinlass (5) und
einem Druck in der Reaktorkammer (2) oder einem Druck an einer Stelle nach dem Auslass (15) und, wobei die zweite Druckdifferenz größer ist als die erste Druckdifferenz; und
wobei der Massenfluss des Kohlenwasserstofffluids in den Schritten a) und b) gleich ist.
Verfahren nach Anspruch 9, welches weiter folgende Schritte aufweist, Beeinflussen einer Verteilung der Größe der Kohlenstoffpartikel basierend auf der Korrelation, so dass ein kleiner Teil der Kohlenstoff partikel ausreichend groß ist, um durch die Plasmazone (13) zu wandern;
Ablagern eines Teils der Kohlenstoffpartikel auf den Elektrodenenden;
Messen der Zeit des Einleitens von Kohlenwasserstofffluid und der Dicke der Ablagerung der Kohlenstoffpartikel auf den Elektrodenenden; und
Modifizieren der Strömungsgeschwindigkeit, mit der das Kohlenwasserstofffluid eingeleitet wird so, dass die Ablagerung des Kohlenstoffs auf den Elektrodenenden genauso schnell erfolgt wie die Erosion der Elektrode infolge von Sublimation des Kohlenstoffs.
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