FI94842C - Sähköinen laite molekyylipainojen konversioon - Google Patents

Description

1 94842 Sähköinen laite molekyylipainojen konversioon

Keksinnön taustaa 1. Keksinnön ala 5 Esillä oleva keksintö liittyy hiilyvetymolekyylien koon konversioon prosessivirrassa sähköistä menetelmää käyttäen ja sitä voidaan käyttää joko yhdistettäessä pieniä molekyylejä isommiksi molekyyleiksi tai jaettaessa isompia molekyylejä pienemmiksi molekyyleiksi.

10 Keksintö koskee laitetta ensimmäisen molekyylipai- non molekyylejä omaavan kaasun muuntamiseksi toisen mole-kyylipainon molekyylejä omaavaksi kaasuksi, käsittäen reaktiokammion, jossa on kaasun sisääntulo ja ainakin yksi kaasun ulosmeno.

15 2. Tekniikan tason kuvaus Ö1 jynjalostusteollisuudessa on vuosikymmeniä sovellettu termistä erotusprosessia raakaöljyyn, joka on hiilivetyjen sekoitus, erinäisten aineosien erottamiseksi, joita sitten käytetään määrättyihin tarkoituksiin. Esimerkik- 20 si Dieselmoottoriöljy, bensiini, voiteluöljyt ja asfaltit erotetaan höyrystämällä ja sitä seuraavalla kondensoinnil-la sopivasti poikkeavissa lämpötiloissa ja korkeuksissa tornissa. Saatavat jalostettujen tuotteiden määrät riippuvat syötetyn raakaöljyn ominaisuuksista, jotka ovat kulle-. 25 kin öljyvarastolle erilaiset. Kunkin jalostetun tuotteen markkinakysyntä vaihtelee ajan myötä, minkä vuoksi öljyn-jalostusprosessin säätäminen sisään menevän koostumuksen ja tuotantovaatimusten vaihtelujen osalta voi olla vaikeaa ja haastavaa.

30 Eräs useita vuosia tunnettu apukeino on muuntaa isommat molekyylit pienemmiksi krakkaukseksi kutsutulla prosessilla, joka normaalisti suoritetaan katalyyttitoi-minnalla erikoispinnoilla korkeissa lämpötiloissa. Tällä tavoin, esimerkiksi, ylimääräiset raskaat öljyt voidaan 35 muuntaa bensiiniksi, joka käy paremmin kaupaksi. Tämän • · 2 94842 lähestymistavan rajoituksiin kuuluvat katalyyttien hinta, syöttömolekyylien valikoima, joilla katalyytit ovat tehokkaita, ja prosessin vaatima terminen energia, jota on vaikea saada uudelleen käyttöön.

5 Toisaalta kulutetaan myös maailman nestemäisten hiilivetyjen varastoa ja vain muutaman vuosikymmenen kuluessa tunnetut varannot kuluvat loppuun. Ilmeisiin vaihtoehtoihin kuuluu muiden luonnollisten hiilivetylähteiden hyväksikäyttö, joita on runsaasti saatavilla: maakaasu ja 10 raskas öljy. Kun pidetään mielessä, että meidän aikanamme suurin osa öljyn laitekäytöstä on tapahtunut nestemäisessä muodossa olevilla polttoaineilla (kuten bensiini, dieselöljy, suihkumoottoripolttoaine ja vastaavat) ja nestemäisen polttoaineen kuljettaminen normaalissa ilmakehän läm-15 pötilassa ja paineessa on ratkaiseva etu ja on rakennettu nykyään käytössä oleviin laitteisiin, on selvää, että tärkeitä etuja saavutettaisiin menetelmillä, joilla muunnetaan maakaasua (tyypillisesti metaania ja etaania CH4 ja C2H6) nesteiksi (C4HX - C10Hy, esimerkiksi). Maakaasua saa-20 daan helposti varannoista ja, mikäli se muunnetaan raskaammiksi molekyylilajeiksi, sitä voidaan helposti kuljettaa kaukaisilta lähteiden sijaintipaikoilta käyttäjille olemassa olevia nestemäisen öljyn putkia pitkin tai laivoilla, kun taas sen ollessa luonnollisessa kaasumaisessa . 25 muodossa tai jäädytetyssä nestemäisessä muodossa, tarvit see rakentaa eritystarkoituksiin putkilinjoja ja laivoja, ja jotta kuluttaja voisi käyttää maakaasua ajoneuvon polttoaineena, edellytetään melkoista investointia ajoneuvojen uusiin laitteisiin. Itse asiassa Uuden Seelannin hallitus 30 rakentanut ja käyttänyt kaupallisesti prosessia, joka , tuottaa noin 14 450 barrelia bensiiniä päivässä käyttämäl- lä maakaasua lähtöaineena. Kyseessä on kolmivaiheinen prosessi; ensimmäisessä tuotetaan vetyä ja hiilimonoksidia, toisessa tuotetaan metanolia ja kolmannessa tuotetaan ben-35 siiniä Mobil MTG (metanoli-gasoliini) prosessilla, joka • · ;l > ·*·> 14 il l i t it>| • · 3 94842 käyttää synteettistä zeoliittikatalyyttiä ZSM-5 (U.S.-patentti nro 3 702 886, Argauer ja Landolt). Zeoliittien yhdistämistä erilaisiin reaktorigeometrioihin käsitellään US-patenteissa nrot 4 058 576 (Chang ja Grover), nro 5 3 928 483 (Chang, Silvestri ja Smith), nro 3 931 349 (Kuo), nro 4 138 440 (Chang, Jacob, Silvestri ja Zahner), nro 4 197 418 (Lee ja Yurchak), nro 4 046 825 (Owen ja Venuto) ja 4 251 484 (Daviduk ja Haddad). Näihin patentteihin perustuvissa prosesseissa on kaksi vaikeutta, en-10 sinnäkin, että käytetään monivaiheista konversioprosessia maakaasusta bensiiniksi ja, toiseksi, että käytetään korkeita toimintalämpötiloja (315 Celsius astetta - 450 Celsius astetta). Molemmat vaikeudet aiheuttavat energiahäviöitä ja alkulaitteiston korkeat kustannukset. Lähesty-15 mistäpä, jossa käytetään yksivaiheista suoraa konversiota ja jossa reaktioon syötettävä energia käytetään nimenomaan molekyylikonversion aikaansaamiseen, pienimmällä mahdollisella lämpöhukalla, edustaisi parannusta. Edelleen, MTG-prosessia rajoittaa, mitä tulee muodostettavien suurten 20 molekyylien kokoon, synteettisen zeoliittimolekyylin kolonnien sisämitat. Prosessilla, joka sallii molekyylien yhdistämisen käytännöllisesti katsoen rajoittamattomasti suurempiin kokoihin, olisi lisäkäyttöä voiteluöljyjen ja raskaampien nesteiden tuotannossa. Molekyylikonversion pe-. 25 riaatteella on siten laajoja sovelluksia.

Vaikka edellä oleva kuvaus molekyylikonversiosta onkin suuntautunut hiilivetyjen kaasumaisesta nestemäiseen • -konversioon, on ilmeistä, että seoskaasujen, jotka sisäl tävät muita alkuaineita, kuten happi, kloori, fuori, bro-30 mi, typpi, rikki, vety, pii ja muita alkuaineita, koostumusta voitaisiin muuntaa tiettyjen etujen saavuttamiseksi, kuten myrkyllisyyden vähentäminen ennen luonnolliseen ympäristöön päästämistä, tai koostumuksen muuntaminen siten, että muutetaan vahingolliset kaasut harmittomiksi nesteik-35 si tai kaasuiksi ennen ympäristöön laskemista. Kloori- 4 m « · 94842 4 fluorihiilikaasut, esimerkiksi, jotka reagoivat luonnossa tavattavan ultraviolettisäteilyn kanssa ollessa ilmakehässä, voitaisiin muuntaa nestemäisiin muotoihin yhdessä muiden alkuaineiden kanssa, jotka olisivat verrattain harmit-5 tornia. Näin ollen, tämän keksinnön päämääränä on sähköinen laite, joka suorittaa alhaisen molekyylipainon molekyylien yhdistämisen korkeampien molekyylipainojen molekyyleiksi. Keksinnön lisäpäämääränä on sähköinen laite korkeampien molekyylipainojen molekyylien jakaminen muiksi alemman mo-10 lekyylipainon molekyyleiksi. Edelleen, keksinnön lisäpäämääränä on sähköinen laite kahden tai useamman eri mole-kyylilajin yhdistämiseksi uuudeksi molekyylilajiksi.

Keksinnön yhteenveto

Keksinnön mukaiselle laitteelle on tunnusmerkillis-15 tä se, että reaktiokammio sisältää - ainakin yhden reaktioputkien matriisin, jossa jokaisella putkella on (i) ensimmäinen avoin pää, (ii) sisäpinta, joka on altistettu mainituille en-20 simmäisen molekyylipainon omaaville molekyyleille, ja jolla on sekundäärielektroneja emittoiva ominaisuus käsittäen puolijohtavaa materiaalia olevan vyöhykkeen juuri sen alapuolella, ja (iii) pitkittäisakselin, ' 25 mainittujen reaktioputkien ollessa sijoitettuina oleellisesti yhdensuuntaisesti toisiinsa nähden siten, että putkien ensimmäiset ja toiset päät määrittelevät matriisin ensimmäisen ja toisen pinnan, vastaavasti; - ensimmäisen elektrodin järjestettynä matriisin 30 ensimmäiselle pinnalle ja kytkettynä reaktioputkien ensimmäisessä päässä oleviin puolijohtaviin kerroksiin; • t - toisen elektrodin järjestettynä matriisin toiselle pinnalle ja kytkettynä reaktioputkien toisessa päässä oleviin puolijohtaviin kerroksiin; 35 ja että laite edelleen käsittää • · 5 94842 - ensimmäisen ulkoisen potentiaalilähteen käsittäen (i) ensimmäisen liittimen kytkettynä matriisin ensimmäiseen elektrodiin, ja (ii) toisen liittimen kytkettynä matriisin toiseen 5 elektrodiin.

Keksintö koskee myös menetelmää ensimmäisen mole-kyylipainon omaavan ensimmäisen aineen muuntamiseksi toisen molekyylipainon omaavaksi toiseksi aineeksi reaktio-vyöhykkeessä.

10 Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnsumerkil- listä, että reaktiovyöhyke käsittää olennaisesti yhdensuuntaisia pitkittäisakselia omaavien reaktioputkien muodostaman ainakin yhden matriisin, ja joiden sisäpinnat on altistettu mainitulle ensimmäiselle aineelle, jolloin mai-15 nitulla sisäpinnalla on puolijohtava kerros, menetelmän käsittäessä vaiheet: tuodaan sähkökenttä, jolla on merkittävä mainittujen reaktioputkien pitkittäisakselien kanssa yhdensuuntainen komponentti; lisätään ensimmäistä ainetta mainittuihin reaktioputkiin, ensimmäisen aineen reagoides-20 sa tuodussa sähkökentässä kiihdytettyihin elektroneihin toisen aineen muodostamiseksi; ja kerätään talteen mainittu toinen aine.

Lyhyesti, esillä oleva keksintö muodostuu joukosta lasista tai keraamista tehtyjä putkia, joilla on sähköi-25 sesti puolijohtavat sisäseinämät. Viemällä jännite tämän putkimatriisin yhdestä päästä vastakkaiseen päähään muodostuu sähkökenttä, joka on samansuuntainen sisäpintojen kanssa. Heikko elektronilähde sijaitsee matriisin negatiivisesti kytketyssä päässä tai juuri sen ulkopuolella ja 30 elektroneja kiihdytetään pitkin putkien sisäalueita kunnes * : ne lopulta iskeytyvät seiniin energioilla, jotka voivat • « vaihdella muutamasta elektorinivoltista yli sataan elekt-ronivolttiin. Elektronivirtaukselle käytetään tavallisesti 1 torria pienempiä ilmanpaineita vaikka toiminta useita 35 kertaluokkia korkeammissa paineissa on mahdollista, jos 6 94842 tilavuuden elektroni/ioni -vuorovaikutusilmiötä käytetään toiminnan lisäparannuksena. Muunnettava kaasu päästetään kammioon putkimatriisin elektronilähdettä vastapäätä olevalla puolella. Tapahtuu lähdekaasun diffuusiota putkimat-5 riisiin kaasumolekyylien absorboituessa putken sisä- seinämiin. Elektronien osuessa hipoen putken sisäseinämiin tapahtuu useita prosesseja, joista ilmeisin on absorboituneen kaasun molekyylisidosten hajoaminen. Metaanilähde-kaasun kyseessä ollen syntyy vetyioni H+, joka välittömästi 10 erkaantuu isäntämolekyylistään sähkökentän vaikutuksesta.

Näin syntyneitä vetyioneja kiihdytetään putkea pitkin negatiivista päätä kohden, jolloin ne iskeytyvät seinämiin matkan varrella ja iskiessään hajoittavat metaanimolekyy-lin sidoksia ja toimivat myös ylimääräisenä elektroniläh-15 teenä ioni-indusoidun sekundaarielektroniemission kautta.

Elektronien iskut myös luovat sekundäärielektroniemissiota siten, että elektronivuossa tapahtuu nettolisäystä putken pituudella. Edelleen, kun metaanimolekyyleistä on riisuttu yksi tai useampi vetyatomi, on niillä negatiivinen netto-20 varaus, joka, mikäli molekyylit ovat irronneet seinäpinnasta elektroni-iskuun liittyvän energian vaikutuksesta, saa ne kiihtymään takaisinpäin kohti putken positiivista päätä. Tällaisessä aktivaatiotilassa molekyylit muodostavat helposti sidoksen muiden samanlaisten lajien kanssa . 25 törmätessään niiden kanssa ja hiili-hiili -sidosten muo dostuminen on todennäköistä. Täten, toistamalla tätä prosessia tapahtuu parafiinien, aromaattien, olefiinien ja polyeenien korkeamman asteen seosten muodostumista ja sähkökenttä mahdollistaa juuri muodostuneista korkeamman as-30 teen hiilivetytuotteista saatavissa olevan vedyn fyysisen ; erottamisen. Varauksen vaihto on mahdollista tilan läpi kulkevan elektronivirtaukeen ja puolijohtavan substraatin läpi kulkevan sähkövirran ansiosta. Energia dissosiaatioon saadaan sähkökentästä, joka kiihdyttää elektroneja, vety-35 ioneja ja kompleksisia hiilivetyioneja. Energiansiirto • t 7 94842 tapahtuu suorina iskuina putkien sisäpintoihin; myös tilavuus vuorovaikutus ilmiöitä tapahtuu korkeammissa paineissa, lopputulosten ollessa samanlaisia. Pinnalle kemisorptoitu-neisiin ja fyysisesti absorboituneisiin molekyyleihin vai-5 kuttaa ja niitä muuntaa elektroni-iskuprosessi. Korkeamman asteen molekyylit siirtyvät sähköisesti korkeamman syöttö-kaasun paineen alueelle, missä syöttökaasun painegradient-ti siirtää ne sivusuunnassa ulosmenevään virtaan. Konden-sointivaihe poistaa sitten korkeamman asteen lajit ja melo taani uudelleenkierrätetään laitteen läpi. Sama laite, käytettynä korkean elektronivuon toimintamuodossa, voisi hajoittaa korkeamman asteen hiilivetymolekyylejä, jotka ovat kerrostuneet putken seinämille lähellä ulostulopäätä, ja erillinen korkeaamassa positiivisessa jännitteessä pi-15 dettävä kokoojaelektrodi voisi kerätä tällaiset osaset. Tässä toimintamuodossa alemman molekyylipainon lajeja voitaisiin tuottaa suurista molekyyleistä. On selvää, että kaasuseosten päästäminen tähän laitteeseen saisi aikaan joukon erilaisia lähtöyhdisteitä ja lukuisia harkittavissa 20 olevia mahdollisuuksia, muun muassa voisi tapahtua tiettyjen kaasujen tai nesteiden myrkyllisyyden poistoa. Myös on selvää, että putkien negatiivisen polariteetin päistä tulevia vetyioneja voitaisiin käyttää hajoittamaan suuren molekyylipainon hiilivetymolekyylejä joko pintavuorovaiku- * 25 tuksella tai tilavuusvuorovaikutuksella, ja yhdistämään osasia siten, että muodostuisi keskipainoisia molekyylejä (esimerkiksi C3Hx - C10Hy). Jopa puhdasta hiiltä (kuten kivihiili) voitaisiin kaasuunnuttaa tällä tavoin ja saatavat hiilivedyt pumpata pois.

30 Piirrosten lyhyt kuvaus ’ Kuvio 1 on leikkauskuva yksinkertaistetusta reak- tiokammiosta.

Kuvio 2 on päätyleikkauskuva osasta samansuuntaisten putkien matriisia.

• f 8 94842

Kuvio 3 on leikkauskuva yhdestä tällaisestä putkesta.

Kuvio 4 on leikkauskuva yhdestä tällaisestä putkesta, kun sähkökentän ja putken akselin välillä on kulma.

5 Kuvio 5 on leikkauskuva aksiaalivirtauksisesta reaktiokammiosta, jossa on nelisymmetrinen putkiasennus.

Kuvio 6 on päätyleikkauskuva kuvion 5 reaktiokam-mion osasta.

Ensisijaisten toteutusten kuvaus 10 Tarkastellaan nyt piirroksia ja erityisesti kuviota 1, on esitetty sähköinen laite 10 hiilivetyjen molekyyli-painojen konversioon, laitteen sisältäessä kammion 12, ' jonka seinämät on valmistettu lasista, keraamista tai metallista ja jossa on syöttökaasulähde 27 ja poistokaasu-15 portti 28 ja vetypoistoportti 29. Kammion 12 sisäseinämäs-sä tai sen läheisyydessä on elektrodi 22, joka on valmistettu metallista tai sopivasta puolijohtavasta materiaalista, joka voi toimia elektronilähteenä. Kammion 12 keskiosiin on asennettu joukko 30 putkimaisia elementtejä 32, 20 jotka on ulkoreunoistaan liitetty yhteen matriisiksi siten, että putkimaisten elementtien 32 akselit ovat samansuuntaisia toisiinsa nähden. Putkimaiset elementit 32 muodostuvat sopivasta lasista, lasikeraamista tai keraamista ja ne on sidottu toisiinsa reunojensa 36 suoralla yhteen-25 sulattamisella, kuten kuviossa 2 esitetty, tai ne voivat myös olla sidottu toisiinsa reunoille 36 viedyllä alemman pehmenemispisteen lasilla. Putkien 32 sisäosat ovat avoi-,' mia lieriöitä 33, joilla on sisäpinnat 34, joilla on se- kundäärielektroneja lähettäviä ominaisuuksia ja joilla on 30 puolijohdemateriaalivyöhyke sijoitettuna aivan pintojen 34 alapuolelle. Voidaan esimerkiksi käyttää yksityiskohtia rakenteesta, joka on kuvattu U.S -patentissa nro 3 260 876 (Manley et. ai.). Putkimaisten elementtien 30 joukko on pinnoitettu metallielektrodimateriaalilla 38 ja 40, kuten 35 kulta, nikkeli, sivuilla 38 ja 40 siten, että avoimet lie- 9 9 94842 riöt 33 lävistävät metallielektrodimateriaalin. Vaaditaan kolme potentiaalilähdettä, lähteen 42 ollessa kytketty putkielementtijoukon 30 sivujen 38 ja 40 välille, lähteen 44 ollessa kytketty elektrodista 40 elektrodiin 26 ja läh-5 teen 45 ollessa kytketty elektrodista 22 elektrodiin 38.

On esitetty näiden lähteiden kytkentä lasisen tai keraamisen kammion 12 läpi, mutta jos käytetään metallista kammion seinämää, edellytetään erillisiä läpisyöttökytkentöjä kammion seinän läpi.

10 Kuvataan lyhyesti laitteen toiminta toimintamuodos sa, joka kasvattaa hiilivetyjen molekyylipainoja, syöttö-kaasu, kuten metaani CH4 tai etaani C2H6 päästetään portin 27 läpi kammioon 10 ympäröivän paineen ollessa 10~6 - 1 torria, esimerkiksi. Tapahtuu kaasun diffuusiota putkiin 15 32, jonkin verran kaasua absorboituessa sisäseinämiin 34.

Elektronit, joita tulee joko elektronilähteestä 22 tai sivulla 38 olevan metallipäällysteen reunoissa tapahtuvasta kenttäemissiosta tai kosmisesta säteilystä, fotoemis-siosta tai muista luonnollisista lähteistä, kiihdytetään 20 pitkin alueita lähteestä 22 sivulle 38 ja edelleen sivua 40 kohden, jolloin ne matkan varrella iskeytyvät seinämiin 34 melkoisilla energioilla, kuten 10 - 100 elektronivolt-tia. Energia-arvojen aluetta voidaan säätää potentiaali-lähteellä 42. Tapahtuu sarja peräkkäisiä törmäyksiä, joka 25 kuvataan jäljempänä yksityiskohtaisesti ja joka poistaa vetyioneja abrorboituneista molekyyleistä ja mahdollistaa vetyionejen liikkua avoimissa lieriöissä 33 kohti sivua 38 ja samanaikaisesti sallii negatiivisesti varautuneiden hiilivetyionien liikkuva avoimissa lieriöissä 33 kohti 30 sivua 40. Sittemmin näiden hiilivetyionien törmäykset sa-: maila tavoin varautuneiden tai neutraalien lajien kanssa saavat aikaan yhdistymisen suuremmiksi hiilivetymolekyy-keiksi, jotka tulevat esiin sivulta 40 ja pumpataan poistoon 28. Saman aikaisesti sähkökenttä kuljettaa irronneet 35 vetyionit sivun 38 ohi, jossa ne yhdistyvät toisten saman • k 10 94842 lajin edustajien kanssa ja pumpataan poistoon 29. Jonkin verran syöttömetaania kulkee diffuusion vuoksi suoraan poistoportiin 28 ja se erotetaan myöhemmissä kondensointi-vaiheessa raskaammista, laitteen toiminnan muodostamista 5 hiilivetymolekyyleistä, minkä jälkeen metaani voidaan kierrättää takaisin syöttövirtaan, joka ruokkii porttia 27.

Tarkastellaan lisää erotus- ja uudelleenyhdistymis-mekanismia viitaten kuvioon 3, metaanimolekyylien voidaan katsoa absorboituneen sisäseinämiin 34 vahvoilla kemisorp-10 tiosidoksilla piioksidin tai alumiinioksidin kanssa, jotka liittyvät pinnalla olevaan yksiatomiseen kerrokseen, ja myös heikommilla monen molekyylin kerroksen sidoksilla muihin molekyyleihin. Kun sisäseinästään 34 iskee tuleva elektroni 51 10 - 100 elektronivoltin energia-alueella, 15 joukko erilaisia prosesseja saa alkunsa. Osa tuloelektro-nin 51 energiasta menee sekundäärielektronien 37 luomiseen, jotka emittoituvat seinämästä 34 ja jotka kiihtyvät parabeliradoilla jatkaen prosessia seuraavassa törmäyksessä seinämän 34 kanssa. Osa tuloelektronin 52 energiasta 20 menee positiivisen vetyionin 52 irrottamiseen absorboituneesta kaasumolekyylistä 55, luoden myös negatiivisesti varautuneen hiilivetyionin 53, esimerkiksi CH3 tai CH2. Osa tuloelektronin 51 energiasta antaa riittävästi kineettistä energiaa näille ioneille 52 ja 53 niin, että ne irtaan-. 25 tuvat pinnalla olevalta luomispaikaltaan ja kiihtyvät säh kökentän suuntaan parabolisia käyriä pitkin. Vetyioni törmää lopulta seinämään 52 riittävällä energialla sekundäärielektronien luomiseksi, jotka liittyvät prosessin vaatimaan elektronikaskadiin; tämä positiivinen ionitakaisin-30 kytkentäilmiö. Sama ionin 52 törmäys seinämään 34 antaa : myös riitävästi energiaa hajoittamaan yhden tai useamman tuohon paikkaan absorboituneen kaasumolekyylin 55 sidoksen, luoden tätän lisää positiivisia vetyioneja ja negatiivisia hiilivetyioneja, jotka vapautuvat tuosta paikasta 35 ja jotka kiihtyvät vastakkaisiin suuntiin sähkökentän su- il a il i nm I I ! Rl ; 94842 11 uimassa, antaen lisänsä prosessiin. Hiilivetyioni 53, joka saa kineettistä energiaan parabolisella radallaan, iskee seinämään 34 energialla, joka on riittävä hajoittamaan molekyylien 55 sidoksia törmäyskohdassa, mahdollistaen 5 hiili-hiili sidoksen muodostumisen tuossa kohdassa ja siten suuremman painon hiilivetyionin 56 luomisen, joka on esitetty negatiivisesti varautuneessa ionitilassa kuviossa 3 sen tullessa esiin putken sivusta 40. Hiili-hiili sidoksen muodostumispaikassa voidaan myös odottaa tapahtuvan 10 muita prosesseja, kuten sekundäärielektronien tuottamista ja vetyioninien tuottamista. Joissain tapauksissa korkeamman painon hiilivety ei mahdollisesti jätä seinämää 34 välittömästi luomisen jälkeen vaan sen irrottaa myöhempi elektroni- tai ionitörmäys. Näitten prosessien nettosuunta 15 voidaan vetää yhteen toteamalla, että (a) elektronien ja ionien kineettistä energiaa viedään pintavyöhykkeelle, jossa hiilivetymolekyylejä on absorboituneena; (b) ainakin yhden hiilivetysidoksen hajoaminen johtaa lajien erottumiseen sähkökentän avulla; (c) energeettisen hiilivetyionin 20 saapuminen pintavyöhykkeelle edelleen hajoittaa absorboituneita molekyylejä ja saa ne muodostamaan hiili-hiili sidoksia; (d) korkeamman painon molekyylit liikkuvat, kuten ionit, vastakkaiseen suuntaan kuin ylimäärävety, laitteen päähän, jossa ne pumpataan ulos.

25 Metaanimolekyylien 55 uudelleen täyttö pinnalle tapahtuu nopeasti putkessa olevan kaasufaasin diffuusion ja kerrostumisen ansiosta. Jonkin verran tapahtuu myös vuorovaikutusta varattujen hiukkasten ja neutraalien molekyylien välillä putken tilavuudessa siten, että pyrkii 30 tapahtumaan varauksen erottumista ja lajien erottumista kuten seinämille 34 kuvattiin, mikä edelleen vahvistaa prosessia.

Sopiva määrä varausta, joka vaaditaan elektronivir-ran säilymiseen kussakin törmäyskohdassa, saadaan pienestä 35 virrasta, joka kulkee puolijohtavassa, vain muutaman sadan 1 · i2 94842 Ängströmin, tai alle, kerroksessa pinnan 34 alla. Tällainen kerros voidaan helposti muodostaa esimerkiksi ennen lyijyoksidialumiinisilikaattilasin korkean lämpötilan ve-typelkistyskäsittelyä.

5 Elektronien ja ionien parabolisilla radoilla, ku vattu edellä, on pituus, joka riippuu sähkökentän voimakkuudesta ja myös hiukkasten kineettisestä alkuenergiasta ja niiden emissiosuunnasta pinnalta. Koska näiden varattujen hiukkasten törmäyksissä tapahtuva luominen sisältää 10 yhdistelmän useista satunnaisprosesseista seinämässä 34, hiukkasten suunta ja kineettinen alkuenergia noudattavat tilastollista jakaumafunktiota. Eräät näistä hiukkasista seuraavat ratoja, jotka ovat hyvin pitkiä, mikä mahdollistaa niiden saada satoja elektronivoltteja kineettistä 15 energiaa. Tämä saattaa johtaa vedyn täydelliseen poistumiseen törmäyksessä, jolloin kerrostuu hiiltä alkuainemuo-dossa. Vaikka tämä voikin poistua myöhemmissä törmäyksissä, olisi hyödyllistä asettaa sekä ala- että yläraja tör-mäysenergioiden alueelle, ja tämän vuoksi käsitellään vi-20 nossa olevien kanava-akselien geometriaa, kuvio 4.

Tarkastellaan kuviota 4, jossa on aiheutettu kulma sähkökentän ja putken akselien välille valmistamalla put-kinippu ja sitten leikkamalla nippu kulmassa. Molekyylejä 55 ei ole esitetty kuviossa 4 monimutkaisuuden vähentämi-25 seksi, mutta niitä on seinämässä 34. Elektronin 51 törmäys luo vetyionin 52, hiilivetyionin 53 ja sekundäärielek-troneja 58. Koska sähkökentän ja putken akselin välillä on kulma, parabolisen radan pituus rajoittuu jyrkästi. Esimerkiksi, jos sähkökenttä on 10 volttia per halkaisija, 30 voidaan järjestää pituudeltaan kolmen tai vähemmän halkai-. sijan radanpituuksia, joista aiheutuu törmäysenergioita 30 elektronivolttia tai vähemmän. Paljon usemmat törmäykset pitkin pituutta ovat täten mahdollisia, jolloin syntyy suurempia molekyyli-ioneja 57 ja 56. Näiden putkien pituus 35 voi ulottua 10 läpimitasta 1000 tai enempään läpimittaan • < 94842 13 ja kulman, sähkökentän voimakkuuden, pituus/halkaisija -suhteen ja kokonaispituuden yhdistelmä voidaan valita kon-versioprosessin optimoimiseksi kussakin nimenomaisessa tapauksessa, riippuen syöttöelektronilajeista, virtausno-5 peuksista ja antomolekyylilajien halutusta spektristä.

Voidaan käyttää lukuisia eri geometrioita syöttömo-lekyylivirran viemiseksi moniin miljooniin sähköreaktio-putkiin. Yksi mahdollinen konfiguraatio on esitetty kuviossa 5, jossa joukko 30 putkimaisia elementtejä 32 on 10 sijoitettu osoittaamaan keskusydinalueeseen, jossa kaikkein positiivisin elektrodi 26 on muodoltaan ydinalueen keskellä oleva tanko. Tämän aksiaalivirtausreaktorin ne-lisymmetria on esitetty myös kuviossa 6, joka kuvaa sitä, että elektrodi 26 antaa sähkökentän, joka vetää suurempia 15 negatiivisesti varautuneita molekyylejä putkimaisten elementtien poistopintaelektrodeista 40. Potentiaalilähteen 42, 44, 45 on tarkoituksella jätetty pois kuvioista 5 ja 6 piirroksen selkeyden vuoksi, mutta ne kuitenkin ovat oleellisia toiminalle ja ovat kytketty kuten edellä mai-20 nittu. Syöttömolekyylit portista 27 konvertoidaan putkimaisissa elementeissä 32 ja korkeamman painon molekyylit poistetaan portista 28, vety poistettaessa portista 29. Kaasun virtausta syöttöportista 27 poistoporttiin 28 voidaan lisätä magneetikentällä, jos halutatan pakottaa kon-25 vertoidut varatut molekyylit kohti porttia 28. Tässä tapauksessa eräs konfiguraatio voisi olla sylinterisymmetrinen magneettikenttä, joka voitaisiin synnyttää suurella virralla tangossa 26, joka tällaisessä tapauksessa lävistäisi kammion seinän 10 kahdessa paikkaa ja joka olisi 30 kiinnitetty sopivaan virtalähteeseen. Hyvin tunnettujen periaatteiden mukaan varattuihin hiukkasiin vaikuttava magneettinen voima olisi aksiaalisen virran suuntaan. Tällainen magneettikenttä ulottuisi myös putkimaisiin elementteihin 32, joissa se lisäisi varattujen partikkelien • · 94842 14 törmäyksiä seinämiä vasten ja vahvistaisi joissain tapauksissa konversiotehokkuutta.

Koska esillä olevaan keksintöön voidaan tehdä useita muunnelmia, modifikaatioita ja yksityiskohtien muutok-5 siä, on tarkoituksena, että kaikki asiaa koskeva aineisto, jota edellä käsiteltiin tai on esitetty oheisissa piirroksissa, tulkitaan havainnollistavassa vaan ei rajoittavassa mielessä. Tällaiset modifikaatiot ja muunnelmat sisältyvät seuraavien vaatimusten määrittelemiin tämän keksinnön 10 suoja-alueeseen.

* • 1

Claims (16)

1. Laite ensimmäisen molekyylipainon molekyylejä omaavan kaasun muuntamiseksi toisen molekyylipainon mole-5 kyylejä omaavaksi kaasuksi, käsittäen reaktiokammion (10), jossa on kaasun sisääntulo (27) ja ainakin yksi kaasun ulosmeno (28,29); tunnettu siitä, että reaktiokammio sisältää - ainakin yhden reaktioputkien (32) matriisin (30), 10 jossa jokaisella putkella on (i) ensimmäinen avoin pää, (ii) sisäpinta (34), joka on altistettu mainituille ensimmäisen molekyylipainon omaaville molekyyleille, ja jolla on sekundäärielektroneja emittoiva ominaisuus käsit- 15 täen puoli johtavaa materiaalia olevan vyöhykkeen juuri sen alapuolella, ja (iii) pitkittäisakselin, mainittujen reaktioputkien ollessa sijoitettuina oleellisesti yhdensuuntaisesti toisiinsa nähden siten, 20 että putkien ensimmäiset ja toiset päät määrittelevät mat riisin ensimmäisen ja toisen pinnan, vastaavasti; - ensimmäisen elektrodin (38) järjestettynä matriisin ensimmäiselle pinnalle ja kytkettynä reaktioputkien ensimmäisessä päässä oleviin puolijohtaviin kerroksiin; 25. toisen elektrodin (40) järjestettynä matriisin toiselle pinnalle ja kytkettynä reaktioputkien toisessa päässä oleviin puolijohtaviin kerroksiin; ja että laite edelleen käsittää - ensimmäisen ulkoisen potentiaalilähteen (42) kä- 30 sittäen (i) ensimmäisen liittimen kytkettynä matriisin (30) « ensimmäiseen elektrodiin (38), ja (ii) toisen liittimen kytkettynä matriisin (30) toiseen elektrodiin (40).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tun nettu siitä, että ensimmäinen ulkoinen sähköpotenti- 16 94842 aalilähde (42) on tasavirtalähde, sen ensimmäisen liittimen ollessa negatiivinen ja sen toisen liittimen ollessa positiivinen, ja että laite edelleen käsittää - kolmannen elektrodin (22) sijoitettuna matriisin 5 (30) ensimmäisen elektrodin (38) viereen ja toimiessa elektronilähteenä; ja - toisen ulkoisen sähköpotentiaalilähteen (45) käsittäen (i) ensimmäisen liittimen kytkettynä elektrodiin 10 (22), ja (ii) toisen liittimen kytkettynä matriisin (30) ensimmäiseen elektrodiin (38), varmistamaan jännite-eron kolmannen ja ensimmäisen elektrodin välillä elektronin kiihdyttämiseksi niiden kul-15 kiessa kolmannesta ensimmäiseen elektrodiin.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että ensimmäisellä ulkoisella sähköpo-tentiaalilähteellä on ajan mukaan muuttuva komponentti ja staattinen komponentti.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laite, tun nettu siitä, että laite edelleen käsittää - kolmannen elektrodin (22) sijoitettuna matriisin (30) ensimmäisen elektrodin (38) viereen ja toimiessa elektronilähteenä; ja 25. toisen ulkoisen sähköpotentiaalilähteen (45) kä- « eittäen (i) ensimmäisen liittimen kytkettynä elektrodiin (22), ja (ii) toisen liittimen kytkettynä matriisin (30) 30 ensimmäiseen elektrodiin (38), •r· varmistamaan jännite-eron kolmannen ja ensimmäisen elektrodin välillä elektronin kiihdyttämiseksi niiden kulkiessa kolmannesta ensimmäiseen elektrodiin.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen laite, 35 tunnettu siitä, että se edelleen käsittää - neljännen elektrodin (26) sijoitettuna matriisin • « % il ; - « * Silli l.i i β . 94842 17 (3) toisen elektrodin (40) viereen, ja - kolmannen ulkoisen sähköpotentiaalilähteen (44) käsittäen (i) ensimmäisen liittimen kytkettynä neljänteen 5 elektrodiin (26), ja (ii) toisen liittimen kytkettynä matriisin (30) toiseen elektrodiin (30).

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen laite, tunnettu siitä, että matriisin ensimmäinen ja toi- 10 nen pinta on olennaisesti tasomainen.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laite, tunnettu siitä, että kolmas elektrodi on järjestetty olennaisesti yhdensuuntaisesti ensimmäisen elektrodin kanssa.

8. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laite, tun nettu siitä, että neljäs elektrodi on järjestetty olennaisesti yhdensuuntaisesti toisen elektrodin kanssa.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 2-8 mukainen laite, tunnettu siitä, että toinen ulkoinen sähköpotenti- 20 aalilähde (45) on tasavirtalähde, sen ensimmäisen liittimen ollessa negatiivinen ja sen toisen liittimen ollessa positiivinen

10. Jonkin patenttivaatimuksen 1-9 mukainen laite, tunnettu siitä, että siinä on yksi reaktioputkien 25 muodostama matriisi, ensimmäinen ja toinen kaasun ulostulo (28,29); kaasun sisääntulon (27) ja ensimmäisen kaasun ulosmenon (28) ollessa sijoitettuna matriisin toisen pinnan yhteyteen; ja toisen kaasun ulosmenon (29) ollessa sijoitettuna matriisin ensimmäisen pinnan yhteyteen.

11. Jonkin patenttivaatimuksen 1-9 mukainen laite, tunnettu siitä, että siinä on ainakin kaksi reak- « tioputkien muodostamia matriiseja, että kullakin mainituilla matriiseilla on pituusakseli, ja että mainitut matriisit on sijoitettu keskiakselin ympärillä siten, että 35 mainittujen matriisien pituusakselit on suunnattu kohtisuoraan mainittua keskiakselia kohti. ‘ · I 94842 18

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen laite, tunnettu siitä, että se sisältää lineaarisen elektrodin (26b,c) joka sijaitsee lähellä mainittua keskiakselia ja kolmannen ulkoisen potentiaalilähteen, jolla on ensimmäi- 5 nen liitin kytkettynä lineaariseen elektrodiin ja toinen liitin kytkettynä matriisien toisiin elektrodeihin.

13. Jonkin patenttivaatimuksen 1-12 mukainen laite, tunnettu siitä, että kolmas elektrodi (22) on materiaalia, jolla on elektroneja emittoivia ominaisuuksia.

14. Jonkin patenttivaatimuksen 1-13 mukainen laite, tunnettu siitä, että matriisin/matriisien ensimmäinen ja toinen pinta määrittelevät olennaisesti yhdensuuntaisia tasoja, jotka sijaitsevat 90°:sta poikkeavassa kulmassa mainituissa matriisissa/matriiseissa olevien 15 reaktioputkien pituusakselien suhteen.

15. Menetelmä ensimmäisen molekyylipainon omaavan ensimmäisen aineen muuntamiseksi toisen molekyylipainon omaavaksi toiseksi aineeksi reaktiovyöhykkeessä, tunnettu siitä, että reaktiovyöhyke käsittää olennaises- 20 ti yhdensuuntaisia pitkittäisakselia omaavien reaktioputkien muodostaman ainakin yhden matriisin, ja joiden sisäpinnat on altistettu mainitulle ensimmäiselle aineelle, jolloin mainitulla sisäpinnalla on puolijohtava kerros, menetelmän käsittäessä vaiheet: 25 tuodaan sähkökenttä, jolla on merkittävä mainittu jen reaktioputkien pitkittäisakselien kanssa yhdensuuntainen komponentti; lisätään ensimmäistä ainetta mainittuihin reak-tioputkiin, ensimmäisen aineen reagoidessa tuodussa sähkö- 30 kentässä kiihdytettyihin elektroneihin toisen aineen muo dostamiseksi; ja kerätään talteen mainittu toinen aine.

16. Patenttivaatimuksen 15 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu ensimmäinen aine on 35 hiilivety. • · 94842 19