KR102587664B1 - 플라즈마-화학적 가스/가스 혼합물 전환 방법 및 장치 - Google Patents

플라즈마-화학적 가스/가스 혼합물 전환 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 개시는 화학 분야에 관한 것으로, 특히 펄스 방전을 이용하는 가스 또는 가스 혼합물의 플라즈마-화학적 전환 방법을 제안한다. 본 개시의 기술적 효과는 정반응을 활성화하고 역반응을 최소화함으로써 가스/가스 혼합물을 원하는 생성물로 전환하는 공정의 효율성을 증가시킨다는 것이다. 이는 가스/가스 혼합물의 이동하는 흐름에서 전극 사이에 형성되는 플라즈마 채널 형태의 펄스 방전을 사용하여 가스/가스 혼합물을 전환함으로써 달성되고, 평균 방전 전류에 대한 유속의 비율은 다음 범위에 있고:
250 J/(m3*А2) < ρ*V2 / I2 < 4,000 J/(m3*А2)
여기서 ρ는 반응 챔버 내의 가스/가스 혼합물의 밀도(kg/m3)이고, V는 반응 챔버 내의 가스/가스 혼합물의 유속(m/s)이며, I는 펄스 방전의 평균 전류(A)이다.
가스/가스 혼합물 전환 방법 및 방법을 구현하기 위한 장치가 제안된다. 2 개의 독립항, 9 개의 종속항, 3 개의 도면.

Description

플라즈마-화학적 가스/가스 혼합물 전환 방법 및 장치
본 개시는 화학 분야에 관한 것으로, 특히 펄스 방전(pulsed electrical discharge)을 이용하는 가스 또는 가스 혼합물의 플라즈마-화학적 전환 방법을 제안한다. 이는 석유 화학 산업에서 천연 가스 또는 관련 석유 가스를 처리하기 위해 사용될 수 있으며, 이산화탄소를 결합하고 처리하는 환경 친화적 기술 및 기타 유형의 석유 화학 공정에 사용될 수 있다.
플라즈마는 예를 들어 합성 가스의 생산, CO2 및 H2S 전환 등과 같이 높은 활성화 에너지로 화학 반응을 촉진하는 매우 강력한 도구로 간주될 수 있다. 고온 또는 비평형 플라즈마(nonequilibrium plasma)에 의해 활성화된 플라즈마-화학 반응을 생성하기 위해 DBD 및 펄스 코로나 방전, 전기 아크 또는 마이크로파 방전을 이용하는 플라즈마 기반 기술이 잘 알려져 있다. 비평형 플라즈마라는 이름의 기원은 기체 분자는 상대적으로 차갑게 유지되는 반면(이들의 온도가 상승하지 않음), 전자는 분자를 해리시키고 이온화하기에 충분한 매우 높은 에너지를 가지고 있다는 사실에 기인한다.
플라즈마-화학 반응을 생성하기 위한 플라즈마 파라미터의 최적화는 원하는 생성물의 수율을 최대화하면서 에너지 비용을 최소화하는 것이다. 순방향 화학 반응을 활성화하기 위해, 플라즈마는 시약 분자를 해리시키나 여기시켜, 라디칼 또는 기타 활성 입자를 생성하며, 이들은 서로 반응하여 원하는 생성물을 달성할 수 있다.
이러한 반응을 생성하는 두 가지 방법이 있다.
하나는 소스 분자(source molecule)를 충분한 에너지를 갖는 전자와 직접 충돌시킴으로써 소스 분자를 해리시키는 것이다. 이 경우, 플라즈마의 주요 특성은 전기장의 전압, 또는 가스 분자와의 두 번의 충돌 사이에 전기장의 전자에 의해 획득된 에너지가 라디칼 또는 활성 입자를 형성하는 원하는 과정에 충분한지를 결정하는 가스 농도에 대한 전기장 전압의 비율이다.
이 방법은 논문(DBD in burst mode: solution for more efficient CO2 conversion? А. Oskan et al)(Plasma Sources Science and Technology, IOP Publishing, 2016, 25 (5), p. 055005), published at https://hal.sorbonne-universite.fr/hal-01367345 참조)에 개시된 간헐적 장벽 방전(intermittent barrier discharge)을 포함하는 유전체 장벽 방전(dielectric barrier discharge, DBD)과 같은 모든 유형의 비평형 플라즈마에 전형적이다.
이는 예를 들어 논문(Nanosecond-Pulsed Discharge Plasma Splitting of Carbon Dioxide, Moon Soo Bak et al)(IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 43, NO. 4, APRIL 2015, pp. 1002-1007 참조)에 개시된 바와 같은 나노초 펄스 방전에도 동일하게 적용된다.
두 논문 모두 본 개시에 대한 선행 기술로 간주될 수 있으며 한 가지 주요 단점, 즉 매우 낮은 전환 공정 효율을 갖는다.
비평형 플라즈마의 가장 큰 문제는 가스를 가열하는 전자의 모든 유형의 에너지 손실(탄성 충돌, 분자의 진동 여기 등)이 비가역적이며, 가장 중요한 것은 이 경우에 쓸모 없다는 것이다. 불행히도 이러한 유형의 손실은 일반적으로 분자 해리 에너지와 반응 열(엔탈피(enthalpy))보다 훨씬 크다. 이러한 이유로, 비평형 플라즈마의 에너지 효율(반응 엔탈피 속도 및 에너지 비용)은 일반적으로 약 10% 내지 20%로 매우 낮다.
대안은 반응 챔버 내의 가스 분자를 반응의 활성화 장벽을 돌파하기에 충분한 온도까지 가열하는 것이다. 이 경우, 가열은 유용한 공정이며, 더 많은 열을 발생시키는 모든 공정은 손실이 아니다.
그러나, 반응 챔버가 가열될 때 또 다른 문제가 있다: 즉, 모든 분자가 가열되고, 본 발명자들이 필요로 하는 시약의 가열 및 해리뿐만 아니라 반응의 최종 생성물의 가열 및 해리에도 에너지가 소비된다는 것이다. 이 경우, 가장 큰 문제는 공정의 전환율과 에너지 효율을 감소시키는 역반응이다.
해결책은 가능한 한 빨리 고온 영역에서 반응 생성물을 제거하는 것이다. 역반응을 억제하는 이러한 방법으로 인해, 원하는 생성물의 수율과 플라즈마-화학 공정의 에너지 효율을 크게 높일 수 있다. 이 방식은 종종 플라즈마-화학 반응 생성물의 퀀칭(quenching)이라고 불린다.
2011년 1월 11일 공개된 특허 US 7867457 B2에 개시된 바와 같이 플라즈마-화학 반응을 수행하는 기술이 공지되어 있다. 이는 역방향 와류(reverse vortex)로 구성된 가스 흐름을 통해 이동하는 글라이딩 아크(gliding arc)를 사용하는 특수 플라즈마-화학 반응기를 포함한다. 이는 생성물이 플라즈마 채널을 통해 이동하도록 함으로써 생성물의 퀀칭 문제를 부분적으로 해결하지만, 이 해결책은 또한 가스에 대한 플라즈마 채널의 속도(슬리피지 속도(slippage velocity))가 초당 약 1 미터 정도로 상대적으로 낮다는 사실에서 비롯되는 몇 가지 심각한 문제를 갖는다. 따라서 반응 생성물의 적어도 일부는 결국 이차 처리를 거치는데, 이는 역반응의 상당한 기여를 하고 공정의 전환율과 에너지 효율을 낮춘다.
반응 생성물의 효과적인 퀀칭을 보장하면서 고온 구역에서 최적의 가스 전환 조건을 보장하면, 전환 공정의 에너지 효율뿐만 아니라 최대 전환을 달성할 수 있다.
본 개시의 기술적 효과는 정반응을 활성화하고 역반응을 최소화함으로써 가스/가스 혼합물을 원하는 생성물로 전환하는 공정의 효율성을 증가시킨다는 것이다.
이러한 효과를 달성하기 위해, 주어진 속도로 반응 챔버에서 이동하는 가스/가스 혼합물의 흐름에서 펄스 방전을 생성하여, 반응 챔버 내부에 위치한 전극을 연결하는 수명이 짧은 플라즈마 채널을 생성하는 단계를 포함하는 플라즈마-화학적 가스/가스 혼합물 전환 공정의 새로운 방법을 사용하는 것을 제안한다.
제안된 방법은 고온 플라즈마 채널에서 생성되는 반응 생성물의 퀀칭 문제를 해결한다. 반응 챔버에서 주어진 속도로 이동하는 가스/가스 혼합물 흐름은 전환을 위한 시약의 새로운 부분을 공급하는 동시에, 방금 형성된 플라즈마 채널을 신속하게 소멸시켜 지속 시간을 제한하는 것에 도움이 된다. 최적의 플라즈마-화학적 전환 공정은, 방전 동안의 평균 전류에 대한 반응 챔버 내의 가스/가스 혼합물 유속의 비율이 다음과 같을 때 달성된다:
250 J/(m3*А2) < ρ*V2 / I2 < 4,000 J/(m3*А2)
여기서 ρ는 반응 챔버 내의 가스/가스 혼합물의 밀도(kg/m3)이고, V는 반응 챔버 내의 가스/가스 혼합물의 유속(m/s)이며, I는 평균 방전 전류(A)이다.
이 방법은 반응 챔버와 입력/출력 모듈로 구성된 반응기, 반응 챔버 내부의 전극에 연결된 고전압 전원 공급 장치, 및 가스 유량 조절기 구성된 가스/가스 혼합물의 플라즈마-화학적 전환을 위한 특수 장치를 구축함으로써 구현된다. 고전압 전원 공급 장치는 10 내지 500 ns 지속되는 고온 플라즈마 채널 형태로 20 내지 300 kHz의 주파수로 전극 사이에 펄스 방전을 생성한다.
도 1은 제안된 가스/가스 혼합물 플라즈마-화학적 전환 장치의 도면을 도시한다.
도 2는 가스/가스 혼합물을 반복적으로 처리하는 가스/가스 혼합물 플라즈마-화학적 전환 장치를 도시한다.
도 3은 펄스 방전을 생성하기 위한 고전압 전원 공급 장치의 전기 회로도를 도시한다.
가스 또는 가스 혼합물의 원하는 생성물로의 플라즈마 전환은, 역반응을 피하기 위해 형성된 반응 생성물에 대한 이러한 영향을 방지하면서, 외부 작용 없이 화학 반응에 들어가지 않는 초기 시약 분자의 해리 또는 여기를 포함한다. 예를 들어, 천연 가스(메탄)로부터 아세틸렌이 생산될 때, 아세틸렌 분자가 아닌 메탄 분자가 플라즈마 처리되어야 하며, CO2와 메탄의 혼합물로부터 CO와 수소가 생산될 때, CO와 H2 반응 생성물이 아니라, CO2와 CH4 초기 시약이 처리를 받아야 한다.
제안된 가스 전환 공정의 취지는 전극을 연결하는 고온 플라즈마 채널 형태로 펄스 방전에서 가스 영역을 생성하는 것이다. 채널 내부의 온도는 섭씨 수천 도에 이른다. 고온은 플라즈마 채널 내부의 가스에서 분자의 해리 또는 여기를 유발한다. 플라즈마 채널의 소멸 이후, 필요한 화학 반응이 라디칼 또는 여기된 가스 입자와 관련하여 발생하며, 그 결과 원하는 성분이 생성되고, 이후 안정적으로 유지되는데, 환경 온도가 100 내지 150℃를 넘지 않기 때문이다.
연속적인 사용을 가정하는 이러한 가스 전환 공정의 효율은 생성된 펄스 방전의 형태에 직접적으로 의존한다. 펄스 방전의 형태가 간헐적으로 나타나고 다시 나타나는 고온 플라즈마 채널일 때 최대 효율이 달성된다. 간헐적 플라즈마 채널 형태의 방전은 공정에 대한 최적의 방전 형태이다.
주어진 속도로 이동하는 가스 흐름에서 최적의 방전 형태를 생성하기 위한 파라미터는 고정 가스에서 동일한 유형의 방전을 생성하기 위한 파라미터와 다르다. 실험을 수행하는 동안, 주어진 가스 조성에서 최적의 방전 형태를 생성하는 데 필요한 가스 흐름의 속도와 펄스 방전의 평균 전류 사이에 상관 관계가 있다는 것이 확인되었다. 최적의 방전 형태를 유지하는 데 필요한 평균 방전 전류에 대한 가스 흐름 속도의 비율에 대해 다음과 같은 값의 범위가 결정되었다:
250 J/(m3*А2) < ρ*V2 / I2 < 4,000 J/(m3*А2)
여기서 ρ는 반응 챔버 내의 가스/가스 혼합물의 밀도(kg/m3)이고, V는 반응 챔버 내의 가스/가스 혼합물의 유속(m/s)이며, I는 평균 방전 전류(A)이다.
상기 식에서 사용된 가스/가스 혼합물 흐름의 속도(V)는 반응 챔버의 작업 영역의 단면적에 대한 단위 시간당 반응 챔버로 들어오는 가스/가스 혼합물의 부피의 비율로 계산된다. 이 속도는 도플러 효과에 의해 직접 측정될 수 있다.
이동하는 가스 흐름에서 간헐적 펄스 방전을 사용하면, 여러 문제를 동시에 해결할 수 있다.
1) 전환에 필요한 시약의 새로운 부분이 지속적으로 공급되고 있어, 더 적은 시간에 더 많은 시약을 처리할 수 있다.
2) 반응의 최종 생성물은 반응기의 활성 영역에서 빠르게 제거되고, 따라서 역반응 가능성을 최소화하고 전환 공정의 효율성을 높인다.
3) 고온 플라즈마 채널은 가스 흐름과 함께 꺼지고, 따라서 더 잘 소멸시키고 지속 시간을 제어하는데 도움이 된다.
플라즈마 채널의 지속 시간은 가스 전환 효율에 영향을 미친다. 너무 짧으면, 채널의 모든 가스 분자가 해리되지 않고, 따라서 반응에 참여할 수 있는 입자의 수가 감소하여 원하는 생성물을 생성하는 정반응의 수도 감소한다. 플라즈마 채널이 너무 오래 지속되면, 고온의 온도가 시약뿐만 아니라 원하는 생성물의 생성된 분자에도 영향을 미치고, 따라서 이들을 해리시키고 역반응을 일으킨다.
플라즈마 채널이 충분히 높은 온도를 갖고 따라서 10,000 옴 미만의 채널의 전기 저항을 보장하는 충분히 높은 수준의 분자 이온화를 가질 수 있는 최적의 지속 시간은 10 내지 500 ns이다. 플라즈마 채널의 지속 시간이 10 ns 미만이면, 정반응의 에너지 효율이 감소하고, 500 ns 이상이면 역반응의 영향이 높아지며, 퀀칭 효과가 낮아진다.
또한 실험을 통해 플라즈마-화학적 전환을 수행하기 위한 플라즈마 채널의 최적 주파수(20 내지 300 kHz)를 결정할 수 있었다. 낮은 주파수에서는 반응기의 생산성이 떨어졌고, 높은 주파수에서는 최적의 방전 형태를 안정화하는 것과 관련하여 기술적인 어려움이 있었다.
플라즈마-화학적 가스/가스 혼합물 전환을 수행하는 원리는 도 1에 주어진 장치의 도면의 사용하여 아래에서 설명된다.
플라즈마-화학적 가스/가스 혼합물 전환 장치는 반응 챔버(2)와 입력(3) 및 출력(4) 모듈로 구성된 반응기(1), 및 반응 챔버(2) 내부에 배치된 전극(6 및 7)에 연결된 고전압 전원 공급 장치(5)를 포함한다.
반응 챔버(2)는 세라믹 또는 석영 유리와 같은 내열성 유전체로 제조되며 일반적으로 원통형으로 제조될 것이다.
전극(6 및 7)은 각각 자체 전원 장치를 갖는 양극과 음극 또는 여러 쌍의 양극과 음극으로 구성되며, 이들 전극은 여러 가지 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 이들 전극은 평평한 단부가 있는 원통형, 날카로운 에지가 있는 일단을 갖는 원통형, 일단에 막대나 바늘이 있는 원통형, 또는 날카로운 단부와 방사형 구멍이 있는 원뿔형으로 제조될 수 있다. 디자인과 형태의 모든 조합이 가능하다. 다음 재료들이 전극 및 이들의 부품에 사용될 수 있다: 강철, 스테인리스 강, 구리, 황동, 청동, 티타늄, 텅스텐, 몰리브덴, 하프늄, 지르코늄 또는 이들의 조합.
전원 공급 장치(5)는 각각 양극과 음극의 고전압 단자(8, 9)를 통해 전극(6 및 7)에 연결된다. 각각의 전극(6 및 7)에 대한 고전압 입력(8, 9)의 수는 다양할 수 있고; 이들의 수는 필요한 플라즈마 채널 지속 시간을 달성하기 위해 방전 회로의 필요한 인덕턴스를 기반으로 선택된다.
유량이 하나 또는 여러 개의 가스 유량 조절기에 의해 설정되는 초기 가스 시약 또는 여러 초기 가스 시약은 반응기(1)로 공급되고, 여기서 입력 모듈(3)의 구멍을 통해 반응 챔버(2)로 유도된다. 반응 챔버에서, 이들은 주어진 속도로 이동하기 시작한다. 고전압 전원 공급 장치(5)는, 플라즈마-화학적 전환을 달성하기 위해, 최적의 지속 시간 및 주파수 파라미터로 전극(6 및 7) 사이에 간헐적 고온 플라즈마 채널이 생성되는 것을 보장한다. 반응 챔버(2) 내의 시약의 충분한 유속과 전극(6 및 7)의 형태로 인해 플라즈마 채널이 빠르게 소멸되고, 이는 역반응 가능성을 최소화한다. 전환의 결과로 생성된 성분뿐만 아니라 나머지 시약은 출력 모듈(4)의 구멍을 통해 챔버(2)를 떠나고, 따라서 반응 챔버 내에서 필요한 가스 속도를 유지하는 데 도움이 된다.
도 2는 반응하지 않은 시약이 다시 반응 챔버(2)로 유도될 수 있는 플라즈마-화학적 전환 장치의 형태를 도시하고 있다.
시약과 전환 생성물의 혼합이 출력 모듈(4)을 떠난 후, 이는 관류식 열 교환기(10)를 통과하고, 가스 분리 장치에 적합한 온도로 냉각되고, 혼합물은 이후 가스 분리 장치(11)로 공급되고, 여기서 생성물이 시약에서 분리된다. 나머지 시약은 이후 초기 시약의 공급 채널과 반응기(1)로 유도된다. 장치는 또한, 초기 시약이 가스 유량 조절기(13)로부터 공급되는 속도가 불충분한 경우, 반응 챔버(2) 내에 필요한 가스 유량을 생성하기 위해 재활용 송풍기(12, recycling blower)를 추가로 구비할 수 있다.
예를 들어 CO2가 공정에 사용되는 원료인 경우, 생성물 1 및 생성물 2는 CO 및 산소일 수 있다. 시스템은 또한 예를 들어 메탄으로부터 단일 생성물, 예를 들어, 아세틸렌을 생산할 수 있다. 예를 들어 목표가 CO2와 메탄 혼합물로부터 합성 가스(H2와 CO의 혼합물)를 생산하는 것이라면, 생성물은 서로 분리될 필요가 없다.
가스 분리 모듈(11)의 설계를 위한 한 가지 옵션은, 메탄으로부터 아세틸렌을 생산하기 위해 사용되는 것과 유사한 2-단계 시스템으로서, 용매에 아세틸렌을 용해하기 위한 유닛, 또는 압력 변동 흡착(pressure swing absorption, PSA)에 의해 아세틸렌을 추출하기 위한 유닛 및 메탄의 잔류물로부터 수소를 분리하기 위한 PSA 유닛을 포함하는 2-단계 시스템일 수 있다.
입력 및 출력 모듈은 금속, 내열성 플라스틱 또는 세라믹으로 제조된 부품이다. 이들의 임무는, 가스가 방전 챔버로 들어간 다음 이들 모듈의 구멍을 통해 배출될 때 전극에 인접한 영역에 국부적인 가스 흐름을 생성하는 것이다. 이 과정 동안, 전극에 인접한 영역에 국부적인 속도장(velocity field)(이는 가스/가스 혼합 속도(V)와는 다름)이 생성되고, 필요에 따라 가스를 전극에 불어 넣을 수 있고, 가스를 나선형으로 이동시켜 배출 챔버 내에 역방향 와류를 형성할 수 있다.
방전 챔버에서의 가스의 회전이 생성되어, 방전 챔버의 중앙에서 플라즈마 채널이 생성되는 영역을 안정화시키고, 플라즈마 채널이 반응기 벽에 "고착(sticking)" 되는 것을 방지한다. 플라즈마 채널이 반응기 벽에 고착되는 이러한 현상은, 과열로 인한 반응 챔버의 벽의 파괴로 이어질 수 있는 원치 않는 위험한 현상이다. 고착 효과는 배출 챔버 벽의 불균일한 가열로 인해 발생하고, 따라서 입력 및 출력 모듈의 접선 구멍(tangent hole)의 도움으로 챔버를 통해 가스 소용돌이(swirl)를 유도함으로써 방지될 수 있다. 이는 반응기의 온도를 균일하게 하는 역할을 하며, 음극과 양극 사이의 최근접 거리 가까이서 궤적을 따르는 플라즈마 채널의 형성을 유발한다.
고전압 전원 공급 장치(5)는 전극(6 및 7) 사이에서 플라즈마 채널의 파괴(breakdown) 및 형성을 유발할 수 있도록 전극 상에 충분한 양의 전압을 유지한다. 채널이 가열되고 이의 저항이 감소한 후, 방전 용량은 전하를 잃고, 방전 갭(discharge gap)의 전압도 떨어지고, 특정 지점에서 0을 통과하며, 회로의 인덕턴스로 인해 음이 된다. 이 시점에서, 플라즈마 채널에서 생성되는 에너지는 0에 가깝다. 방전 용량이 다음 파괴에 충분한 전압을 획득하는 데는 약간의 시간이 걸린다. 이 시간은 전원 공급 장치(5)의 파라미터에 의해 결정되며, 이는 펄스 방전 사이에 필요한 일시 중지를 보장한다. 다음 플라즈마 채널은 다른 장소에서 형성되며, 반응 생성물에 영향을 주지 않고, 이들 생성물은 이상적인 템퍼링(tempering) 조건에 도달한다. 도시된 도면은 펄스-주기적 스파크 방전과 유사하지만 이 경우 플라즈마 채널의 수명과 이들의 반복 빈도는 두 배 더 낮고, 이는 플라즈마-화학적 전환을 위해 설명된 장치에서의 적용에 필요한 품질을 제공한다.
펄스 방전을 생성하는 장치에서 사용되는 고전압 전원 공급 장치(5)의 예시적인 전기 회로도에 대해서는 도 3을 참조한다.
고전압 전원 공급 장치는 주파수 변환기(14)와, 고전압 고주파 변압기(15)와, 전압 배가 회로(voltage doubling circuit, 16), 및 출력 펄스 커패시터(17)를 포함한다. 전압 배가 회로(16)는 고전압 다이오드(18)와 고전압 커패시터(19)를 포함한다.
다이오드(18)와 커패시터(19)를 기반으로 하는 고전압 변압기(15)와 전압 배가 회로(16)는 출력 펄스 커패시터(17)의 충전 전류에 대한 제한기(limiter)로서 작동한다. 충전 전류는 유닛으로 공급되는 고전압의 주파수 또는 전력 주파수 변환기(14)에 의해 생성되는 임펄스의 주파수를 변경함으로써 제어될 수 있다. 출력 펄스 커패시터가 플라즈마-화학 반응기(1)의 전극간 갭(interelectrode gap) 파괴에 충분한 전압으로 충전되고 나면, 출력 펄스 커패시터(17)는 공정에서 형성되는 플라즈마 채널을 통해 방전된다. 커패시터(17)의 정전용량은 이상적으로 I*100 mkF보다 커야 하며, 여기서 I는 평균 방전 전류이다.
플라즈마 채널이 소멸되고 나면, 공정은 반복된다. 높은 반복 빈도는 시약의 필요한 정도의 전환과 반응기의 생산성을 보장한다.
실험에서, 전압 배가 회로(16)의 커패시터(19)로서 100 pF 커패시터를 사용하였다. 주파수 변환기(14)는 60 kHz 또는 120 kHz의 주파수를 생성하였다. 출력 펄스 커패시터(17)는 300 pF의 용량을 가졌다. 따라서 플라즈마 채널의 안정적인 점화 및 소멸 체제가 각각 30 kHz 또는 60 kHz의 주파수로 얻어졌다. 플라즈마-화학 반응기(1) 내에서의 플라즈마 채널을 통한 출력 펄스 커패시터(17) 회로의 유효 인덕턴스는 0.5 μH, 0.125 μH 또는 0.03 μH이었다. 한편 플라즈마 채널의 지속 시간은 각각 180 ns, 80 ns, 30 ns이었다.
실험 동안 얻은 결과의 실시예는 다음과 같다:
실시예 1
대기압에서 메탄과 수소의 50/50 혼합물로부터 아세틸렌의 생산. 밀도는 0.4 kg/m3이었다. 평균 방전 전류는 0.4 A로 설정되었다. 방전 챔버의 평균 가스 유속은 11.5 m/s이었다. 따라서 평균 방전 전류에 대한 유속의 비율은:
ρ*V2 / I2 = 330.6 J/(m3*А2)이며, 목표 범위에 있다
실험 동안, 상기한 바와 같은 순수한 형태의 방전이 얻어졌고, 아세틸렌 분자 생산의 에너지 비용은 분자당 8 eV이었다.
실시예 2
메탄과 수소의 50/50 혼합물로부터 아세틸렌의 생산. 밀도는 0.38 kg/m3이었다. 평균 방전 전류는 0.4 A로 설정되었다. 방전 챔버의 평균 가스 유속은 3.5 m/s이었다. 따라서 평균 방전 전류에 대한 유속의 비율은:
ρ*V2 / I2 = 29 J/(m3*А2)이며, 이는 목표 범위의 밖에 있다.
실험 동안, 방전은 전극을 연결하는 연속적인 끊임없는 플라즈마 필라멘트, 즉 가스 흐름에서 수축 글로우 방전(contracted glow discharge)의 형태를 취했다. 아세틸렌 분자 생산의 에너지 비용은 분자당 32 eV이었다.
실시예 3
1.5 atm의 절대 압력에서 메탄과 수소의 50/50 혼합물로부터 아세틸렌의 생산. 밀도는 0.57 kg/m3이었다 평균 방전 전류는 0.4 A로 설정되었다. 방전 챔버의 평균 가스 유속은 12 m/s이었. 따라서 평균 방전 전류에 대한 유속의 비율은:
ρ*V2 / I2 = 513 J/(m3*А2)이며, 이는 목표 범위에 있다.
실험 동안, 상기한 바와 같은 최적의 방전 형태가 얻어졌고, 아세틸렌 분자 생산의 에너지 비용은 분자당 10.5 eV이었다.

Claims (11)

  1. 가스의 플라즈마-화학적 전환 방법으로서, 방법은:
    방전 챔버, 전극, 및 입력 및 출력 모듈을 포함하는 반응기로 가스 흐름을 유도하는 단계로서, 가스 흐름은 주어진 속도로 반응 챔버를 통해 이동하는, 단계와;
    반응 챔버에서 펄스 방전을 생성하여, 전극을 연결하는 고온 플라즈마 채널을 생성하는 단계를 포함하고;
    평균 방전 전류에 대한 반응 챔버 내의 가스의 평균 유속의 비율은 다음 범위에 있고:
    250 J/(m3*А2) < ρ*V2 / I2 < 4,000 J/(m3*А2),
    여기서 ρ는 반응 챔버 내의 가스의 밀도(kg/m3)이고, V는 반응 챔버 내의 가스의 평균 유속(m/s)이며, I는 펄스 방전의 평균 전류(A)이고; 여기서 상기 펄스 방전의 주파수는 20 내지 300Hz인, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    고온 플라즈마 채널의 수명은 10 내지 500 ns이고, 고온 플라즈마 채널의 온도는 적어도 2000 ℃인, 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    반응 챔버를 통해 흐르는 가스 흐름은 소용돌이인, 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    반응 챔버 내에 역방향 와류가 형성되는, 방법.
  5. 반응기를 포함하는 가스의 플라즈마-화학적 전환을 위한 장치로서,
    상기 반응기는 가스를 포함하도록 구성된 반응 챔버, 챔버 내에 위치한 전극, 반응 챔버 내에서 상기 가스의 흐름을 생성하도록 구성된 입력 모듈; 출력 모듈, 가스 유량 조절기, 및 전극을 연결하는 고온 플라즈마 채널의 형태로 반응 챔버에서 펄스 방전을 발생시키기 위해 상기 전극에 전류를 공급하도록 구성된 고전압 전원 공급 장치를 포함하며,
    여기서 상기 장치는 평균 유속과 상기 전류 사이의 비율을 다음 범위 내에서 제어하도록 구성되는 것인, 장치:
    250 J/(m3*А2) < ρ*V2 / I2 < 4,000 J/(m3*А2),
    여기서 ρ는 반응 챔버 내의 가스의 밀도(kg/m3)이고, V는 반응 챔버 내의 가스의 평균 유속(m/s)이며, I는 전류이고; 여기서 상기 펄스 방전의 주파수는 20 내지 300Hz이다.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전극은 하나 이상의 양극-음극 쌍이고; 여기서 상기 고전압 전원 공급 장치는 양극 및 음극의 입력을 통해 하나 이상의 양극-음극 쌍에 연결되며, 상기 각 전극은 하나 이상의 입력을 가질 수 있는, 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    전극은, (a) 평평한 바닥이 있는 원통형, (b) 날카로운 에지가 있는 일단을 갖는 원통형, (c) 일단에서 막대나 바늘이 튀어나온 원통형, 또는 (d) 날카로운 단부와 방사형 구멍이 있는 원뿔형으로 설계되는, 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    입력 모듈은 소용돌이 흐름 형태로 상기 가스 흐름을 생성하도록 구성되는, 장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    관류식 열 교환기 및 가스의 시약을 재활용하고 재사용하기 위한 가스 분리 장치를 추가로 포함하며, 상기 관류식 열 교환기는 출력 모듈과 작동 가능한 상태로 통신하는 장치.
  10. 제 5 항에 있어서,
    관류식 열 교환기 및 반응 챔버와 작동 가능한 상태로 통신을 하는 재활용 송풍기를 추가로 포함하며, 상기 재활용 송풍기는 반응 챔버 내에서 상기 가스의 추가 흐름을 도입하도록 구성되는, 장치.
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