KR20210148275A - C1- 내지 c4-알칸-함유 가스로부터 수소와 고체 탄소를 생산하는 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열 플라즈마를 이용하여 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 수소 및 고체 탄소를 생산하기 위한 장치, 열 플라즈마를 이용하여 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 수소 및 고체 탄소를 생산하기 위한 방법, 및 본 발명의 방법을 이용하여 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 수소 및 고체 탄소를 생산하는 방법에서의 사용을 위한 장치의 용도에 관한 것이다.
Description
본 발명은, 전기 아크를 이용하여 열 플라즈마(thermal plasma)를 발생시키는 적어도 하나의 반응기를 사용하는 열 플라즈마를 이용하여 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 수소와 고체 탄소를 생산하기 위한 장치, 방법, 및 상기 장치의 용도에 관한 것이다.
생산 및 소비 과정에서 감소된 CO2 발자국(CO2 footprint)을 갖는 청정하면서도 저장 가능한 에너지원의 생산에 대한 수요가 증가하고 있다. 그러나, 이러한 에너지원은 생산 관련 비용이 충분히 낮은 경우에만 궁극적으로 시장을 관통할 것이다. 모빌리티, 열 생산, 화학산업, 철강산업, 및 정유산업 분야들의 에너지원이 특히 그러하다.
직접 연소를 위한, 연료전지에서의 사용을 위한, 또는 예를 들어 이산화탄소(CO2)를 탄소원으로 이용하여 메탄올, 디메틸 에테르, 합성 천연가스, 합성 가솔린, 합성 디젤, 또는 합성 등유와 같은 합성 연료를 생산하기 위한 수소의 사용이 지금까지 한동안 조사되었다. 통상적으로, 수소는 석탄으로부터 또는 액체/기체 탄화수소로부터 가스화 또는 개질 반응을 통해 생성된다. 이러한 변환은 고온에서 발생하며, 반응 과정에서 그리고 이러한 반응을 이끌어내는데 필요한 열을 발생시키는 과정에서 상당량의 CO2 방출을 수반한다.
낮거나 감소된 양의 CO2만을 방출하는 수소 생산을 위하여, 여러 루트들이 조사되었고 현재 개발 중이다. 예를 들어, 한 가지 옵션은 통상의 수소 생산 플랜트의 배출가스로부터 CO2를 포집하고 이어서 상기 CO2를 압축 및 격리하는 것이다. 수소 생산 장소가 격리 장소로부터 멀리 떨어져 있는 경우에 특히, 물류 비용이 엄청나게 높을 수 있다. 또 다른 옵션은, 예를 들어, 물을 산소와 수소로 분해하는 전기분해이다. 여기서, 상기 전기분해 방법에서 반응(물 분해, 반응 (1) 참조)을 이끌어내기 위해서는 많은 양의 에너지(전류)가 필요하다. 여기서 다양한 반응들에 대한 반응 표준 몰 엔탈피가 주어지는데, 달리 특정되지 않으면 298 K를 기준으로 한다.
전기분해에는 소정 양의 많은 전기 에너지가 필요하기 때문에, 전체 CO2 배출량은 소비된 전기의 생산과 관련된 CO2 배출량과 밀접한 관련이 있다. 오늘날, 세계의 많은 곳에서, 재생 가능한 전력 생산의 보급이 충분하지 않기 때문에, 전기분해를 그리드 믹스 전기(grid mix electricity)에서 생태학적으로 의미 있게 실행하기에는 전력 생산에 따른 평균 CO2 배출량이 너무 높다. 반면, 전기분해가 오직 또는 주로 재생 가능한 전기로 수행되면, 그에 해당하는 연간 전체 부하 시간(annual full load hours)이 경제적 운영을 가능하게 하기에는 빈번히 지나치게 낮을 것이다.
메탄과 같은 탄화수소에서의 수소-탄소 결합의 결합 에너지가 물에서의 수소-산소 결합의 결합 에너지에 비해 상당히 더 낮기 때문에, 그에 상응하여 특정 분리 에너지 요구량이 상기 탄화수소에 있어서 더 낮다. 따라서, 이론적으로는, 탄화수소를 수소와 탄소로 분리하면 상기 전기분해 방법보다 더 적은 에너지로 수소를 생산하는 것이 가능하다.
이러한 장점들을 활용하기 위하여 여러 기술들이 조사 및 개발되고 있다. 예를 들어, WO2013/004398 A2(Linde 및 BASF)는 이동층(moving bed)을 형성하는 탄소-풍부 과립(carbon-rich granules)의 존재 하에서 탄화수소를 분리하는 방법을 설명한다. 상기 분리를 이끌어내는데 필요한 열은 상기 탄화수소 및 상기 수소의 일부를 포함하는 연료의 연소에 의해 제공된다. 이 기술의 단점은 특히 소규모에서 상당히 높은 특정 자금 지출이 요구된다는 것이다.
또 다른 플라즈마-기반의 불완전 탄화수소 분리 방법(plasma-based partial hydrocarbon splitting process)이긴 하지만 높은 수소 수율 및 순수한 탄소 생산이 필요한 경우에는 관심 밖으로 밀려나는 방법으로서, C1- 내지 C4-알칸, 예를 들어 메탄(CH4), 또는 훨씬 더 높은 분자량의 탄화수소로부터 시작하는 플라즈마-기반의 아세틸렌(C2H2) 생산이 있다. 아세틸렌은 일부 화학 합성에서 공급원료(feedstock)으로서의 역할을 할 수 있기 때문에 매우 가치 있는 화합물이다. 이 방법이 수행되는 과정에서 수소가 부산물로 생성되긴 하지만, 공급원료의 수소 일부가 목표 생성물인 아세틸렌에 여전히 잔존한다(탄화수소 변환의 일 예로서 메탄 변환을 보여주는 화학식 (2) 참조).
이러한 방법의 일 예는 상업적으로 구현된 "Huels arc 공정"이다. 여기에서는, 전기 아크를 이용한 저분자량 탄화수소(예를 들어, 메탄)로부터 아세틸렌으로의 일-단계 변환(one-step conversion) 후에, 반응성이 매우 높은 아세틸렌을 안정화시키기 위하여 탄화수소-유래 플라즈마성 플라즈마 가스(hydrocarbon-derived plasmaeous plasma gas)를 극도로 급속히 냉각시키는 소위 급랭 단계(quenching step)가 수행되되, 선택적으로, 다양한 유체들을 이용하여 두 단계로 수행된다. 이를 통해, 아세틸렌으로부터 고분자량 탄화수소 화합물과 같은 유도체가 형성되는 것이 방지된다(Acetylene, Paessler et al., Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, doi:10.1002/14356007.a01_097.pub4, 2011 참조). 광범위한 수소 생산을 고려할 때, 아세틸렌에 대한 충분한 수요를 찾아야 할 필요성으로 인해 그 적용이 제한될 수 있다. 이는 상기 공정의 상업화을 복잡하게 만들어 그 수소 생산 잠재력을 제한할 수 있다.
전기 아크-기반의 탄화수소 불완전 분리 방법에 대한 또 하나의 최신 예가 WO2015/140058 A1(BASF)에 설명되어 있다. 여기에서는, 전기 아크를 이용하여 메탄-함유 가스가 아세틸렌으로 변환된다. 그 직후, 아세틸렌 수율을 증가시키기 위해, 아세틸렌-함유 혼합물이 추가 메탄-함유 가스로 급속히 냉각(급랭)된다. 이어서, 아세틸렌이 또 다른 탄화수소-함유 공급원료와 혼합되고, 상기 추가 공급원료와의 반응을 통해 15℃ 이상의 끓는점을 갖는 하나 이상의 수소- 및 탄소-함유 생성물이 얻어질 수 있도록 더 낮은 온도에서 유지된다. 여기에서 기술된 반응기는 소정 길이의 3개 내지 4개의 상이한 섹션들을 갖는다. 각 섹션에서, 기체 매체 또는 액체 매체가 각각의 매체를 위한 적어도 하나의 유입구를 통해 유입된다. 이를 통해, WO2015/140058 A1의 방법은 15℃ 이상의 끓는점을 갖는 하나 이상의 수소- 및 탄소-함유 유기 화합물의 형성을 보장한다. 본 발명자는, 여기에 기술된 반응기나 방법 그 어느 것으로도, C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 수소 및 고체 탄소를 생산하되 상기 수소를 높은 수율로 생산하는 에너지 효율적이면서 비용 효율적인 방법이 가능하지 않음을 발견하였다. 또한, 상기 방법은 수소와 함께 생산되는 화학물질의 응용을 찾아야 할 필요성을 던져주는데, 이것은 상기 방법의 상업화를 복잡하게 함으로써 그 수소 생산 잠재력을 제한할 수 있다.
플라즈마 기반의 탄화수소 분리에 의한 수소 및 고체 탄소 생산을 위한 한 가지 접극 방식이 WO93/12030 A1(Kvaener) 문서에 설명되어 있다. 여기에서는, 서로 삽입된 튜브형 전극들이 동심 배열로 방대한 반응기에 장착된다. 전기 아크는 반응기 체적을 향하는 전극 말단에 설정되고 수소로부터 플라즈마성 플라즈마 가스를 발생시키는데, 이것은 다음 두 번째 단계에서 메탄과 혼합된다. 이 공정은 입자 크기 및 형태와 같은 특정 특성들을 갖는 탄소 입자들을 얻기 위해 특별히 설계된 것이다. 본 발명자는, 수소 생산을 위한 이러한 2단계 공정이 큰 반응기 체적을 요구할 뿐만 아니라 온도, 가스 조성과 같은 별도의 공정 조건의 반응기 구역을 초래함으로써 상기 공정이 전체적으로 비효율적이며 비용이 많이 든다는 것을 발견하였다.
플라즈마 기반의 탄화수소 분리로부터 수소를 생산하는 대안적 방법이 WO01/46067 A1(Bechtel)에 설명되어 있다. 이 공정의 핵심은 반응기에 라발-형(laval-type) 노즐을 사용하는 것이다. WO2015/140058 A1과 유사하게, 수소 또는 불활성 가스로부터 플라즈마성 플라즈마 가스를 발생시키는 전기 아크를 이용하여 메탄이 아세틸렌으로 변환된다. 메탄이 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 공급됨으로써 아세틸렌이 생성된다. 이어서, 혼합물이 노즐을 통해 다운스트림(downstream)으로 전달된다. 특정 가스 동적 작용에 의해, 상기 노즐은 노즐 하류를 빠져나오는 가스의 상대적으로 높은 압력 감소를 유도한다. 그와 동시에, 평균 온도가 크게 낮아진다. WO01/46067 A1은, 원하는 가스 팽창을 달성하고 탄화수소를 타겟 생성물인 수소와 탄소로 분리함에 있어 설명된 공정 및 반응기 파라미터들, 예를 들어 공급 유입구들의 위치 및 반응기 챔버의 직경이 매우 중요함을 강조하고 있다. 따라서, 노즐의 고온 공정 가스 업스트림(upstream)으로부터의 감열(sensible heat)이 상기 분리 공정의 고효율을 달성하는데 크게 활용되지 못한다. 또한, 대부분의 수소 다운스트림 공정 또는 물류는 상응하는 더 많은 재압축을 요하기 때문에, 높은 압력 강하는 일반적으로 바람직하지 않다. 전반적으로, 상기 공정은 조정된 공정 조건들 및 높은 특정 에너지 비용을 요구하는 매우 구체적인 설계를 특징으로 하는데, 이것은 수소 및 고체 탄소 생산을 위한 에너지 효율적인 공정이 제공되어야 한다는 요구사항에 비추어 볼 때 불리하다.
따라서, 상기 공정들은, 경제적이고 청정하며 환경 친화적이고 에너지 효율적인 수소 및 고체 탄소 생산이라는 목표와 관련하여 한계가 있다. 특히, 이러한 공정들은 높은 투자 및 운용 비용, 및/또는 낮은 에너지 효율을 갖는다.
본 발명은, 첨부의 청구항들에 정의된 열 플라즈마를 이용하여 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 수소와 고체 탄소를 생산하기 위한 장치, 방법, 및 상기 장치의 용도에 관한 것이다.
더욱 구체적으로, 첫 번째 측면에서, 본 발명은 열 플라즈마를 이용하여 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 수소 및 고체 탄소를 생산하기 위한 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는 전기 아크를 이용하여 열 플라즈마를 발생시키는 적어도 하나의 반응기를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 반응기는 플라즈마 섹션 및 제2 반응기 섹션을 포함하고,
i) 상기 플라즈마 섹션은,
· 전기 아크를 발생시키기 위한 애노드 및 캐소드 - 상기 아크는 상기 플라즈마 섹션 내에서 확장됨 -, 및
· C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션 내로 유입시키기 위한 적어도 하나의 제1 공급 라인
을 포함하되,
· 상기 애노드는 상기 플라즈마 가스의 메인 스트림의 흐름 방향을 따른 중공 채널(hollow channel) - 상기 중공 채널은 내표면을 가짐 -, 상기 플라즈마 가스의 메인 스트림의 흐름 방향으로의 배출구(outlet) - 상기 배출구는 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로의 상기 애노드의 개방단을 형성함 -, 및 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 받아들이기 위한 적어도 하나의 유입구(inlet) - 상기 유입구는 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단을 형성함 -을 포함하고, 상기 애노드는 상기 플라즈마 가스가 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단과 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로의 상기 애노드의 개방단을 통해 상기 중공 채널을 따라 흐를 수 있도록 구성되고, 상기 플라즈마 가스는 상기 애노드를 통과할 때 상기 애노드의 중공 채널의 내표면에 접촉하고,
· 상기 애노드와 상기 캐소드는 이들에 의해 발생되는 상기 아크가 상기 플라즈마 섹션 내에 형성됨으로써 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 플라즈마 섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스로부터 플라즈마성 플라즈마 가스(plasmaeous plasma gas)가 상기 플라즈마 섹션 내에 형성될 수 있도록 배열되고, 상기 애노드와 접촉하는 상기 전기 아크의 풋 포인트들(foot points)은 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상에 위치하며,
ii) 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션의 바로 직후 다운스트림에 위치한 상기 제2 반응기 섹션은,
· 제1 서브섹션(subsection)과 제2 서브섹션 - 상기 제2 서브섹션은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 제1 서브섹션의 바로 직후 다운스트림에 위치함 -, 및
· 상기 반응기로부터 성분들(components)을 회수하기 위한 배출구 수단(outlet means) - 상기 배출구 수단은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 제2 반응기 섹션의 말단에 위치함 -
을 포함하되,
· 상기 제1 서브섹션은 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입시키기 위한 적어도 하나의 제2 공급 라인을 포함하고,
· 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 반응기 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 전기 아크의 풋 포인트들의 다운스트림 위치에서 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되도록 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인이 배열됨으로써, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 다운스트림에 있는 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션에 혼합물(mixture)이 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성될 수 있고,
· 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 따른 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 위치는 상기 제2 반응기 섹션과 그것의 상기 제1 서브섹션의 초입부(beginning)를 정의하고,
· 상기 애노드의 중공 채널의 내표면이 상기 전기 아크를 향해 있는 최상위 업스트림 위치에서부터 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션의 말단까지의 상기 플라즈마 섹션의 체적(volume)은 0.0001 내지 0.4 m3의 범위, 바람직하게는 0.001 내지 0.2 m3의 범위의 체적이고, 기준 체적(reference volume)을 정의하고,
· 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션의 체적은 상기 기준 체적의 10 내지 200 배의 범위, 바람직하게는 상기 기준 체적의 20 내지 100 배의 범위이고,
· 상기 제2 반응기 섹션의 총 체적은 상기 기준 체적의 20 내지 2000 배의 범위, 바람직하게는 상기 기준 체적의 40 내지 1000 배의 범위이며,
· 상기 반응기는, 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 상기 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 큰 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면을 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션 내에 및/또는 상기 플라즈마 섹션 내에 적어도 한 지점에서 포함하되, 상기 플라즈마 섹션 내에 포함할 경우에는, 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 상기 전기 아크의 풋 포인트들의 다운스트림으로서 상기 플라즈마 섹션의 말단까지의 영역 범위 내에 포함한다.
두 번째 측면에서, 본 발명은 열 플라즈마를 이용하여 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 수소 및 고체 탄소를 생산하기 위한 방법에 관한 것으로서, 다음의 단계들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
a) C1- 내지 C4-알칸-함유 가스 공급 장치로부터 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 빼내는 단계;
b) C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 빼내기 위한 상기 장치로부터 빼내진 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 적어도 제1 반응기 내로 유입시키는 단계;
여기서, 상기 반응기는 전기 아크를 이용하여 열 플라즈마를 발생시키는 반응기이고, 상기 반응기는 플라즈마 섹션 및 제2 반응기 섹션을 포함하고,
i) 상기 플라즈마 섹션은,
· 전기 아크를 발생시키기 위한 애노드 및 캐소드 - 상기 아크는 상기 플라즈마 섹션 내에서 확장됨 -, 및
· C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션 내로 유입시키기 위한 적어도 하나의 제1 공급 라인
을 포함하되,
· 상기 애노드는 상기 플라즈마 가스의 메인 스트림의 흐름 방향을 따른 중공 채널 - 상기 중공 채널은 내표면을 가짐 -, 상기 플라즈마 가스의 메인 스트림의 흐름 방향으로의 배출구 - 상기 배출구는 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로의 상기 애노드의 개방단을 형성함 -, 및 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 받아들이기 위한 적어도 하나의 유입구 - 상기 유입구는 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단을 형성함 -을 포함하고, 상기 애노드는 상기 플라즈마 가스가 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단과 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로의 상기 애노드의 개방단을 통해 상기 중공 채널을 따라 흐를 수 있도록 구성되고, 상기 플라즈마 가스는 상기 애노드를 통과할 때 상기 애노드의 중공 채널의 내표면에 접촉하고,
· 상기 애노드와 상기 캐소드는 이들에 의해 발생되는 상기 아크가 상기 플라즈마 섹션 내에 형성됨으로써 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 플라즈마 섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스로부터 플라즈마성 플라즈마 가스가 상기 플라즈마 섹션 내에 형성될 수 있도록 배열되고, 상기 애노드와 접촉하는 상기 전기 아크의 풋 포인트들은 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상에 위치하며,
ii) 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션의 바로 직후 다운스트림에 위치한 상기 제2 반응기 섹션은,
· 제1 서브섹션과 제2 서브섹션 - 상기 제2 서브섹션은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 제1 서브섹션의 바로 직후 다운스트림에 위치함 -, 및
· 상기 반응기로부터 성분들을 회수하기 위한 배출구 수단 - 상기 배출구 수단은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 제2 반응기 섹션의 말단에 위치함 -
을 포함하되,
· 상기 제1 서브섹션은 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입시키기 위한 적어도 하나의 제2 공급 라인을 포함하고, 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 따른 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 위치는 상기 제2 반응기 섹션과 그것의 상기 제1 서브섹션의 초입부를 정의하고,
C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션 내로 유입시키기 위한 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스가 상기 반응기 내로 유입됨;
c) 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션 내에서 확장되는 전기 아크를 상기 애노드 및 캐소드로 발생시키는 단계;
d) 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션에서 상기 전기 아크를 이용하여, C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 상기 플라즈마 섹션 내로 유입시키기 위한 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 플라즈마 섹션 내로 유입된 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스로부터 플라즈마성 플라즈마 가스를 형성하는 단계;
e) C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입시키기 위한 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션 내로 유입시키는 단계, 여기서
· 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 애노드 및 캐소드에 의해 발생되는 상기 전기 아크의 풋 포인트들의 다운스트림에서 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되도록 함으로써, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 다운스트림에 있는 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션에 혼합물이 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성될 수 있도록, 상기 유입이 수행되고,
· 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되는 위치에서 상기 플라즈마성 플라즈마 가스가 1200 내지 3000 ℃ 범위의 평균 온도를 갖고 아세틸렌을 포함함으로써, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되어 형성되는 혼합물이 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인으로부터 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션의 말단까지의 영역 범위에서 850℃ 이상, 바람직하게는 1050℃ 이상, 그리고 3000℃ 미만의 평균 온도를 가짐;
f) 상기 제2 반응기 섹션을 통해 상기 혼합물을 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 다운스트림으로 이동시키는 단계, 여기서
· 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 원자들의 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션 내 평균 체류 시간이 100ms 내지 2000ms의 범위, 바람직하게는 200ms 내지 1000ms의 범위가 되도록 상기 이동이 이루어지고,
· 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 원자들의 상기 제2 반응기 섹션 전체 내 평균 체류 시간이 200ms 내지 20000ms의 범위, 바람직하게는 400ms 내지 10000ms의 범위가 되도록 상기 이동이 이루어지고,
· 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 원자들의 5% 이상은 상기 제2 반응기 섹션 내 체류 시간이 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 모든 원자들의 상기 제2 반응기 섹션 내 평균 체류 시간으로부터 절대 수(absolute numbers)로 5% 이상 편차가 있고, 바람직하게는, 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 원자들의 10% 이상은 상기 제2 반응기 섹션 내 체류 시간이 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 모든 원자들의 상기 제2 반응기 섹션 내 평균 체류 시간으로부터 절대 수로 10% 이상 편차가 있고, 더욱 바람직하게는, 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 모든 원자들의 상기 제2 반응기 섹션 내 평균 체류 시간으로부터 15% 이상, 더더욱 바람직하게는 20% 이상 편차가 있고,
· 상기 제2 반응기 섹션 내의 상기 혼합물에서 그리고 바람직하게는 상기 플라즈마 섹션에서 일어나는 반응들에 의해 수소와 고체 탄소가 생성됨;
g) 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제2 서브섹션 내의 상기 혼합물의 상기 평균 온도를 650℃ 이상, 바람직하게는 750℃ 이상, 더욱 바람직하게는 850℃ 이상, 그리고 1500℃ 미만으로 조절하는 단계 - 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 유입된 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스의 상기 혼합물의 상기 제2 반응기 섹션의 말단에서의 평균 온도는 200K 이상, 바람직하게는 400K 이상, 더욱 바람직하게는 600K 이상의 평균 온도로 조절되되 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되는 위치에서의 상기 플라즈마성 플라즈마 가스의 평균 온도보다는 낮은 평균 온도로 조절됨 -; 및
h) 상기 반응기로부터 상기 혼합물을 회수하기 위한 배출구 수단을 통해 상기 반응기의 상기 말단에서 상기 혼합물을 회수하는 단계 - 상기 배출구 수단은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 제2 반응기 섹션의 말단에 위치함 -.
세 번째 측면에서, 본 발명은 열 플라즈마를 이용하여 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 수소 및 고체 탄소를 생산하는 본 발명의 방법에서의 사용을 위한 장치의 용도에 관한 것으로서, 상기 장치가 전기 아크를 이용하여 열 플라즈마를 발생시키는 적어도 하나의 반응기를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 반응기는 플라즈마 섹션 및 제2 반응기 섹션을 포함하고,
i) 상기 플라즈마 섹션은,
· 전기 아크를 발생시키기 위한 애노드 및 캐소드 - 상기 아크는 상기 플라즈마 섹션 내에서 확장됨 -, 및
· C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션 내로 유입시키기 위한 적어도 하나의 제1 공급 라인
을 포함하되,
· 상기 애노드는 상기 플라즈마 가스의 메인 스트림의 흐름 방향을 따른 중공 채널(hollow channel) - 상기 중공 채널은 내표면을 가짐 -, 상기 플라즈마 가스의 메인 스트림의 흐름 방향으로의 배출구(outlet) - 상기 배출구는 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로의 상기 애노드의 개방단을 형성함 -, 및 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 받아들이기 위한 적어도 하나의 유입구(inlet) - 상기 유입구는 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단을 형성함 -을 포함하고, 상기 애노드는 상기 플라즈마 가스가 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단과 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로의 상기 애노드의 개방단을 통해 상기 중공 채널을 따라 흐를 수 있도록 구성되고, 상기 플라즈마 가스는 상기 애노드를 통과할 때 상기 애노드의 중공 채널의 내표면에 접촉하고,
· 상기 애노드와 상기 캐소드는 이들에 의해 발생되는 상기 아크가 상기 플라즈마 섹션 내에 형성됨으로써 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 플라즈마 섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스로부터 플라즈마성 플라즈마 가스(plasmaeous plasma gas)가 상기 플라즈마 섹션 내에 형성될 수 있도록 배열되고, 상기 애노드와 접촉하는 상기 전기 아크의 풋 포인트들(foot points)은 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상에 위치하며,
ii) 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션의 바로 직후 다운스트림에 위치한 상기 제2 반응기 섹션은,
· 제1 서브섹션(subsection)과 제2 서브섹션 - 상기 제2 서브섹션은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 제1 서브섹션의 바로 직후 다운스트림에 위치함 -, 및
· 상기 반응기로부터 성분들(components)을 회수하기 위한 배출구 수단(outlet means) - 상기 배출구 수단은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 제2 반응기 섹션의 말단에 위치함 -
을 포함하되,
· 상기 제1 서브섹션은 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입시키기 위한 적어도 하나의 제2 공급 라인을 포함하고,
· 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 반응기 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 전기 아크의 풋 포인트들의 다운스트림 위치에서 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되도록 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인이 배열됨으로써, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 다운스트림에 있는 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션에 혼합물(mixture)이 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성될 수 있고,
· 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 따른 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 위치는 상기 제2 반응기 섹션과 그것의 상기 제1 서브섹션의 초입부(beginning)를 정의하고,
· 상기 애노드의 중공 채널의 내표면이 상기 전기 아크를 향해 있는 최상위 업스트림 위치에서부터 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션의 말단까지의 상기 플라즈마 섹션의 체적(volume)은 0.0001 내지 0.4 m3의 범위, 바람직하게는 0.001 내지 0.2 m3의 범위의 체적이고, 기준 체적(reference volume)을 정의하고,
· 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션의 체적은 상기 기준 체적의 10 내지 200 배의 범위, 바람직하게는 상기 기준 체적의 20 내지 100 배의 범위이고,
· 상기 제2 반응기 섹션의 총 체적은 상기 기준 체적의 20 내지 2000 배의 범위, 바람직하게는 상기 기준 체적의 40 내지 1000 배의 범위이며,
· 상기 반응기는, 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 상기 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 큰 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면을 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션 내에 및/또는 상기 플라즈마 섹션 내에 적어도 한 지점에서 포함하되, 상기 플라즈마 섹션 내에 포함할 경우에는, 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 상기 전기 아크의 풋 포인트들의 다운스트림으로서 상기 플라즈마 섹션의 말단까지의 영역 범위 내에 포함한다.
도 1은 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 수소 및 고체 탄소를 생산하기 위한 장치로서 본 발명에 따른 방법에 이용되기에도 적합한 본 발명의 장치(10)의 일 구현예를 나타낸다. 본 발명의 방법은 이 장치를 이용하여 구현될 수 있다.
도 2는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 수소 및 고체 탄소를 생산하기 위한 장치로서 본 발명에 따른 방법에 이용되기에도 적합한 본 발명의 장치(10)의 다른 구현예를 나타낸다. 본 발명의 방법은 이 장치를 이용하여 구현될 수 있다. 여기서, 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면이 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 메인 스트림(71)의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 큰 최상위 업스트림 지점(most upstream point)은 메인 스트림의 흐름 방향에서 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션의 업스트림에 있다.
도 2는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 수소 및 고체 탄소를 생산하기 위한 장치로서 본 발명에 따른 방법에 이용되기에도 적합한 본 발명의 장치(10)의 다른 구현예를 나타낸다. 본 발명의 방법은 이 장치를 이용하여 구현될 수 있다. 여기서, 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면이 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 메인 스트림(71)의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 큰 최상위 업스트림 지점(most upstream point)은 메인 스트림의 흐름 방향에서 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션의 업스트림에 있다.
첨부된 도면들과 함께, 본 발명의 상세한 설명은 바람직한 구현예들에 따른 본 발명의 기술적 내용을 기술하는데, 상기 바람직한 구현예들은 본 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니다. 첨부된 청구항들에 따라 만들어지는 어떠한 균등한 변경 및 변형도 본 발명의 청구항들의 범위에 속한다.
위에서 개략적으로 설명된 바와 같이, 본 발명은 수소 및 고체 탄소 생산을 위한 세 개의 측면들, 즉 장치, 방법, 및 장치의 용도에 관한 것이다. 이 세 개의 측면들과 관련하여 본 출원에 수록된 개시 내용은 서로 교환적으로 적용 가능하며 여기에 개시된다.
놀랍게도, 종래기술의 장치 및 공정들의 이용할 경우, 상당 부분의 탄화수소가 아세틸렌 또는 그 밖의 다른 고도 불포화 화합물의 억제되지 않은 형성을 겪게 되거나, 해당 공정을 가동하는데 필요한 공정 파라미터들이 낮은 공간 시간 수율 또는 큰 압력 강하로 인한 비효율적 작업을 야기하거나, 고분자량 탄화수소와 같은 수소-함유 고분자량 성분의 형성으로 인해 분자 수소 수율이 감소한다는 것을 알게 되었다.
아세틸렌은 벤젠(C6H6) 및 고도 방향족 화합물에 반응할 수 있다. 이 화합물들은 타르(tar) 형성을 야기할 수 있는데, 이것은 반응기 벽 또는 후속 장비(예를 들어, 열교환기)의 벽에 퇴적될 수 있다. 종래기술의 수소 생산 장비들은, 예를 들어 반응기를 통과하는 경로를 따라 농도, 체류 시간, 및 온도를 제어하는 방법으로, 아세틸렌의 탄소 및 수소로의 변환을 충분히 제어하지 않음이 밝혀졌다. 이것은 대응하는 수소-함유 부산물의 형성을 초래하고 더 높은 분자 화합물의 퇴적 및 장비 청소를 위한 불가피한 공정 작업 중단을 초래한다. 본 발명은 이것을 방지하고, 얻어지는 혼합물에서 탄화수소 부산물의 양을 감소시키며, 수소 및 고체 탄소의 연속 생산을 용이하게 한다.
다시 말해, 본 발명의 발명자는, 종래기술의 장치, 특히 전기 아크에 의해 열 플라즈마가 발생하는 열 플라즈마 반응기에 대한 소정의 변경을 통해 그리고 종래기술의 공정에 대한 소정의 변경을 통해, C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 수소를 목표 수율로 더욱 효율적으로, 특히, 더 낮은 비에너지 비용(specific energy expenses)으로, 그리고 더 낮은 자본 지출로 생산할 수 있음을 놀랍게도 발견하였다. 특히, 반응기를 통과하는 메인 스트림의 유로를 따라 농도, 평균 체류 시간, 체류 시간 분포, 및 평균 온도 범위들의 추세를 제어함으로써 바람직하지 않은 부산물의 생성을 감소시킬 수 있고 높은 공간 시간 수율로 공급원료의 변환을 증가시킬 수 있다. 이것은, 부분적으로는, 플라즈마성 플라즈마 가스에 생성된 아세틸렌이 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션에서 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스에 의해 희석되기 때문이다. 이것은 본 발명의 장치에도 동일하게 적용되고, 상기 장치는 공급원료들의 적절한 혼합, 반응 성분들의 원자들의 지정된 체류 시간 분포 및 지정된 평균 체류 시간을 보장한다. 본 발명자는 아세틸렌 생산을 위한 종래기술의 장치 및 공정에 대한 특정 변경을 통해 수소 및 고체 탄소, 특히 카본 블랙을 효율적으로 생산할 수 있음을 발견하였다. 따라서, 본 발명은 상업적으로 매력적인 수소 및 탄소 생산 공정의 구현을 가능하게 한다. 이것은, 상술한 문제점들 및 제한들이 없는 에너지 효율적이고 경제적이면서 환경 친화적인 수소 생산에 대한 오래된 요구를 해결한다. 또한, 부산물인 카본 블랙은 많은 산업분야들, 예를 들어, 인쇄 산업에서 사용되며, 따라서 상품화될 수도 있다. 또한, 얻어지는 생성 가스 혼합물 내의 바람직하지 않은 부산물들은 대체로 제외된다.
본 발명에 따른 성분은, 여기에서 달리 특정되지 않으면, 273.15 K 및 1.01325 bar에서 기체, 액체, 또는 고체 상태일 수 있다. 성분은 원자, 분자, 올리고머, 폴리머, 라디칼, 또는 이온일 수 있다. 라디칼과 이온은 해당 원자의 특별한 종들이다.
본 발명의 장치는 적어도 하나의 반응기를 포함한다. 따라서, 상기 장치는 오직 한 개의 반응기만을 포함할 수 있다. 대안적으로, 본 발명의 장치는 두 개 이상의 반응기들을 포함할 수 있다. 이들은 병렬적으로 운용될 수 있다. 두 개 이상의 반응기들을 병렬적으로 가동하는 것은 향상된 유통성을 제공한다는 점에서 유리하다. 예를 들어, 어느 한 반응기가 유지보수의 대상이 되면, 다른 반응기(들)는 작업을 계속할 수 있다. 따라서, 이것은 플랜트 전체가 정지되는 것을 방지한다. 또한, 병렬로 설치된 두 개 이상의 반응기들은 단일 플랜트를 가동시킬 수 있는 부하(loads)의 범위를 증가시킨다. 이것은, 예를 들어 플랜트를 가변 부하(flexible loads)로 운전함으로써 제어 전원(control power)과 같은 그리드 서비스(grid services)가 제공되어야 할 경우 유익할 수 있다.
여기서 적어도 하나라는 용어는 1, 2, 3, 4, 5, 및 이보다 많은 수를 의미한다. 어떤 구현예들에서는, 적어도 하나가 한 개를 의미한다. 다른 구현예들에서는, 적어도 하나가 2개 이상을 의미한다.
"in the range of" 또는 "in the range from" 용어들은 범위를 지칭한다. 본 발명에 의하면, 특정된 영역의 엔드포인트(endpoints)는 달리 특정되지 않는 한 그 범위의 일부로 간주된다.
도 1 및 도 2는 수직 배향을 갖는 반응기들을 예시하고 있지만, 수평 배향 또는 임의의 다른 배향을 갖는 반응기들도 포함된다.
본 발명에서 사용되는 반응기란 용어는 화학적 반응기를 지칭한다. 상기 반응기는 화학 반응이 일어나는 반응기 공간을 포함한다. 유입구와 배출구를 통해 상기 반응기 공간 내로 유입되거나 그로부터 회수될 수 있다. 여기서, 상기 반응기는 열 플라즈마 공정에 기반하여 본 발명에 따른 수소 및 고체 탄소 생산 방법을 수행하기에 적합한 밀폐 용기인데, 상기 열 플라즈마는 전기 아크에 의해 발생한다. 반응기의 일반적 일 예로는 소위 Huels 반응기가 있다(Acetylene, Paessler et al., Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, doi:10.1002/14356007.a01_097.pub4, 2011 참조). 이 반응기는 아세틸렌 생산에 이용된다. 본 발명의 장치는 Huels 반응기와는 다른 특별한 특징들을 갖는 전기 아크 반응기를 포함하는데, 상기 특별한 특징들은 청구항의 방법을 구현하는데 유리하다. 상기 전기 아크 반응기를 포함하는 청구항의 장치는 상기 청구항의 방법을 수행하는데 사용될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 플라즈마성 플라즈마 가스(plasmaeous plasma gas)는 플라즈마 상태로 존재하는 가스를 지칭한다. 전기 아크를 이용한 열 플라즈마 발생용 반응기 내로 유입되고/유입되거나 그 안에서 처리될 예정이긴 하지만 플라즈마 상태로 존재하지 않는 또는 플라즈마 상태로 아직은 존재하지 않는 가스는 플라즈마성 플라즈마 가스의 정의에 포함되지 않는다. 전기 아크를 이용한 열 플라즈마 발생용 반응기에 존재하지만 플라즈마 상태로 존재하지 않는 또는 플라즈마 상태로 더 이상 존재하지 않는 가스 역시도 마찬가지로 플라즈마성 플라즈마 가스의 정의에 포함되지 않는다.
A. Fridman (Plasma Chemistry, Cambridge University Press, 2009)에 의하면, 플라즈마 상태로 존재하는 가스는 일반적으로 이온화 가스(ionized gas), 즉 원자나 분자에 속박되지 않고 상기 원자나 분자를 양전하 이온으로 변환시키는 적어도 하나의 전자를 함유하는 가스로 정의된다. 바람직하게는, 플라즈마 상태로 존재하는 가스는 전기적으로 하전된 입자들을 포함하되, 상기 가스의 전기적 특성 및 거동에 영향을 주어 이들을 표준 기체 상태에 대비 변경시키기에 충분한 양으로 포함한다. 전기적 특성의 일 예로는 전기 전도도가 있다. 전기 전도도는 가스가 플라즈마 상태일 때, 특히 상승된 온도에서 채택된 플라즈마 상태일 때 증가한다. 개념적으로는, 전기 전도도와 플라즈마 상태 및 가스 온도와의 연관성은 다음과 같이 설명될 수 있다: 온도가 높을수록 이온화 정도가 증가한다는 것은 공지되어 있다(예를 들어, 'M. I. Boulos, Thermal Plasmas, Fundamentals and Applications, Vol. 1, 1994'에 수록된 수소, 질소, 산소, 공기 및 선정된 비활성 기체들에 관한 도표화된 데이터에 나타나 있음). 서로 반대 전하들의 향상된 운동성 덕분에, 이온화 정도의 증가는 전기 전도도의 증가를 수반하게 된다.
더욱이, 본 발명의 측면에서 플라즈마성 플라즈마 가스는, 각각의 플라즈마성 플라즈마 가스의 소정 밀도에서의 전기 전도도가 실온(room temperature) 및 동일 밀도에서의 대응 가스의 전기 전도도보다 한 자릿수 이상, 바람직하게는 두 자릿수 이상, 더욱 바람직하게는 네 자릿수 이상 더 큰 것으로 바람직하게 특징지어진다.
실온에서의 비-플라즈마 상태 가스(즉, 외부의 전기적 또는 그 밖의 다른 자극이 없는)는 10-22 S/m 미만의 전기 전도도를 가짐에 반해, 본 발명에 따른 플라즈마성 상태의 가스는 10-21 S/m 이상, 바람직하게는 10-20 S/m 이상, 더욱 바람직하게는 10-18 S/m 이상의 전기 전도도를 특징으로 한다.
이와 관련해서, 당업자는 불꽃 이온화 검출 방법과 유사한 기술에 의해 가스의 전기 전도도를 측정할 수 있다.
플라즈마 상태로 존재하는 가스는 전기 에너지를 사용하여, 예를 들어 가스에 강한 전자기장(예를 들어, 전기 아크의 주변에 발생되는 전자기장)을 가하여 발생시키는 것이 바람직하다.
플라즈마성 플라즈마 가스, 즉, 플라즈마 상태로 존재하는 가스는 최소한 본 반응기 내의 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면의 한 지점에서 맞닥뜨릴 수 있다.
C1- 내지 C4-알칸-함유 가스는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 2-메틸-프로판, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 가스를 의미한다. 가스 내 상기 C1- 내지 C4-알칸(들)의 합은 10 vol.% 이상, 바람직하게는 25 vol.% 이상, 더욱 바람직하게는50 vol.% 이상, 더욱 바람직하게는 75 vol.% 이상, 더더욱 바람직하게는 90 vol.% 이상이다. 일부 구현예들에서, C1- 내지 C4-알칸-함유 가스는 천연 가스(natural gas)이다. 어떤 구현예들에서는, C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 메탄 및/또는 프로판을 함유한다. 이것은 두 가스들 모두가 대량으로 얻어질 수 있다는 점에서 유리한데, 예를 들어, 메탄은 천연 가스로부터 얻어질 수 있고 프로판은 식물성 경화유(hydrogenated vegetable oils)의 생산으로부터 얻어질 수 있다. 가장 바람직하게는, C1- 내지 C4-알칸-함유 가스는 천연 가스 또는 메탄-함유 가스이다. 이것은 천연 가스가 메탄을 포함하는 가스 또는 메탄을 포함하는 또 다른 가스 중 어느 하나로서 이용될 수 있음을 의미한다. 가장 바람직하게는, C1- 내지 C4-알칸-함유 가스는 메탄, 특히 25 vol.% 이상의 메탄, 더욱 바람직하게는 50 vol.% 이상의 메탄, 더더욱 바람직하게는 75 vol.% 이상의 메탄, 가장 바람직하게는 90 vol.% 이상의 메탄을 함유한다. 이것은 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스에도 동일하게 적용되고, 본 발명의 방법 및 반응기 용도에도 동일하게 적용된다. 일부 구현예들에서, 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 플라즈마 섹션 내로 유입되는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스 및 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션 내로 유입되는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스는 동일한 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스 공급 장치로부터 빼내진다. 바람직하게는, 둘 모두 동일한 천연 가스 공급 장치로부터 빼내진다. 따라서, 본 발명의 장치는 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인 및 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인에 연결된 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스 공급원들을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 두 공급 라인들 모두 동일한 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스 공급 장치에 연결된다. 더욱 바람직하게는, 이 가스 공급 장치는 천연 가스를 포함한다. 그럼에도 불구하고, 상기 가스 공급 장치로부터 나오는 가스는 상기 반응기에 유입되기 전에 또 다른 성분, 예를 들어 탄화수소와 추가로 혼합될 수 있는데, 예를 들어 아세틸렌-함유 가스 또는 수소-함유 가스와 혼합될 수 있다. 본 발명의 장치와 관련해서, 이것은 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인 및/또는 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인이 상기 가스 공급 장치로부터 나오는 가스에 추가 성분을 유입시키기 위한 또 다른 공급 라인에 연결될 수 있음을 의미한다.
적어도 하나의 제1 공급 라인이란 용어는 1, 2, 3, 4, 5, 또는 이보다 많은 개수의 제1 공급 라인을 의미한다. 일부 구현예들에서, 적어도 하나의 제1 공급 라인은 한 개의 제1 공급 라인이다. 다른 구현예들에서, 적어도 하나의 제1 공급 라인은 두 개 이상의 제1 공급 라인들을 의미한다.
적어도 하나의 제2 공급 라인이란 용어는 1, 2, 3, 4, 5, 또는 이보다 많은 개수의 제2 공급 라인을 의미한다. 일부 구현예들에서, 적어도 하나의 제2 공급 라인은 한 개의 제2 공급 라인이다. 다른 구현예들에서, 적어도 하나의 제2 공급 라인은 두 개 이상의 제2 공급 라인들을 의미한다.
적어도 하나의 제3 공급 라인이란 용어는 1, 2, 3, 4, 5, 또는 이보다 많은 개수의 제3 공급 라인을 의미한다. 일부 구현예들에서, 적어도 하나의 제3 공급 라인은 한 개의 제2 공급 라인이다. 다른 구현예들에서, 적어도 하나의 제3 공급 라인은 두 개 이상의 제3 공급 라인들을 의미한다.
상기 적어도 하나의 제3 공급 라인 외에도, 본 발명의 장치, 방법, 및 용도는 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 적어도 하나의 제3 공급 라인의 다운스트림에 적어도 하나의 제4 공급 라인을 갖는 반응기를 포함할 수 있다.
C1- 내지 C4-알칸-함유 가스는 더 높은 끓는점 성분, 예를 들어 C5-알칸, 올레핀, 벤젠과 같은 방향족 화합물, 및 이들의 혼합물, 또는 심지어 적은 양의 산소를 함유하는 성분(예를 들어, C12H24O와 같은 긴 사슬의 알데하이드)과의 혼합물 역시도 포함할 수 있다. 일 예로, C1- 내지 C4-알칸-함유 가스는 더 높은 끓는점 성분을 0.1 내지 50 vol.%의 범위, 바람직하게는 0.5 내지 30 vol.%의 범위, 더욱 바람직하게는 1 내지 10 vol.%의 범위로 포함할 수 있다. 선택된 공급원료에 따라, 설계 파라미터들과 운전 파라미터들이 조정되어야 할 수도 있다.
어떤 구현예들에서는, C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 5 vol.% 미만의 O2, 바람직하게는 2 vol.% 미만의 O2, 가장 바람직하게는 1 vol.% 미만의 O2, 10 vol.% 미만의 CO, 바람직하게는 5 vol.% 미만의 CO, 가장 바람직하게는 2.5 vol.% 미만의 CO, 10 vol.% 미만의 CO2, 바람직하게는 5 vol.% 미만의 CO2, 가장 바람직하게는 2.5 vol.% 미만의 CO2, 및/또는 10 vol.% 미만의 N2, 바람직하게는 5 vol.% 미만의 N2, 가장 바람직하게는 1 vol.% 미만의 N2를 포함한다. C1- 내지 C4-알칸-함유 가스에 대한 이와 같은 그리고 상술한 정의들은 플라즈마 가스 및 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 반응기 내로 유입된 가스 모두에 적용된다. 일 구현예들은 본 발명의 방법 및 장치 용도에도 적용된다.
종래기술의 장치들 및 공정들 대부분은 플라즈마 가스 또는 상기 플라즈마 가스의 주성분으로서 수소, 질소 또는 비활성 기체, 예를 들어 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 또는 크세논(Xe), 또는 수소, 질소 및/또는 비활성 기체의 혼합물의 사용을 수반한다. 그러나, 본 발명의 발명자는 플라즈마 가스로서 수소(H2), 질소, 또는 비활성 기체를 (주로) 사용하면 비에너지(specific energy) 요구량이 본 발명보다 훨씬 높다는 것을 발견하였다. 또한, 생산된 수소를 미처리 생성 가스로부터 분리하는데 상당한 노력을 요구한다.
그럼에도 불구하고, 본 발명의 어떤 구현예들에서는, C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 0.1 vol.% 부터 25 vol.%까지의, 바람직하게는 0.5 vol.% 부터 15 vol.%까지의, 더욱 바람직하게는 1 vol.% 부터 5 vol.%까지의 H2를 포함한다. 특히, 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 플라즈마 섹션 내로 유입되는 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스는 0.1 vol.% 부터 25 vol.%까지의, 바람직하게는 0.5 vol.% 부터 15 vol.%까지의, 더욱 바람직하게는 1 vol.% 부터 5 vol.%까지의 H2를 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션 내로 유입되는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스는 0.1 vol.% 부터 25 vol.%까지의, 바람직하게는 0.5 vol.% 부터 15 vol.%까지의, 더욱 바람직하게는 1 vol.% 부터 5 vol.%까지의 H2를 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션 내로 유입되는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스는 0.1 vol.% 부터 10 vol.%까지의, 바람직하게는 0.5 vol.% 부터 7 vol.%까지의, 더욱 바람직하게는 1 vol.% 부터 5 vol.%까지의 아세틸렌을 포함할 수 있다.
다음의 주 타겟 반응[반응식 (2) 참조, 이후에 다시 나옴]과 주 부반응[반응식 (3) 참조]이 C1- 내지 C4-알칸을 포함하는 플라즈마 가스를 이용하여 플라즈마 섹션에서 일어난다:
타겟 반응:
주 부반응 (흡열):
양의 값의 엔탈피 차이에 의해 나타나는 바와 같이, 수소 생산을 가동하는데 상당량의 에너지가 요구된다. 본 발명자는, 놀랍게도, 청구항의 장치, 방법, 및 용도가 제2 반응기 섹션에서 발열성 아세틸렌 분해 반응(4)을 제어된 방식으로 유도함으로써 타르(tars)와 같은 바람직하지 않은 고분자량 탄화수소의 형성을 감소시킬 수 있다는 점에서 유리하다는 것을 발견하였다. 동시에, 이 반응은 C1- 내지 C4-알칸-함유 공급원료의 추가 첨가 및 분리를 가능하게 함으로써 절대 수소 및 고체 탄소 수율(absolute hydrogen and solid carbon yield)을 증가시키고 전체 비 전기에너지 비용(overall specific electric energy expenses)은 낮춘다. 더 많은 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 수소와 고체 탄소로 분리하는데 필요한 에너지는 아세틸렌의 분해에 의해 제공될 수 있다. 따라서, 플라즈마 반응기의 용량을 증가시키고 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스 분리에 요구되는 총 비 전력 요구량(total specific electricity demand)을 줄이는 것이 가능하다.
주 발열반응:
대개, 아세틸렌 연속 반응의 경로는 복잡하다. 예를 들어, 아세틸렌이 조합을 거쳐 벤젠을 형성하고 이것으로부터 더 고도의 방향족들 및 타르가 형성된다는 것이 알려져 있다. 후자는 반응기 벽 상에 바람직하지 않은 퇴적을 유발할 수 있고 반응기 청소를 위하여 공정 운전을 중단할 필요성을 유발할 수 있다. 반응 경로에서 본 발명에 개시된 경계 조건들(boundary conditions) 하에 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스의 추가 첨가는, 첫 번째로는 플라즈마성 플라즈마 가스의 평균 온도의 제어된 감소를 초래하여 반응성이 감소하게 되고, 두 번째로는 아세틸렌의 희석을 초래한다. 이들 모두 상술한 바람직하지 않은 타르 형성을 억제하고 아세틸렌의 바람직하지 않은 연속 반응을 방지하기 위한 것이다. 본 발명자는 공급원료에 함유된 추가 C1- 내지 C4-알칸들을 수소와 카본 블랙으로 분리하는데 아세틸렌 분해 열이 사용될 수 있음을 발견하였다. 따라서, 제2 반응기 섹션에서 아세틸렌의 올리고머화는 감소시키고 오히려 아세틸렌을 가능한 한 불안정하게 만드는 한편 아세틸렌의 분해가 상기 주입된 C1- 내지 C4-알칸들의 수소 및 카본 블랙으로의 변환을 확실히 이끌어낼 수 있도록, 상기 반응기, 상기 용도, 및 상기 방법이 설계된다. 놀랍게도, 이것은, 예를 들어, 청구항의 평균 체류 시간 및 평균 온도 프로파일에 의해서는 물론이고 체류 시간 분포에 의해서도 보장된다는 것을 발견하였다. 이것은 특수 장치 설계에 의해서도 확립된다. 여기에서 정의되는 평균 체류 시간 및 체류 시간 분포는 혼합물의 원자들과 관련 있다. 따라서, 이것들은 상기 플라즈마성 플라즈마 가스 및 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 주입된 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스의 원자들에만 관련 있다.
체적을 통해 흐르는 물질에 있어서, 단일 원자의 체류 시간은 상기 원자가 그 안에서 얼마나 오랜 시간을 보내는 지의 척도이다. 분자, 올리고머, 폴리머, 또는 입자에 포함된 원자를 포함하는 단일 원자는 단일 체류 시간을 갖지만, 분자 또는 입자에 포함된 원자들을 포함하는 다수의 원자들의 혼합물은, 개개의 유로 및 속도가 일반적으로 다를 수 있기 때문에, 체류 시간 분포(RTD)를 갖는다. 따라서, 본 발명은 제2 반응기 섹션을 통과하는 혼합물의 모든 원자들의 평균 체류 시간을 정의하기 위하여 평균 체류 시간을 언급한다. 평균 체류 시간 및 체류 시간 분포는, 예를 들어, 유입구에서 반응기 내로 비반응성 추적자(non-reactive tracer)를 유입시킴으로써 측정될 수 있다.
중요하게도, 본 발명자는 놀랍게도 종개기술의 공정들에서 핵심인 아세틸렌의 안정화를 피하는 것이 유리하다는 것을 발견하였다. 다시 말해, 본 발명자는 반응기에서 혼합물의 광범위한 급랭(quenching)을 생략하는 것이 유리하다는 것을 발견하였는데, 이것이 아세틸렌을 안정화하기 위한 것이기 때문이다. 따라서, 본 발명의 장치, 방법, 및 용도는 이러한 조치를 삼간다.
따라서, C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 수소와 고체 탄소(예를 들어, 카본 블랙)로 분리하는데 필요한 에너지가 청구항의 장치, 방법, 및 용도의 특정 특징들로 인한 아세틸렌의 분해에 의해 부분적으로 제공된다. 따라서, 플라즈마 반응기의 용량을 증가시키고 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스의 분리를 위한 비 전력 요구량을 줄이는 것이 가능하다.
본 발명의 장치는 수소 및 고체 탄소 생산을 위한 산업 플랜트, 분산형 소규모 플랜트, 실험실 규모 장비, 또는 파일럿 플랜트일 수 있다. 상기 장치는 전기 아크를 이용하여 열 플라즈마를 발생시키기 위한 한 개 또는 여러 개의 반응기를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 장치는 병렬로 또는 교대로 작동하는 여러 개의 반응기들을 포함할 수 있다.
여기서 사용되는 평균 온도라는 용어는 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 영역에 걸친 평균 온도를 지칭하는데, 국부적 온도는 상응하는 질량 흐름(mass flow) 및 평균 열 용량에 의해 가중된다.
여기서 정의되고 언급되는 조건들 및 공정 파라미터들은, 달리 명시적으로 특정되지 않는 한, 반응기의 정상 상태와 관련된 것으로 이해하여야 한다.
여기서 사용되는 혼합물이란 용어는 플라즈마 섹션을 빠져나오는 플라즈마성 플라즈마 가스 및 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션에서 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스의 혼합에 의해 얻어지는 성분들의 혼합물을 지칭한다. 상기 혼합물의 조성은, 상기 제2 반응기 섹션 및 임의의 후속 디바이스들을 통과하면서 그 성분들이 반응함에 따라 달라질 수 있다. 상기 혼합물의 성분들은 기체, 액체 및/또는 고체 상태일 수 있다.
반응기는 플라즈마 섹션 및 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 반응기의 플라즈마 섹션의 바로 직후 다운스트림에 있는 제2 반응기 섹션을 포함한다. 상기 플라즈마 섹션은 상기 반응기의 일부이다. 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스가 상기 플라즈마 섹션 내로 유입된다. 상기 플라즈마 섹션은 상기 플라즈마 섹션 내에서 확장되는 전기 아크를 발생시키는 애노드 및 캐소드를 더 포함한다. 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 플라즈마 섹션 내로 유입된 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스로부터 플라즈마성 플라즈마 가스를 상기 플라즈마 섹션 내에 형성하기 위하여, 상기 전기 아크는 상기 플라즈마 가스를 가열한다. 이것은, 고온으로 인해, 이온 및 라디칼 형성을 포함하여 상기 플라즈마 가스의 성분들의 반응을 유발한다. 따라서, 상기 플라즈마성 플라즈마 가스는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스로부터 유도된 이온화 입자들 및/또는 라디칼들이 풍부하다.
상기 애노드는 상기 플라즈마 가스의 메인 스트림의 흐름 방향을 따른 중공 채널(hollow channel), 상기 플라즈마 가스의 메인 스트림의 흐름 방향으로의 배출구(outlet), 및 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 받아들이기 위한 적어도 하나의 유입구(inlet)를 갖는데, 상기 중공 채널은 내표면을 갖고, 상기 배출구는 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로의 상기 애노드의 개방단을 형성하며, 상기 유입구는 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단을 형성한다. 상기 애노드는 상기 플라즈마 가스가 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단과 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로의 상기 애노드의 개방단을 통해 상기 중공 채널을 따라 흐를 수 있도록 구성되고, 상기 플라즈마 가스는 상기 애노드를 통과할 때 상기 애노드의 중공 채널의 내표면에 접촉한다. 상기 애노드와 접촉하는 상기 전기 아크의 풋 포인트들(foot points)은 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상에 위치한다. 바람직하게는, 상기 애노드는 동축 중공 채널을 갖는 원통 형태를 갖는다.
일부 구현예들에서, 대응하는 상기 애노드와 캐소드는 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로 적어도 부분적으로도 중첩하지 않는다. 따라서, 상기 애노드와 캐소드는 중첩되지(nested) 않는다. 이것은 도 1 및 도 2에 예시되어 있다.
본 발명에서 사용되는 "애노드와 캐소드가 적어도 부분적으로도 중첩하지 않는다"는 표현은 주 흐름 방향에서 애노드와 캐소드가 서로 떨어져 있음을 의미한다.
바람직한 구현예들에서, 상기 애노드 및/또는 캐소드는 바람직하게는 액랭식(liquid cooling), 더욱 바람직하게는 수냉식(water cooling)으로 냉각되는 냉각 전극이다. 이것은 전극의 부식을 감소시키고 전극이 오래 지속적으로 작동하는 것을 보장한다. 다른 구현예들에서, 상기 애노드 및/또는 캐소드는 10 wt.% 미만의 흑연 또는 다른 고체 탄소 물질을 포함하는 재료로 형성된다. 흑연계 또는 고체 탄소계 전극을 포함하는 반응기는 일반적으로 금속계 전극보다 더 비용이 많이 들고 더 높은 열화율을 나타낸다. 따라서, 바람직한 구현예들에서, 상기 반응기의 애노드 및 캐소드는 금속 전극들이다.
추가의 구현예들에서, 상기 애노드 및 캐소드는 동심(concentric)이며, 상기 캐소드도 역시 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 따라 연장된 주축(main axis)을 갖는 중공 채널을 갖는데, 상기 중공 채널은 두 개의 서로 반대 측 말단들을 갖고, 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 말단은 폐쇄되어 있고, 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 향하는 말단은 개방되어 있다. 바람직하게는, 상기 플라즈마 가스의 메인 스트림의 흐름 방향을 향하는 이 개방단은 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단의 업스트림에 위치하고 상기 애노드의 개방단과 동심이다. 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 방대 방향을 향하는 상기 캐소드의 중공 채널의 말단과 관련하여 "폐쇄"란 용어는 상기 채널의 말단이 완전히 폐쇄되거나 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면이 상기 캐소드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 캐소드의 평균 흐름 단면에 비해 상기 흐름 단면의 면적을 기준으로 90% 이상 감소한 것을 의미한다.
이 구현예들에서, 상기 애노드와 캐소드는 상기 전기 아크의 풋 포인트들이 상기 캐소드의 내표면 및 상기 애노드의 내표면과 각각 접촉하도록 배열된다. 바람직한 구현예들에서, 상기 애노드와 상기 캐소드는 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 향하는 상기 캐소드의 말단과 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 말단 사이에 상기 메인 스트림의 방향으로 갭(gap)이 존재하도록 배열된다. 상기 갭의 길이는 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 상기 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 애노드의 중공 채널의 평균 내경(average inner diameter)의 바람직하게는 0.3배 이상, 더욱 바람직하게는 0.5배 이상이다. 일부 구현예들에서, 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인은 상기 플라즈마 가스가 상기 애노드와 캐소드 사이의 상기 갭을 통해 상기 반응기의 플라즈마 섹션 내로 유입될 수 있도록 배열된다.
상기 캐소드 및/또는 애노드 상에서 전기 아크의 풋 포인트들의 형태 및 위치는 운전 중에 시간의 경과에 따라 변하는데, 램프업(ramp-up), 셧다운(shut down) 및 부하 변경(load changes) 중에 변할 뿐만 아니라 정상 상태 운전 중에도 변한다. 특히, 중공 채널을 가지며 전기 아크의 풋 포인트들이 애노드의 중공 채널의 내표면 상에 있게 되는 애노드의 경우, 상기 풋 포인트들의 위치가 시간의 경과에 따라 심지어 정상 상태 운정 중에도 상기 애노드의 둘레를 따라 변할 수 있음은 물론이고 적어도 한정된 범위 내에서 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 위쪽 및 아래쪽으로 변할 수 있다. 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 풋 포인트들의 위치 범위는 일반적으로 운전의 전류 모드에 따라 다르다. 예를 들어, 모든 다른 공정 파라미터들이 일정하게 유지될 경우, 전기 부하가 증가하면 전기 아크가 길게 늘어나게 되어 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 풋 포인트들의 위치 범위가 상기 애노드의 중공 채널의 표면 상에서 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 더욱 다운스트림인 영역으로 시프트된다. 본 발명의 맥락에서, 상기 애노드의 중공 채널의 내표면과 관련하여, 풋 포인트들이란 용어는 모든 연속 반응기 작동 모드들에서 최하위 다운스트림(most downstream)인 상기 풋 포인트들의 위치를 지칭한다. 풋 포인트들의 가장 확장된 범위는, 예를 들어, 운전 후 애노드를 수정할 때 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 재료 부식 분석을 기반으로 식별될 수 있다. 운전 중에 상기 아크가 도달하지 않은 표면 섹션에 비해 상기 풋 포인트들과 접촉한 내표면 부분에서 상기 재료 부식이 더 높다. 상기 풋 포인트들은 상기 전기 아크가 상기 애노드와 접촉하는 영역을 정의한다. 마찬가지로, 운전 중에 캐소드의 중공 채널의 내표면 상에서 풋 포인트들이 위치한 영역이, 운전 후 수정 시에 식별될 수 있다.
일반적으로, 본 발명에 개시된 방법의 경우, 상기 전기 아크에 의한 상기 플라즈마 섹션으로의 전기 에너지 입력은 C1- 내지 C4-알칸-함유 공급 플라즈마 가스의 노르말 입방 미터(1 mN 3) 당 0.5 내지 10 kWhel의 범위이다. 본 발명의 목적에서 노르말 입방 미터는 1.01325 bar 및 273.15 K에서 1 입방 미터(1 m3)의 체적에 들어 있는 가스의 양이다(DIN 1343, version 1990-01).
상기 장치 및 이에 따른 상기 반응기는 가변 부하, 예를 들어 설계 부하의 50 내지 100 % 범위의 가변 부하에서 운전될 수 있다. 상기 부하는 제어부에 의해 수신되는 특정 신호에 따라 제어될 수 있다. 상기 제어부에 의해 수신되며 본 발명의 장치 및 방법을 제어하는데 사용되는 상기 신호는 공정 부하에 대한 결정에 영향을 미치는 요인들로부터 유도된 신호일 수 있다. 이러한 요인들로는 전기료, 소비 전기의 현재 탄소 발자국, 및/또는 제어 전원과 같은 그리드 서비스(grid service) 제공에 대한 요청이 있을 수 있다.
본 발명의 정의를 위해 사용된 애노드란 용어는 좁게 이해된다. 상기 애노드는, 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션의 초입부(beginning)와 동일한 제2 반응기의 초입부, 즉 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 따른 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 위치까지 뻗어 있다(비록, 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션의 상기 초입부를 넘어서는 부분이 상기 애노드와 동일한 전위를 가질 수 있지만). 상기 플라즈마 섹션의 다른 부분들, 예를 들어 마그네틱 디바이스 또는 상기 플라즈마 가스의 소용돌이(swirling)을 유체-역학적으로 유도하는 디바이스는, 상기 애노드와 동일한 전위를 가질 수 있다고 할지라도 본 발명에 따라 정의되는 애노드에 속하지 않는다. 따라서, 일부 구현예들에서, 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단에서 또는 상기 전기 아크의 풋 포인트들이 상기 애노드의 중공 채널의 내표면에 접촉하는 위치에서, 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 반응기의 흐름 단면은, 상기 애노드의 길이를 따라 및/또는 상기 애노드로부터 상기 제2 반응기 섹션으로의 전이부(transition)를 따라 변하지 않는다. 다시 말해, 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면은 상기 애노드에서 그리고 상기 애노드로부터 상기 제2 반응기 섹션으로의 전이부에서 본질적으로 동일하게 유지될 수 있다. 따라서, 어떤 구현예들에서는, 상기 메인 스트림의 흐름 방향과 반대인 상기 애노드의 개방단에서 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면은 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션의 초입부에서 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면과 본질적으로 동일할 수 있다.
반응기가 상기 반응기의 플라즈마 섹션(20) 바로 뒤에 제2 반응기 섹션(30)을 포함한다는 것은 두 개의 상기 반응기 섹션들이 서로 직접 붙어 있음을 의미한다. 상기 제2 반응기 섹션은 제1 서브섹션(31)과 제2 서브섹션(32)을 갖는데, 상기 제2 서브섹션은 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 제1 서브섹션 바로 뒤에 있다. 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 제2 서브섹션의 말단에는 반응기로부터 혼합물을 회수하기 위한 배출구 수단(33)이 구성되어 있다. 이것은 반응기로부터 혼합물을 회수하기 위한 하나 이상의 라인 또는 밸브일 수 있다.
제2 반응기 섹션의 말단에 배출구 수단이 위치한다고 함은, 반응기로부터 혼합물을 회수하는데 적합한 이상, 상기 배출구 수단이 제2 반응기 섹션의 말단에 또는 그 근처에 위치함을 의미한다.
가스의 메인 스트림(23)의 흐름 방향 또는 더욱 구체적으로는 플라즈마 가수의 메인 스트림의 흐름 방향이란 용어는, 본 명세서에서 사용될 때, 반응기의 플라즈마 섹션 내로 주입된 후 제2 반응기 섹션의 말단에 있는 배출구 수단(33)을 통해 회수될 때까지 반응기를 관통하는 상기 가스 또는 상기 플라즈마 가스 각각의 전체 스트림을 지칭한다. 일반적으로, 플라즈마 가스의 메인 스트림의 흐름 방향은 플라즈마 섹션을 통해 흐르는 가스를 지칭한다. 제2 반응기 섹션 및 혼합물과 관련하여서는, 혼합물의 메인 스트림의 흐름 방향으로 보통 지칭된다. 공정 수행 중에 플라즈마 가스가 다른 성분들과 반응하고 섞인다. 가스의 메인 스트림의 흐름 방향이 반응기를 통과하는 상기 메인 스트림의 경로를 따라 변경될 수도 있지만, 그럼에도 불구하고, 상기 메인 스트림의 흐름 방향은 도면들에 예시된 바와 같이 본 발명의 방법, 장치, 및 용도의 특징들의 위치 및 방향을 정의하기 위한 수단이다. 일 예로는, 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면이 있다.
제1 서브섹션(31)은 제2 반응기 섹션(30)의 제1 서브섹션(31) 내로 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 유입시키기 위한 적어도 하나의 제2 공급 라인(70)을 포함한다. 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 유입되는 플라즈마 가스 및 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 반응기 내로 유입되는 상기 가스 둘 모두가 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스들이라는 것이 본 발명에 있어 핵심이다. 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 유입되는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 메인 스트림의 흐름 방향에서 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들의 다운스트림 위치에서 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입됨으로써, 플라즈마 섹션을 빠져나오는 플라즈마성 플라즈마 가스와 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 유입되는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 포함하는 혼합물이 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 다운스트림에 있는 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션에 형성된다.
상기 반응기는, 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 큰 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면을 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션 내에 및/또는 상기 플라즈마 섹션 내에 적어도 한 지점에서 포함하되, 상기 플라즈마 섹션 내에 포함할 경우에는, 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 상기 전기 아크의 풋 포인트들의 다운스트림으로서 상기 플라즈마 섹션의 말단까지의 영역 범위 내에 포함한다. 따라서, 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면이 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 큰 상기 적어도 하나의 지점은, 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 업스트림 또는 다운스트림에 있다. 어떤 구현예들에서는, 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면이 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 더 큰 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서의 최상위 업스트림 지점(most upstream point)이 상기 플라즈마 섹션에 위치하되 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들의 다운스트림에 위치하는 반면, 다른 구현예들에서는, 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션에 위치한다.
상기 메인 스트림의 흐름 방향을 따른 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 위치는 제2 반응기 섹션과 그것의 제1 서브섹션의 초입부를 정의한다. 상기 제2 반응기 섹션과 그것의 제1 서브섹션은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 최상위 업스트림 지점을 통과하는 면에서 시작한다. 상기 면은 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 최상위 업스트림 지점에서 상기 플라즈마 가스의 메인 스트림의 흐름 방향에 대해 수직이다.
이것은 도 1 및 도 2에 예시되어 있는데, 여기서 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인(70)은 상기 제2 반응기 섹션(30)의 초입부를 정의한다. 도 2에서, 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면이 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 더 큰 상기 메인 스트림(71)의 흐름 방향에서의 지점은, 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 제2 반응기 섹션(30)의 초입부의 업스트림, 즉 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 업스트림에 있고, 따라서 상기 플라즈마 섹션에 위치하되 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들의 다운스트림에 위치한다.
바람직한 구현예들에서, 상기 반응기는 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들 및 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 최상위 업스트림 지점 사이에 위치한 적어도 하나의 급속 확장부(sudden expansion)를 포함하는데, 상기 최상위 업스트림 지점은 상기 메인 스트림(71)의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면이 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 더 큰 지점이다. 상기 급속 확장부는, 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면의 급속 확장부로서, 상기 급속 확장부는 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로 상기 메인 스트림의 축에 대해 20° 이상, 바람직하게는 45° 이상, 더욱 바람직하게는 75° 이상의 열림각(opening angle)을 갖는다. 이러한 반응기의 구성은, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 반응기 내로 유입되는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스와 상기 플라즈마성 플라즈마 가스를 혼합하고 그 혼합물의 원자들의 체류 시간 분포를 넓히는데 도움이 된다. 특히, 상기 급속 확장부는 탄소가 풍부한 고체 입자들 일부의 역혼합을 향상시키는데, 상기 고체 입자들의 표면은 탄화수소 분해에 대한 촉매적 영향을 발휘하고, 상기 고체 입자들은 역혼합을 통해 더 큰 사이즈로 성장할 수 있다. 또한, 난류 및/또는 역혼합을 유도하기 위한 수단과 같은 추가적 수단을 통해 상기 체류 시간 분포가 더 넓혀질 수 있고 본 발명의 장치 및 방법이 더욱 개선될 수 있다. 따라서, 일부 구현예들에서, 상기 제2 반응기 섹션은 상기 혼합물의 추가적 난류 및/또는 역혼합을 유도하기 위한 적어도 하나의 추가적 디바이스를 포함하는데, 이것은 상기 메인스트림의 흐름 방향에서 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 다운스트림에 위치하는 것이 바람직하다. 일부 구현예들에서, 상기 적어도 하나의 추가적 디바이스는 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 최상위 업스트림 지점의 다운스트림에 위치하는데, 상기 최상위 업스트림 지점은 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면이 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 더 큰 지점이다. 이 구현예들에서는, 상기 적어도 하나의 추가적 디바이스가 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 다운스트림에 위치할 수 있다. 상기 혼합물의 난류 및/또는 역혼합을 유도하기 위한 상기 적어도 하나의 추가적 디바이스는 수동 그리드(passive grid), 정적 혼합기(static mixer), 상기 반응기의 굽힘부(bend), 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있는데, 바람직하게는, 상기 반응기의 상기 굽힘부는 상기 혼합물의 흐름 방향이 상기 메인 스트림의 흐름 방향에 대해 80° 이상, 바람직하게는 135° 이상 변경되도록 유도한다. 본 발명의 어떤 구현예들에서는, 상기 반응기가 두 개 이상의 급속 확장부들을 포함하되, 바람직하게는 상기 제2 반응기 섹션에, 더욱 바람직하게는 상기 제2 반응기 섹션의 제1 및/또는 제2 서브섹션에 포함한다.
바람직한 구현예들에서, 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 원자들의 5% 이상은 상기 제2 반응기 섹션 내 체류 시간이 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 모든 원자들의 상기 제2 반응기 섹션 내 평균 체류 시간으로부터 절대 수(absolute numbers)로 5% 이상 편차가 있다.
달리 특정되지 않는 한, 상기 제2 반응기 섹션 내 체류 시간, 평균 체류 시간, 및 체류 시간 분포는 상기 제2 반응기 섹션 전체에서의 체류 시간, 평균 체류 시간, 및 체류 시간 분포를 지칭한다.
"평균 체류 시간으로부터 절대 수로 5% 이상 편차"란 용어는 해당 원자들이 상기 평균 체류 시간 대비 95% 이하 또는 105% 이상의 체류 시간을 가짐을 의미한다.
바람직하게는, 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 원자들의 10% 이상은 상기 제2 반응기 섹션 내 체류 시간이 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 모든 원자들의 상기 제2 반응기 섹션 내 평균 체류 시간으로부터 절대 수로 10% 이상 편차가 있고, 더욱 바람직하게는, 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 모든 원자들의 상기 제2 반응기 섹션 내 평균 체류 시간으로부터 15% 이상, 더더욱 바람직하게는 20% 이상 편차가 있다.
다른 구현예들에서, 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들로부터 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 최상위 업스트림 지점까지의 영역 범위에서 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면은, 어느 지점에서도, 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 평균 흐름 단면 대비 60% 이상, 바람직하게는 80% 이상, 더욱 바람직하게는 90% 이상인데, 상기 최상위 업스트림 지점은 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 흐름 단면이 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 더 큰 지점이다. 이것은, 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들 및 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면이 확대되는 지점 사이에 상기 흐름 단면의 감소가 존재한다고 하더라도 오직 제한적 감소만 존재하는 것을 보장한다. 이것은 상기 반응기의 이 구역 내에서의 바람직하지 않은 압력 강하 및 물질 응력을 방지한다.
상기 혼합물의 원자들의 필요한 체류 시간을 정의하기 위해, 상기 장치는 개별 섹션들의 특정 체적 비율을 특징으로 한다. 기준은 상기 플라즈마 섹션의 체적인데, 이것은 상기 애노드의 중공 채널의 내표면이 상기 전기 아크를 향해 있는 최상위 업스트림 위치에서부터 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션의 말단까지의 체적이다. "상기 애노드의 중공 채널의 내표면이 상기 전기 아크를 향해 있는 최상위 업스트림 위치에서부터 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션의 말단까지의, 상기 플라즈마 섹션의 체적"이란 용어는, 상기 전기 아크를 향해 있는 상기 애노드의 중공 채널의 최상위 업스트림 지점을 이 지점에서 상기 애노드의 내표면에 대해 수직 방향으로 통과하는 면(plane)에서 시작하여 - 상기 면은 상기 애노드의 상기 최상위 업스트림 지점에서 상기 메인 스트림의 흐름 방향에 수직임 - 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 반응기의 플라즈마 섹션의 말단 지점에 수직인 면에서 끝나는, 상기 애노드의 중공 채널의 내부 체적을 지칭한다. 이 체적은 도 1 및 도 2에서 도면부호 (22)로 표시되어 있다. 상기 기준 체적은 0.0001 내지 0.4 m3의 범위, 바람직하게는 0.001 내지 0.2 m3의 범위의 체적을 갖는다. 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션의 체적 및 상기 제2 반응기 섹션의 총 체적은 상기 기준 체적과의 관계에서 정의된다. 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션의 체적은 상기 기준 체적의 10 내지 200 배의 범위, 바람직하게는 상기 기준 체적의 20 내지 100 배의 범위인 반면, 상기 제2 반응기 섹션의 총 체적은 상기 기준 체적의 20 내지 2000 배의 범위, 바람직하게는 상기 기준 체적의 40 내지 1000 배의 범위이다.
여기서 사용되는 체적이란 용어는 어떤 대상의 내부 체적을 지칭한다. 상기 기준 체적과 관련하여서는, 상기 기준 체적이 플라즈마 가스에 의해 채워지는 상기 애노드의 중공 채널의 내부 체적에 관련된 것임을 의미한다. 따라서, 상기 애노드에 연결되거나 상기 애노드에 포함되어 있을 수 있는 냉각 수단 또는 상기 애노드의 중공 채널의 벽은 포함되지 않는다. 상기 제2 반응기 섹션의 체적과 관련하여서는, 여기서 사용되는 체적이 상기 제2 반응기 섹션의 내부 체적과 관련된 것임을 의미하는데, 상기 제2 반응기 섹션의 내부 체적은 상기 플라즈마 섹션으로부터 상기 제2 반응기 섹션으로의 전이 지점에서 상기 메인 스트림의 흐름 방향에 수직인 면에서 시작하여 상기 제2 반응기 섹션의 말단까지이며, 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스의 성분들로 채워진다. 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션의 체적과 관련하여서는, 여기서 사용되는 체적이 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션의 내부 체적과 관련된 것임을 의미하는데, 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션의 내부 체적은 상기 플라즈마 섹션으로부터 상기 제2 반응기 섹션으로의 전이 지점에서 상기 메인 스트림의 흐름 방향에 수직인 면에서 시작하여 상기 제2 반응기 섹션의 제1 섹션의 말단까지이며, 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스의 성분들로 채워진다.
바람직하게는, 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스는, 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들로부터 다운 스트림인 위치에서, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로질러 상기 플라즈마성 플라즈마로 유입된다. 따라서, 상기 적어도 하나의 반응기는 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인이 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로질러 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입시킬 수 있도록 구성될 수 있다. 가로지르는 유입은 상기 메인 스트림의 축에 대해 80 내지 100°의 범위, 바람직하게는 85 내지 95°의 범위의 각도의 유입을 포함한다. 이것은, 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스의 혼합을 더욱 향상시킨다.
상기 플라즈마 가스의 절대 유량(absolute flow rate)은 일반적으로 2 m3/h 내지 40,0000 m3/h의 범위이다. 비 유량(specific flow rate)은 선정된 반응기 설계의 세부 사항에 따라 설정되는 것이 명백하다. 따라서, 특정된 최고 유량을 0.0001 m3의 플라즈마 섹션 기준 체적과 결합하지는 않을 것이다. 따라서, 여기에 설명되는 파라미터들의 범위들은 당업자가 본 발명의 장치를 가동하고 본 발명의 방법을 구현하기 위해 적절한 파라미터 설정을 선택하는 범위로 이해되어야 한다.
바람직하게는, 시간 당 노르말 입방 미터 단위에서 상기 공급 플라즈마 가스의 유량에 대한 상기 제2 공급 가스의 유량의 비(ratio)는 0.1 내지 1.5의 범위 내에 들도록 설정된다. 바람직하게는, 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 플라즈마 섹션 내로 유입되는 플라즈마 가스의 온도는 상기 제1 반응기 섹션 내로 주입되기 전에 20℃ 내지 600℃의 범위이다. 이것은 상기 플라즈마 가스가 상기 플라즈마 섹션 내로 유입되기 전에 상기 플라즈마 가스를, 예를 들어 열 교환기를 이용하여, 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 또한 바람직하게는, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입되는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스의 온도는 20℃ 내지 1000℃의 범위일 수 있다. 여기서도, 상기 가스를 이 범위 내에 드는 온도로 가열하는데 열 교환기가 이용될 수 있다. 상기 스트림들의 상기 비(ratio) 및 예열 후 상기 스트림들의 온도는 상기 제2 반응기 섹션 내에서 상기 혼합물의 온도 프로파일을 조정하는 수단이다. 다른 수단들로는, 예를 들어, 플라즈마 가스의 노르말 입방 미터 당 전기 에너지의 킬로와트-시(kilowatt-hours)를 단위로 하는 상기 전기 아크의 비 에너지 입력(specific energy input), 및 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 유입되는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스와 상기 공급 플라즈마 가스의 조성(composition)이 있다.
상기 장치가 열 교환기를 포함하는 경우, 상기 열 교환기는 상기 반응기를 빠져나가는 혼합물로부터 열을 받을 수 있다. 따라서, 어떤 구현예들에서는, 상기 제2 반응기 섹션의 상기 배출구 수단이 열 교환기(120)에 연결된다. 대안적으로, 상기 열 교환기는 스팀(steam)으로부터 또는 적어도 하나의 버너(burner)에 의해 열을 받을 수 있다. 바람직하게는, 상기 버너는 본 발명의 장치의 상기 반응기에서 직전에 생산되었던 수소의 일부를 함유하는 연료를 사용하여 연료 공급을 받는다.
대안적으로, 상기 장치는 상기 반응기를 빠져나오는 상기 혼합물 또는 상기 혼합물의 적어도 일부를 받을 수 있는 두 개의 열 교환기들을 포함한다. 바람직한 구현예에서는, 두 개의 열 교환기들 모두가 상기 반응기의 배출구 수단에 병렬로 연결된다. 또 다른 바람직한 구현예에서는, 상기 열 교환기들이 연달아 연결된다(즉, 하나의 열 교환기가 상기 반응기의 배출구 수단에 직접 연결되고 다른 하나의 열 교환기는 상기 첫 번째 열 교환기의 배출구에 연결된다). 따라서, 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 플라즈마 섹션 내로 주입되는 플라즈마 가스는 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 유입되는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스와 함께 하나의 열 교환기에 의해 예열될 수 있다. 대안적으로, 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 플라즈마 섹션 내로 주입되는 플라즈마 가스는, 상기 반응기의 배출구 수단에 병렬로 연결된 또는 연달아 연결된 상기 두 개의 열 교환기들 중 하나에 의해, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 유입되는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스와는 별도로 예열될 수 있고, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 유입되는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스는 상기 반응기의 배출구 수단에 병렬로 연결된 또는 연달아 연결된 상기 두 개의 열 교환기들 중 다른 하나에 의해 예열될 수 있다. 상기 두 개의 열 교환기들이 연달아 연결된 경우, 배출구(33)를 통해 회수되는 스트림과 연결된 제1 열 교환기는, 상기 플라즈마 가스가 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인(60)을 통해 상기 플라즈마 섹션 내로 유입되기 전에 상기 플라즈마 가스에 열을 전달하기 위하여, 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인(60)과도 연결될 수 있다. 제2 열 교환기는, 상기 제1 열 교환기를 빠져나오는 스트림으로부터의 잔열(residual heat)을 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인(70)을 통해 상기 제2 반응 섹션의 제1 서브섹션 내로 유입되는 상기 가스로 전달하기 위하여, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인(70)과 연결될 수 있다.
바람직한 구현예에서, 상기 장치는, 상기 반응기를 빠져나오는 상기 혼합물 또는 상기 혼합물의 적어도 일부를 받기 위하여 그리고 상기 혼합물을 동시에 냉각시키기 위하여 상기 반응기의 배출구 수단에 연결된 열 교환기를 포함한다. 추가의 바람직한 구현예에서, 상기 장치는, 스팀 발생을 위한 하나의 열 교환기, 및 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 플라즈마 섹션 내로 주입되는 플라즈마 가스 및/또는 상기 제2 공급 라인을 통해 유입되는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 예열하기 위한 상기 한 개 또는 두 개의 열 교환기들 모두를 포함한다. 바람직한 공정에서, 상기 열 교환기들은 상황에 따라, 예를 들어 재생 가능한 전기의 가용성 및/또는 열에 대한 수요 및/또는 전기료에 따라, 다양한 부하로 작동된다. 더욱 구체적으로, 바람직한 공정에서, 상황에 따라, 예를 들어 재생 가능한 전기의 가용성이 높고/높거나 열에 대한 수요가 있는 경우, 상기 반응기를 빠져나오는 혼합물의 더 많은 부분 또는 전부가 외부의 열 이용을 위한 열 생성에 이용될 것이다. 재생 가능한 전기의 가용성이 낮고/낮거나 열에 대한 수요가 낮은 경우에는, 상기 혼합물로부터 외부 사용을 위한 열이 거의 또는 전혀 생성되지 않을 것이며, 대신에, 상기 반응기에서 수소 및 고체 탄소 생산을 위한 비 전기에너지 소비(specific electrical energy consumption)를 감소시키기 위하여, 상기 혼합물은 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 플라즈마 섹션 내로 주입되는 플라즈마 가스 및/또는 상기 제2 공급 라인을 통해 유입되는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 예열하는데 이용될 것이다.
일부 구현예들에서, 수소 및 고체 탄소를 위한 본 발명에 따른 상기 장치는 상기 반응기 내에 형성된 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 적어도 하나의 디바이스를 더 포함하고, 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스는 상기 혼합물의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)으로부터 기체 성분을 분리함으로써 상기 혼합물의 상기 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 농축시키고, 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스는, a) 상기 반응기의 상기 배출구 수단과 유체 연통하고, b) 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 농축된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 스트림을 위한 적어도 하나의 배출구를 갖고, c) 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)과 상기 혼합물의 기체 성분을 포함하는 스트림을 위한 적어도 하나의 배출구를 갖는다.
일부 구현예들에서, 상기 혼합물의 고체 성분의 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스는 사이클론(특히, 고온 사이클론), 필터(바람직하게는, 고온 필터), 고체 입자들의 고정층 또는 유동층을 갖는 디바이스, 스크러버(바람직하게는, 수분-함유 스크러빙 매체 또는 오일계 스크러빙 매체를 이용한 스크러버), 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
어떤 구현예들에서는, 상기 상기 플라즈마 섹션으로부터 상기 제2 반응기 섹션으로의 전이 지점에서 상기 메인 스트림의 흐름 방향에 수직인 면에서 시작하여 상기 제2 반응기 섹션의 말단까지인 상기 제2 반응기 섹션의 체적 및 상기 혼합물의 고체 성분의 농축을 위한 상기 디바이스의 체적의 총 체적은 상기 기준 체적의 20 내지 2000 배의 범위, 바람직하게는 상기 기준 체적의 40 내지 1000 배의 범위이다.
본 발명의 상기 고체 탄소는, 바람직하게는, 카본 블랙을 포함하거나 카본 블랙이다. 일반적으로, 산업용 카본 블랙은 수 나노미터 내지 500 nm 범위의 입경을 갖는 1차 입자들의 응집체를 포함하거나 상기 응집체이다. 예를 들어 입경 및/또는 비표면적 측면에서 서로 다른 상이한 종류의 카본 블랙이 존재한다. 고체 탄소라는 용어는 반응 조건 하에서 고체인 반응기 공간 내의 탄소를 지칭한다. 고체 탄소의 일 예로는 탄소 원자들의 응집체가 있다.
다른 구현예들에서, 본 발명의 장치는 상기 제2 반응기 섹션의 배출구에 연결된 고체 성분의 농축을 위한 적어도 하나의 디바이스를 포함하는데, 여기서, 고체 성분의 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스의 배출구에 열 교환기가 연결되되, 고체 카본 블랙의 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스의 공급물(feed)에 비해 낮은 고체 농도를 갖는 혼합물을 위한 배출구에 상기 열 교환기가 연결된다.
일부 구현예들에서, 수소 및 고체 탄소의 생산을 위한 상기 장치는, 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스 외에도, 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 및 상기 혼합물의 기체 성분을 포함하는 스트림으로부터 수소를 농축시키기 위한 적어도 하나의 디바이스를 포함하는데, 상기 수소 농축을 위한 적어도 하나의 디바이스는 a) 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 스트림을 위한, 상기 혼합물의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스의 배출구와 유체 연통하고, b) 수소 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 상기 스트림에 비해 농축된 농도의 수소를 포함하는 스트림을 위한 적어도 하나의 배출구를 갖고, c) 수소 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 상기 스트림에 비해 감소된 농도의 수소를 포함하는 스트림을 위한 적어도 하나의 배출구를 갖는다.
일부 구현예들에서, 수소 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 상기 스트림에 비해 감소된 농도의 수소를 포함하는 스트림을 위한 상기 적어도 하나의 배출구는 저장 용기, 바람직하게는 상기 스트림의 원래 압력보다 높은 압력을 갖는 압력 용기에 연결된다. 여기에 저장되는 가스는 에틸렌 및 아세틸렌과 같은 불포화 탄화수소를 포함할 수 있으며 연료로 유용할 수 있다.
바람직한 구현예에서, 수소 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 상기 스트림에 비해 감소된 농도의 수소를 포함하는 스트림을 위한 상기 적어도 하나의 배출구는 이 가스의 적어도 일부를 태울 수 있도록 버너(burner)에 연결된다.
다른 구현예들에서, 수소 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 상기 스트림에 비해 감소된 농도의 수소를 포함하는 상기 스트림의 적어도 일부는 공급원료로 이용되며, 바람직하게는 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인, 제2 공급 라인, 및/또는 제3 공급 라인(사용 가능하다면)을 통해, 더욱 바람직하게는 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해, 상기 반응기로 다시 공급된다. 바람직하게는, 공급원료로서의 사용은 시간의 경과에 따라 변하며, 반응기 작동 모드 및/또는 특정 경계 조건에 따라 이루어진다. 예를 들어, 바람직하게는 전기료가 향후 정해질 임계치와 같거나 이를 초과할 경우에, 상기 스트림이 상기 반응기에서 공급원료로 사용될 수 있을 것이다. 바람직한 구현예에서, 수소 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 상기 스트림에 비해 감소된 농도의 수소를 포함하는 스트림을 위한 상기 배출구는 공정 열을 발생시키기 위하여 플레어(flare) 및/또는 버너(burner)에도 연결된다. 따라서, 예를 들어, 천연 가스 내의 CO2로부터 형성될 수 있는 일산화탄소와 같은 산소 함유 성분들 또는 공급원료 내의 다른 산소-함유 성분들의 적어도 일부는 물론이고 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인 및/또는 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 유입되는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스 내의 N2(예를 들어, 천연 가스 내의 N2)와 같은 비활성 기체 역시도 제거될 수 있다.
다른 구현예들에서, 수소 및 고체 탄소 생산을 위한 본 발명에 따른 장치는 애노드 또는 상기 애노드의 일부를 반응기의 나머지 부분과 탈착 가능하게 연결하는 수단, 바람직하게는 두 개의 별개 수단들을 갖는 반응기를 포함한다. 바람직하게는, 상기 두 개의 별개 수단들 중 하나는 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들의 업스트림에 위치하고, 상기 두 개의 별개 수단들 중 다른 하나는 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들의 다운스트림에 위치한다. 애노드 또는 상기 애노드의 일부를 반응기의 나머지 부분과 탈착 가능하게 연결하는 상기 수단은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 업스트림에 위치한다. 일부 구현예들에서, 상기 메인 흐름의 흐름 방향에서 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들의 다운스트림으로부터 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 업스트림까지의 영역 범위에 최상위 업스트림 지점이 존재하는데, 상기 최상위 업스트림 지점은 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면이 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 더 큰 지점이다. 이것은, 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면이 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 더 큰 상기 지점(상기 흐름 단면의 확장)이 상기 전기 아크의 풋 포인트들과 상기 제2 공급 라인 사이의 공간에 이미 존재할 수 있음을 의미한다. 더욱 바람직하게는, 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면의 급속 확장부가, 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서, 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면이 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 더 큰 상기 최상위 업스트림 지점의 업스트림에 추가로 존재한다. 이러한 상황에서, 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들의 다운스트림에 위치한 상기 수단은, 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서, 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 흐름 단면이 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 더 큰 상기 최상위 업스트림 지점의 업스트림에 위치하고, 더더욱 바람직하게는, 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 흐름 단면의 상기 급속 확장부의 업스트림에 위치한다. 이것은, 필요한 경우, 빠르고 쉬우며 효율적인 애노드 교체를 가능하게 한다. 특히, 반응기의 정지 시간을 연장하지 않아도 되며, 애노드 교체를 위하여 반응기를 실질적으로 분해하지 않아도 된다.
일부 구현예들에서, 수소 및 고체 탄소 생산을 위한 본 발명에 따른 장치는 캐소드 또는 상기 캐소드의 일부를 반응기의 나머지 부분과 탈착 가능하게 연결하는 수단, 바람직하게는 두 개의 별개 수단들을 갖는 반응기를 포함한다. 캐소드 또는 상기 캐소드의 일부를 반응기의 나머지 부분과 탈착 가능하게 연결하는 상기 수단은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 업스트림에 위치한다. 바람직하게는, 상기 캐소드는 상기 전기 아크가 늘어나는 중공 채널을 갖고, 상기 전기 아크의 풋 포인트들이 상기 캐소드의 중공 채널의 내표면에 접촉한다. 이러한 상황에서, 상기 두 개의 별개 수단들 중 하나는 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 캐소드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들의 업스트림에 위치할 수 있고, 상기 두 개의 별개 수단들 중 다른 하나는 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 캐소드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들의 다운스트림에 위치할 수 있다.
바람직한 구현예들에서, 상기 애노드의 중공 채널의 내표면은 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로 그 말단에서 상기 제2 반응기 섹션의 내표면의 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서의 초입부와 동일한 평면 상에 있다(도 1 및 도 2 참조). 따라서, 두 구현예들 모두에서, 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 애노드가 상기 제2 반응기 섹션으로 전이되는 지점에는 반대 편으로부터 오는 공정 가스에 의해 접촉되는 애노드 벽 부분이 존재하지 않는다. 바람직하게는, 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 및 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션의 내표면으로부터 일정한 통로가 존재한다. 이것은, 상기 반응기 내에서 흐름 및 반응에 대한 개선된 제어를 가능하게 하고 바람직하지 않은 타르 또는 고형물의 퇴적을 방지한다.
이러한 상황에서, 상기 반응기는 유동 채널(flow channel) 차단 수단을 상기 탈착 가능한 애노드 밑에 포함함으로써 상기 플라즈마성 플라즈마 가스의 상기 제2 반응기 섹션으로의 경로를 폐쇄할 수 있다. 바람직하게는, 연결 차단을 위한 상기 수단은 상기 애노드와 상기 제2 반응기 섹션의 초입부 사이에 위치한다. 바람직하게는, 상기 차단 수단은 밸브 또는 슬라이드이다. 더욱 바람직한 구현예에서, 상기 차단 수단은 바람직하게는 액체로 냉각되고, 더욱 바람직하게는 물로 냉각된다.
어떤 구현예들에서는, 상기 적어도 하나의 반응기는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입시키기 위한 적어도 하나의 제3 공급 라인을 갖는데, C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 유입시키기 위한 상기 적어도 하나의 제3 공급 라인은, 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서, C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입시키기 위한 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 다운스트림에 배치되며, 더욱 바람직하게는, 상기 적어도 하나의 제3 공급 라인의 위치는 상기 제2 반응기 섹션의 제2 서브섹션(32)의 초입부를 정의한다. 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 다운스트림에서 상기 적어도 하나의 제3 공급 라인을 통해 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 유입시키는 것은 상기 메인 흐름의 경로를 따라 온도 및 반응을 더 잘 제어할 수 있다는 점에서 유리하다.
상기 배출구 수단(33)을 통해 회수되는 수소 및 고체 탄소를 함유한, 본 발명의 장치 및 방법에 의해 생산된 상기 혼합물은 저장될 수 있다. 상기 저장은 중간 단계의 일시적 저장(예를 들어, 통합 공정에서 버퍼 목적을 위해)이거나 더 긴 시간의 저장일 수 있다. 예를 들어, 상기 혼합물은 가압 용기에 저장될 수 있다. 이러한 가압 용기는 최대 200 bar의 상승된 압력에서 가스를 저장할 수 있다. 어떤 구현예들에서는, 먼저 고체 탄소의 양을 줄인다. 이어서, 미가공물을 포함하는(고체 탄소 및/또는 추가 성분들을 감소된 양으로 포함하는) 잔여 혼합물 또는 정제된 수소가 상기 용기에 저장될 수 있다.
열 플라즈마를 이용하여 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 수소 및 고체 탄소를 생산하기 위한 방법은, 첨부된 청구항들에 정의된 a) 내지 h) 단계들을 적어도 포함하는 것을 특징으로 한다. 단계 a)에서 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스 공급 장치로부터 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 빼낸다. 이러한 장치는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스 공급을 위한 장치로도 본 명세서에 개시된다. 바람직한 구현예들에서, 상기 방법은 본 발명에 따른 장치 및 반응기를 사용한다.
단계 e)에서, C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 제2 반응기 섹션 내로 유입시키기 위한 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션 내로 유입시키되, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 애노드 및 캐소드에 의해 발생되는 상기 전기 아크의 풋 포인트들의 다운스트림에서 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되도록 함으로써, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 다운스트림에 있는 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션에 혼합물이 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성될 수 있도록, 상기 유입이 수행된다.
상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되는 위치에서 상기 플라즈마성 플라즈마 가스가 1200 내지 3000 ℃ 범위, 바람직하게는 1500 내지 2800 ℃ 범위의 평균 온도를 갖는다. 이것은, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 유입되지 않았다면 상기 위치에서 상기 플라즈마성 플라즈마 가스가 가졌을 평균 온도를 의미한다.
상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 유입되가 주입되기 전에 상기 플라즈마성 플라즈마 가스가 아세틸렌을 포함하는 것이 핵심이다. 바람직하게는, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되는 위치에서 상기 플라즈마성 플라즈마 가스가 2 vol.% 이상, 바람직하게는 4 vol.% 이상, 더욱 바람직하게는 6 vol.% 이상, 가장 바람직하게는 8 vol.% 이상의 아세틸렌을 포함한다.
상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입됨으로써 혼합물이 형성된다. 상기 혼합물은 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인으로부터 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션의 말단 까지의 영역 범위에서 850℃ 이상, 바람직하게는 1050℃ 이상, 그리고 3000℃ 미만, 바람직하게는 2800℃ 미만의 평균 온도를 갖는다.
상기 제2 반응기 섹션의 제2 서브 섹션에서 상기 혼합물의 평균 온도는 650℃ 이상, 바람직하게는 750℃ 이상, 더욱 바람직하게는 850℃ 이상, 그리고 1500℃ 미만이며, 바람직하게는 700℃ 내지 1400℃의 범위, 더욱 바람직하게는 800℃ 내지 1300℃의 범위, 가장 바람직하게는 800℃ 내지 1200℃의 범위이고, 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 유입된 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 얻어지는 상기 혼합물의 상기 제2 반응기 섹션의 말단에서의 평균 온도는 200K 이상, 바람직하게는 400K 이상, 더욱 바람직하게는 600K 이상이며, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되는 위치에서의 상기 플라즈마성 플라즈마 가스의 평균 온도보다 낮다. 이 평균 온도는 아세틸렌 생산을 위한 종래기술의 반응기 및 공정에서 이용된 것보다 훨씬 높고 공정의 효율성을 더욱 향상시킨다. 이것은 본 발명의 방법 및 반응기 용도에도 적용된다.
단계 f)는 상기 제2 반응기 섹션을 통해 상기 혼합물을 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 다운스트림으로 이동시키는 단계를 포함하는데, 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물 내 원자들의 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션 내 평균 체류 시간이 100ms 내지 2000ms의 범위, 바람직하게는 200ms 내지 1000ms의 범위, 더욱 바람직하게는 400ms 내지 900ms의 범위, 더더욱 바람직하게는 500ms 내지 800ms의 범위가 되도록 상기 이동이 이루어진다. 따라서, 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션에서의 상기 혼합물의 평균 온도 및 그 원자들의 평균 체류 시간은 상기 방법의 효율적 운영을 위해 필수적이다. 단계 f)는 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 원자들의 상기 제2 반응기 섹션 전체(상기 제2 반응기 섹션의 제2 서브섹션 포함) 내 평균 체류 시간이 200ms 내지 20000ms의 범위, 바람직하게는 400ms 내지 10000ms의 범위, 더욱 바람직하게는 600ms 내지 9000ms의 범위, 더더욱 바람직하게는 800ms 내지 8000ms의 범위, 더더욱 바람직하게는 1000ms 내지 7500ms의 범위가 되도록 상기 이동이 이루어지는 것으로 더욱 특정하고 있다. 또한, 상기 제2 반응기 섹션의 제2 서브섹션을 포함하는 상기 제2 반응기 섹션 전체에 있어서, 상기 혼합물의 평균 온도 및 그 원자들의 평균 체류 시간은 상기 방법의 효율적 운영을 위해 필수적이다.
또한, 단계 f)는, 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 원자들의 5% 이상은 상기 제2 반응기 섹션 내 체류 시간이 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 모든 원자들의 상기 제2 반응기 섹션 내 평균 체류 시간으로부터 절대 수(absolute numbers)로 5% 이상 편차가 있고, 바람직하게는, 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 원자들의 10% 이상은 상기 제2 반응기 섹션 내 체류 시간이 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 모든 원자들의 상기 제2 반응기 섹션 내 평균 체류 시간으로부터 절대 수로 10% 이상 편차가 있고, 더욱 바람직하게는, 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 모든 원자들의 상기 제2 반응기 섹션 내 평균 체류 시간으로부터 15% 이상, 더더욱 바람직하게는 20% 이상 편차가 있다고 특정하고 있다. 따라서, 상기 혼합물의 원자들의 평균 체류 시간은 물론이고 체류 시간 분포 역시도 유의미하고 제어된다. 따라서, 수소 및 고체 탄소(바람직하게는, 카본 블랙)가 상기 제2 반응기 섹션에서도 생성된다. 전체적으로 더 낮은 에너지 비용으로 수소 및 고체 탄소(바람직하게는, 카본 블랙)가 상기 반응기에서 생성되는데, 이것은 상기 제2 반응기 섹션에서 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스의 수소 및 고체 탄소로의 변환에 필요한 에너지 제공을 위한 아세틸렌 분해 열의 사용이 최대화될 수 있도록 상기 공정 및 장치 파라미터들이 정의되기 때문이다.
본 발명의 장치와 관련해서, 위에서 그리고 첨부된 청구항들에서 밝힌 본 발명의 방법은 상기 혼합물로부터 고체 및 수소를 농축시키는 단계들을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 방법은, 농축된 농도의 상기 혼합물의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 스트림 및 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 상기 혼합물의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 스트림을 발생시키기 위하여, 상기 배출구 수단을 통해 회수된 상기 혼합물을 상기 혼합물의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 적어도 하나의 디바이스로 처리하는 단계 i)를 더 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 단계 i)는 상기 반응기 내에 형성된 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 적어도 하나의 디바이스에서 수행되고, 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스는 상기 혼합물의 상기 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 농축시키기 위하여 상기 혼합물의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)으로부터 기체 성분을 분리하는데 이용되고, 고체 성분의 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스는 상기 반응기의 상기 배출구 수단과 유체 연통하고, 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 농축된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 스트림을 위한 적어도 하나의 배출구를 가지며, 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)과 상기 혼합물의 기체 성분을 포함하는 스트림을 위한 적어도 하나의 배출구를 갖는다. 이러한 장치의 바람직한 예들이 여기에 개시되어 있다.
일부 구현예들에서, 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 원자들의, 상기 제2 반응기 섹션의 초입부(beginning)로부터 상기 혼합물의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 상기 디바이스를 포함하는 곳까지의 영역 범위 내 평균 체류 시간이 200ms 내지 20000ms의 범위, 바람직하게는 400ms 내지 10000ms의 범위, 더욱 바람직하게는 600ms 내지 9000ms의 범위, 더더욱 바람직하게는 800ms 내지 8000ms의 범위, 더더욱 바람직하게는 1000ms 내지 7500ms의 범위이다. 이것은, 본 발명의 방법에서 정의된 온도 프로파일을 통해, 특정 상황에서, 상기 혼합물이 상기 제2 반응기 섹션의 배출구로부터 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 상기 디바이스를 포함하는 곳까지 통과할 때 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 수소 및 고체 탄소로 추가적으로 변환될 수 있기 때문이다. 상기 제2 반응기 섹션을 빠져나오는 상기 혼합물에 의해 채워지는 상기 고체 성분 농축을 위한 디바이스의 내부 체적과 상기 고체(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 디바이스의 상기 제2 반응기 섹션의 배출구 수단으로의 연결부의 내부 체적의 합은 위에서 구체적으로 설명된 상기 기준 체적의 10 내지 1800 배의 범위, 바람직하게는 상기 기준 체적의 20 내지 800 배의 범위일 수 있다.
고체 성분 농축을 위한 상기 디바이스를 포함하는 본 발명의 상기 방법은, 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 상기 혼합물의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 상기 스트림에 비해 농축된 농도의 수소를 갖는 스트림을 발생시키기 위한 적어도 하나의 디바이스를 이용하여 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 상기 혼합물의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 상기 스트림을 처리하는 단계 j)를 더 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 단계 j)는 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)과 상기 혼합물의 기체 성분을 포함하는 상기 스트림으로부터 수소를 농축시키기 위한 적어도 하나의 디바이스에서 수행되고, 수소 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스는, 상기 혼합물의 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 스트림을 위한, 상기 혼합물의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스의 상기 적어도 하나의 배출구와 유체 연통하고, 수소 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 상기 스트림에 비해 농축된 농도의 수소를 포함하는 스트림을 위한 적어도 하나의 배출구를 가지며, 수소 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 상기 스트림에 비해 감소된 농도의 수소 및 상기 혼합물의 기체 성분을 포함하는 스트림을 위한 적어도 하나의 배출구를 갖는다.
어떤 구현예들에서는, 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 큰 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면을 상기 반응기가 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션 내에 및/또는 상기 플라즈마 섹션 내에 적어도 한 지점에서 포함하되, 상기 플라즈마 섹션 내에 포함할 경우에는 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들의 다운스트림으로서 상기 플라즈마 섹션의 말단까지의 영역 범위 내에 포함하도록 상기 방법이 실행된다. 바람직하게는, 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면이 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 더 큰 상기 최상위 업스트림 지점의 바로 직전 업스트림(상기 메인 스트림의 흐름 방향에서)에서의 압력은 0.5 내지 30 bar overpressure 또는 bar gauge 범위이다.
본 발명의 방법의 다른 구현예에서, 상기 제2 반응기 섹션의 벽은 냉각되되, 바람직하게는 유체로 냉각되고, 더욱 바람직하게는 액체로 냉각되고, 더더욱 바람직하게는 최대 450℃ 온도의 액체로 냉각된다. 이것은 본 발명의 장치에도 적용됨은 물론이고, 따라서 상기 장치는 냉각 벽, 바람직하게는 액체로 냉각된 벽, 더욱 바람직하게는 최대 450℃ 온도의 액체로 냉각된 벽을 갖는 제2 반응기 섹션을 갖는 반응기를 포함할 수 있다.
상기 방법의 일부 구현예들에서, C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 상기 제2 공급 라인을 통해 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로질러 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입된다. 이것은 상기 혼합물의 혼합을 향상시킨다.
또한, 상기 방법은 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입시키는 적어도 제3 유입의 수행을 포함할 수 있는데, 상기 제3 유입은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입시키기 위한 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 다운스트림에 배치된 적어도 하나의 제3 공급 라인을 통해 수행되고, 바람직하게는, 상기 적어도 하나의 제3 공급 라인의 위치가 상기 제2 반응기 섹션의 제2 서브섹션의 초입부를 정의한다.
상기 방법을 더욱 개선하기 위하여, 상기 방법은 바람직하게는 수소 및/또는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스에 분산되어 있는 고체 탄소, 바람직하게는 카본 블랙, 바람직하게는 본 발명의 방법에 따라 생성되고 분리된 고체 탄소(바람직하게는, 카본 블랙)의 일부인 카본 블랙이 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입되는 것을 포함할 수 있는데, 바람직하게는, 상기 일부는 상기 방법에서 생산되는 고체 탄소(바람직하게는, 카본 블랙)의 총합과 비교할 때 상이한 평균 물성들(예를 들어, 상이한 평균 입자 크기 또는 비표면적)을 갖는다. 상기 고체 탄소 물질(바람직하게는, 카본 블랙 물질)의 분별(fractionation)을 통해 특정한 평균 입자 크기 또는 비표면적을 갖는 고체 탄소(바람직하게는, 카본 블랙)를 얻을 수 있다. 상기 분산되어 있는 카본 블랙은 카본 블랙의 분리를 포함하는 본 발명에 따른 방법에서 생성되는 카본 블랙으로부터 유래되는 일부일 수 있다. 수소 및/또는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스에 분산되어 있는 고체 탄소(바람직하게는, 카본 블랙)는 상기 제2 반응기 섹션 내로 직접 유입되거나 또는, 바람직하게는, C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션 내로 유입시키기 위한 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인 내로 유입됨으로써 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입된다. 바람직하게는, 고체 탄소(바람직하게는, 카본 블랙)는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션 내로 유입시키기 위한 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인 내로 유입된다.
상기 고체 탄소-함유(바람직하게는, 카본 블랙-함유) 가스 스트림이 상기 제2 반응기 섹션 내로 직접 유입될 경우, 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입되는 시점 직전에 1 g/mN 3 내지 100 g/mN 3 범위의 고체 탄소(바람직하게는, 카본 블랙) 농도를 가질 수 있다. 바람직하게는, 상기 고체 탄소-함유(바람직하게는, 카본 블랙-함유) 가스 스트림이 상기 제2 반응기 섹션 내로 직접 유입될 경우, C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스 스트림의 유량(flow rate)과 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스 스트림의 유량의 합에 대한, 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입되는 시점 직전에서의 상기 고체 탄소-함유(바람직하게는, 카본 블랙-함유) 가스 스트림의 유량의 비(ratio)가 mN 3/h 단위에서 0.01% 내지 10%, 바람직하게는 0.1% 내지 5%의 범위이다.
그리고, 상기 고체 탄소-함유(바람직하게는, 카본 블랙-함유) 가스 스트림이 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션 내로 유입시키기 위한 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인 내로 유입될 경우, C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션 내로 유입시기키 위한 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인 내로 유입되는 시점 직전에 1 g/mN 3 내지 100 g/mN 3 범위의 고체 탄소(바람직하게는, 카본 블랙) 농도를 가질 수 있다. 바람직하게는, 상기 고체 탄소-함유(바람직하게는, 카본 블랙-함유) 가스 스트림이 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션 내로 유입시기키 위한 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인 내로 유입될 경우, C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스 스트림의 유량과 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스 스트림의 유량의 합에 대한, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인 내로 유입되는 시점 직전에서의 상기 고체 탄소-함유(바람직하게는, 카본 블랙-함유) 가스 스트림의 유량의 비가 mN 3/h 단위에서 0.01% 내지 10%, 바람직하게는 0.1% 내지 5%의 범위이다.
상기 고체 탄소(바람직하게는, 카본 블랙)는 1 내지 1000 m2/g의 범위, 바람직하게는 10 내지 800 m2/g의 범위, 그리고 가장 바람직하게는 50 내지 600 m2/g의 범위의 비표면적으로 갖는다. 상기 비표면적은 ASTM D6556-14(2014년 6월 1일 승인, 2014년 7월 공표, 10.1520/D6556-14)에 기술된 B.E.T. NSA 방법을 이용하여 결정되는데, 이 방법은 본 명세서에 참조로서 병합된다. 카본 블랙은 반응기 내에서 다양한 반응들(예를 들어, 천연 가스의 수소 및 탄소로의 분리 반응)을 위한 촉매로 작용할 수 있으며 수율 및/또는 반응 동역학을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 카본 블랙 입자들의 유입은 상기 혼합물로부터 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 농축시키는 상기 디바이스에서 고체 탄소 평균 입자 크기를 증가시킴으로써 상기 혼합물의 고체 성분 농축을 촉진시키는데 도움이 된다. 따라서, 본 발명의 방법은 고체 탄소(바람직하게는, 카본 블랙)를 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입시키는 단계를 포함할 수 있는데, 바람직하게는, 상기 고체 탄소(바람직하게는, 카본 블랙)는 위에서 정의된 농도 및 특성들을 갖는다. g/mN 3 단위를 이용한 상기 고체 탄소(바람직하게는, 카본 블랙) 농도의 정의는 노르말 입방 미터 당 그램을 지칭한다.
위에서 이미 기술하였듯이, C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되는 위치에서 상기 플라즈마성 플라즈마 가스는 2 vol.% 이상, 바람직하게는 4 vol.% 이상, 더욱 바람직하게는 6 vol.% 이상, 더더욱 바람직하게는 8 vol.% 이상의 아세틸렌을 포함한다.
상기 방법을 더욱 개선시키기 위하여, 상기 애노드 및 캐소드에 의해 발생되는 상기 전기 아크는 상기 캐소드로부터 상기 애노드로 뻗는 축(axis)을 중심으로 회전될 수 있다. 이것은, 플라즈마 가스로의 에너지 입력의 관점에서 그리고 전극들의 수명 향상을 위하여 유리할 수 있다. 바람직하게는, 예를 들어 Acetylene, Paessler et al., Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, doi:10.1002/14356007.a01_097.pub4, 2011에 나타난 바와 같이, 상기 전기 아크 회전은 마그네틱 디바이스(바람직하게는, 캐소드 및/또는 애노드를 따라 위치한) 또는 상기 플라즈마 섹션 내로 유입되기 직전의 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스에 소용돌이(swirling)를 유도하는 디바이스[예를 들어, 소위 볼텍스 챔버(vortex chamber)]로 구성된 그룹으로부터 선택되는 수단에 의해 야기되고, 바람직하게는, 상기 전기 아크는 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로 배향된 축을 중심으로 회전한다. 바람직한 구현예들에서, 상기 전기 아크는 상기 축을 중심으로 0.1 s-1 이상, 더욱 바람직하게는 0.2 s-1 이상, 더더욱 바람직하게는 0.5 s-1 이상의 주파수로 회전한다. 바람직하게는, 상기 전기 아크의 회전은 상기 플라즈마 섹션 내로 유입되기 직전의 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스에 소용돌이를 유도하는 디바이스에 의하여 유도된다.
바람직하게는, 상기 방법은, 상기 혼합물에서의 추가적 난류(turbulence) 및/또는 역혼합(backmixing)이 상기 제2 반응기 섹션에서 유도되고, 특히 상기 혼합물에서의 추가적 난류는 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 다운스트림에서 유도되되, 바람직하게는, 수동 그리드(passive grid), 정적 혼합기(static mixer), 상기 반응기의 굽힘부(bend), 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 바람직하게 선택되는, 상기 혼합물의 난류 및/또는 역혼합을 유도하기 위한 적어도 하나의 디바이스를 이용하여 유도되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 본 발명의 방법의 일 구현예에서는, 상기 적어도 하나의 반응기의 애노드와 캐소드는 동심이며(concentric), 상기 캐소드는 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 따라 연장된 주축(main axis)을 갖는 중공 채널을 갖고, 상기 중공 채널은 두 개의 서로 반대 측 말단들을 갖고, 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 말단은 폐쇄되어 있고, 상기 플라즈마 가스의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 향하는 말단은 개방되어 있고 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단의 업스트림에 위치하고 상기 애노드의 개방단과 동심이며, 상기 애노드와 캐소드는 상기 전기 아크의 풋 포인트들이 상기 애소드의 중공 채널의 내표면 및 상기 캐노드의 중공 채널의 내표면과 각각 접촉하도록 배열된다. 바람직하게는, 상기 애노드와 상기 캐소드는 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 향하는 상기 캐소드의 말단과 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 말단 사이에 상기 메인 스트림의 방향으로 갭이 존재하도록 배열되고, 상기 갭의 길이는 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 애노드의 중공 채널의 평균 내경의 바람직하게는 0.3배 이상, 더욱 바람직하게는 0.5배 이상이다. 바람직하게는, 상기 플라즈마 가스가 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 반응기의 플라즈마 섹션 내로 유입될 때 상기 애노드와 캐소드 사이의 상기 갭으로 유입될 수 있도록 상기 플라즈마 섹션이 설계된다.
본 발명의 방법의 다른 구현예에 따르면, 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스 및/또는 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 유입되는 상기 가스는 메탄을 포함하는 가스 또는 천연 가스이다. 따라서, 일부 구현예들에서는, 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인 및 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인 모두를 통해 천연 가스가 상기 반응기 내로 유입될 수 있다. 대안적으로, 어떤 구현예들에서는, 상기 제1 공급 라인 및 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인 모두를 통해 메탄이 상기 반응기 내로 유입될 수 있다.
독립적인 측면으로서, 아래에 개시되는 발명은 첨부된 청구항들에 의해 정의되는 발명에 포함될 수 있으며, 그 반대도 마찬가지이다.
본 발명자는 놀랍게도 아세틸렌-함유 가스를 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스에 수반하여 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션 내로 유입시킴으로써 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 유래된 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입시키는 것이 수소 및 고체 탄소의 생산에 유리하다는 것을 발견하였다. 유입된 아세틸렌은 상기 제2 반응기 섹션에서 분해되어 열을 생성하는데, 이 열은 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입되는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스의 온도를 더 빨리 증가시키고 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스의 수소 및 고체 탄소로의 변환(수소 및 고체 탄소의 생성)을 더욱 촉진시키는데 도움이 된다. 따라서, 종래 기술에 비해, 상기 방법의 에너지 소비가 감소될 수 있고/있거나 반응기의 용량이 증가될 수 있다.
상기 독립적 측면은 아래의 내용을 추가 특징으로 하는 방법, 장치, 및 용도에 관한 것이다.
구현예 1: 열 플라즈마를 이용하여 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 수소 및 고체 탄소를 생산하기 위한 방법에 관한 것으로서, 다음의 단계들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
a) C1- 내지 C4-알칸-함유 가스 공급 장치로부터 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 빼내는 단계;
b) C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 빼내기 위한 상기 장치로부터 빼내진 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 적어도 제1 반응기 내로 유입시키는 단계;
여기서, 상기 반응기는 전기 아크를 이용하여 열 플라즈마를 발생시키는 반응기이고, 상기 반응기는 플라즈마 섹션 및 제2 반응기 섹션을 포함하고,
i) 상기 플라즈마 섹션은,
· 전기 아크를 발생시키기 위한 애노드 및 캐소드 - 상기 아크는 상기 플라즈마 섹션 내에서 확장됨 -, 및
· C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션 내로 유입시키기 위한 적어도 하나의 제1 공급 라인
을 포함하되,
· 상기 애노드는 상기 플라즈마 가스의 메인 스트림의 흐름 방향을 따른 중공 채널 - 상기 중공 채널은 내표면을 가짐 -, 상기 플라즈마 가스의 메인 스트림의 흐름 방향으로의 배출구 - 상기 배출구는 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로의 상기 애노드의 개방단을 형성함 -, 및 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 받아들이기 위한 적어도 하나의 유입구 - 상기 유입구는 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단을 형성함 -을 포함하고, 상기 애노드는 상기 플라즈마 가스가 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단과 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로의 상기 애노드의 개방단을 통해 상기 중공 채널을 따라 흐를 수 있도록 구성되고, 상기 플라즈마 가스는 상기 애노드를 통과할 때 상기 애노드의 중공 채널의 내표면에 접촉하고,
· 상기 애노드와 상기 캐소드는 이들에 의해 발생되는 상기 아크가 상기 플라즈마 섹션 내에 형성됨으로써 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 플라즈마 섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스로부터 플라즈마성 플라즈마 가스가 상기 플라즈마 섹션 내에 형성될 수 있도록 배열되고, 상기 애노드와 접촉하는 상기 전기 아크의 풋 포인트들은 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상에 위치하며,
ii) 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션의 바로 직후 다운스트림에 위치한 상기 제2 반응기 섹션은,
· 제1 서브섹션과 제2 서브섹션 - 상기 제2 서브섹션은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 제1 서브섹션의 바로 직후 다운스트림에 위치함 -, 및
· 상기 반응기로부터 성분들을 회수하기 위한 배출구 수단 - 상기 배출구 수단은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 제2 반응기 섹션의 말단에 위치함 -
을 포함하되,
· 상기 제1 서브섹션은 가스를 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입시키기 위한 적어도 하나의 제2 공급 라인을 포함하고, 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 따른 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 위치는 상기 제2 반응기 섹션과 그것의 상기 제1 서브섹션의 초입부를 정의하고,
C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션 내로 유입시키기 위한 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스가 상기 반응기 내로 유입됨;
c) 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션 내에서 확장되는 전기 아크를 상기 애노드 및 캐소드로 발생시키는 단계;
d) 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션에서 상기 전기 아크를 이용하여, C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 상기 플라즈마 섹션 내로 유입시키기 위한 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 플라즈마 섹션 내로 유입된 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스로부터 플라즈마성 플라즈마 가스를 형성하는 단계;
e) 가스를 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입시키기 위한 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 C1- 내지 C4-알칸 및 아세틸렌을 포함하는 가스 혼합물을 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션 내로 유입시키는 단계, 여기서
· 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸 및 아세틸렌을 포함하는 가스 혼합물이 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 애노드 및 캐소드에 의해 발생되는 상기 전기 아크의 풋 포인트들의 다운스트림에서 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되도록 함으로써, 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸 및 아세틸렌을 포함하는 가스 혼합물로부터 혼합물이 형성되되 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 다운스트림에 있는 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션에 형성될 수 있도록, 상기 가스 혼합물 유입이 수행되고,
f) 상기 제2 반응기 섹션을 통해 상기 혼합물을 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 다운스트림으로 이동시키는 단계, 여기서
· 상기 제2 반응기 섹션 내의 상기 혼합물에서 그리고 바람직하게는 상기 플라즈마 섹션에서 일어나는 반응들에 의해 수소와 고체 탄소가 생성됨; 및
g) 상기 반응기로부터 상기 혼합물을 회수하기 위한 배출구 수단을 통해 상기 반응기의 상기 말단에서 상기 혼합물을 회수하는 단계 - 상기 배출구 수단은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 제2 반응기 섹션의 말단에 위치하고, 바람직하게는, 상기 회수되는 혼합물은 0.01 내지 4 vol.%의 범위, 바람직하게는 0.1 내지 1 vol.%의 범위의 아세틸렌을 포함함 -.
구현예 2: 수소 및 고체 탄소 생산을 위한 구현예 1에 따른 방법으로서, 상기 방법은 연속적으로 실행되며 다음의 단계들을 더 포함한다.
상기 반응기 내에 형성된 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 적어도 하나의 디바이스를 이용하여, 상기 배출구 수단을 통해 회수된 상기 혼합물을 처리하는 단계 h) - 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스는 상기 혼합물의 상기 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 농축시키기 위하여 상기 혼합물의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)으로부터 기체 성분을 분리하고, 고체 성분 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 농축된 농도의 고체 탄소(바람직하게는, 카본 블랙)를 포함하는 스트림 및 고체 성분 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 감소된 농도의 고체 성분 및 상기 혼합물의 기체 성분을 포함하는 스트림을 얻기 위해 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스는 상기 반응기의 배출구 수단과 유체 연통함 -; 및
고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 및 상기 혼합물의 기체 성분을 포함하는 상기 스트림을, 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 및 상기 혼합물의 기체 성분을 포함하는 상기 스트림부터 수소를 농축하기 위한 적어도 하나의 디바이스로 처리하는 단계 i) -수소 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스는, 수소 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 농축된 농도의 수소를 포함하는 스트림 및 수소 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 감소된 농도의 수소 및 아세틸렌(바람직하게는, 수소 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 농축된 농도의 아세틸렌)을 포함하는 스트림을 얻기 위해, 수소를 다른 기체 성분들로부터 분리함 -; 및
수소 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 감소된 농도의 수소 및 아세틸렌(바람직하게는, 수소 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 농축된 농도의 아세틸렌)을 포함하는 스트림 또는 적어도 그 일부를, 단계 e)에서 C1- 내지 C4-알칸 및 아세틸렌을 포함하는 가스 혼합물을 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션 내로 유입시키기 위해 이용되는 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인으로 유입시키는 단계 j).
구현예 3: 수소 및 고체 탄소 생산을 위한 구현예 1 또는 2에 따른 방법으로서, C1- 내지 C4-알칸 및 아세틸렌을 포함하는 단계 e)의 가스 혼합물의 아세틸렌 농도는 2 vol.% 이상, 바람직하게는 4 vol.% 이상, 더욱 바람직하게는 6 vol.% 이상, 가장 바람직하게는 vol.% 이상의 아세틸렌이다.
구현예 4: 수소 및 고체 탄소 생산을 위한 구현예 1 내지 3 중 어느 하나에 따른 방법으로서, 상기 방법은 첨부된 청구항들 및 본 설명에 기술된 방법의 특징들을 더 포함한다.
구현예 5: 열 플라즈마를 이용하여 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 수소 및 고체 탄소를 생산하기 위한 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는 전기 아크를 이용하여 열 플라즈마를 발생시키는 적어도 하나의 반응기를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 반응기는 플라즈마 섹션 및 제2 반응기 섹션을 포함하고,
i) 상기 플라즈마 섹션은,
· 전기 아크를 발생시키기 위한 애노드 및 캐소드 - 상기 아크는 상기 플라즈마 섹션 내에서 확장됨 -, 및
· C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션 내로 유입시키기 위한 적어도 하나의 제1 공급 라인
을 포함하되,
· 상기 애노드는 상기 플라즈마 가스의 메인 스트림의 흐름 방향을 따른 중공 채널 - 상기 중공 채널은 내표면을 가짐 -, 상기 플라즈마 가스의 메인 스트림의 흐름 방향으로의 배출구 - 상기 배출구는 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로의 상기 애노드의 개방단을 형성함 -, 및 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 받아들이기 위한 적어도 하나의 유입구 - 상기 유입구는 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단을 형성함 -을 포함하고, 상기 애노드는 상기 플라즈마 가스가 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단과 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로의 상기 애노드의 개방단을 통해 상기 중공 채널을 따라 흐를 수 있도록 구성되고, 상기 플라즈마 가스는 상기 애노드를 통과할 때 상기 애노드의 중공 채널의 내표면에 접촉하고,
· 상기 애노드와 상기 캐소드는 이들에 의해 발생되는 상기 아크가 상기 플라즈마 섹션 내에 형성됨으로써 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 플라즈마 섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스로부터 플라즈마성 플라즈마 가스가 상기 플라즈마 섹션 내에 형성될 수 있도록 배열되고, 상기 애노드와 접촉하는 상기 전기 아크의 풋 포인트들은 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상에 위치하며,
ii) 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션의 바로 직후 다운스트림에 위치한 상기 제2 반응기 섹션은,
· 제1 서브섹션과 제2 서브섹션 - 상기 제2 서브섹션은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 제1 서브섹션의 바로 직후 다운스트림에 위치함 -, 및
· 상기 반응기로부터 성분들을 회수하기 위한 배출구 수단 - 상기 배출구 수단은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 제2 반응기 섹션의 말단에 위치함 -
을 포함하되,
· 상기 제1 서브섹션은 C1- 내지 C4-알칸 및 아세틸렌을 포함하는 가스 혼합물을 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입시키기 위한 적어도 하나의 제2 공급 라인을 포함하되, 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 따른 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 위치는 상기 제2 반응기 섹션 및 그 제1 서브섹션의 초입부를 정의하고,
· 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 반응기 내로 유입되는 C1- 내지 C4-알칸 및 아세틸렌을 포함하는 상기 가스 혼합물이 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 전기 아크의 풋 포인트들의 다운스트림 위치에서 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되도록 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인이 배열됨으로써, 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 C1- 내지 C4-알칸 및 아세틸렌을 포함하는 상기 가스 혼합물로부터 혼합물이 형성되되 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 다운스트림에 있는 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션에 형성될 수 있고, C1- 내지 C4-알칸 및 아세틸렌을 포함하는 상기 가스 혼합물을 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입시키기 위한 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인은 아세틸렌-함유 가스 공급 장치와 유체 연통한다.
구현예 6: 열 플라즈마를 이용하여 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 수소 및 고체 탄소를 생산하기 위한 구현예 5에 따른 장치로서, C1- 내지 C4-알칸 및 아세틸렌을 포함하는 상기 가스 혼합물을 유입시키기 위한 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인은 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스 공급 장치와 유체 연통한다.
구현예 7: 열 플라즈마를 이용하여 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 수소 및 고체 탄소를 생산하기 위한 구현예 5 또는 6에 따른 장치로서, 상기 장치는:
iii) 상기 반응기 내에 형성된, 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 적어도 하나의 디바이스 - 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스는 상기 혼합물의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)으로부터 기체 성분을 분리함으로써 상기 혼합물의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 농축시키고, 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스는,
· 상기 반응기의 상기 배출구 수단과 유체 연통하고,
· 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 농축된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 스트림을 위한 적어도 하나의 배출구를 갖고,
· 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)과 상기 혼합물의 기체 성분을 포함하는 스트림을 위한 적어도 하나의 배출구를 가짐 -; 및
iv) 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)과 상기 혼합물의 기체 성분을 포함하는 상기 스트림으로부터 수소를 농축시키기 위한 적어도 하나의 디바이스 - 수소 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스는,
· 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 스트림을 위한, 상기 혼합물의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스의 상기 배출구와 유체 연통하고,
· 수소 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 상기 스트림에 비해 농축된 농도의 수소 및, 바람직하게는, 감소된 농도의 아세틸렌을 포함하는 스트림을 위한 적어도 하나의 배출구를 갖고,
· 수소 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 상기 스트림에 비해 감소된 농도의 수소 및 아세틸렌[바람직하게는, 수소 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 상기 스트림에 비해 농축된 농도의 아세틸렌]을 포함하는 스트림을 위한 적어도 하나의 배출구를 갖고, 이 스트림 또는 그 일부는 C1- 내지 C4-알칸 및 아세틸렌을 포함하는 상기 가스 혼합물을 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션 내로 유입시키기 위한 상기 반응기의 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인으로 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 유입구를 통해 유입됨 -
을 포함한다.
구현예 8: 열 플라즈마를 이용하여 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 수소 및 고체 탄소를 생산하기 위한 구현예 7에 따른 장치로서, 상기 장치는 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 상기 스트림에 비해 감소된 농도의 수소와 함께 아세틸렌을 포함하는 상기 스트림의 아세틸렌 농도 농축을 위한 디바이스를 포함하고, 이 디바이스는,
· 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 고체 성분을 포함하는 상기 스트림에 비해 감소된 농도의 수소 및 아세틸렌을 포함하는 스트림을 위한 수소 농축용 상기 디바이스의 상기 배출구에 유체 연통하는 아세틸렌-함유 가스용 유입구를 갖고,
· 아세틸렌 농축을 위한 상기 디바이스의 상기 유입구로 유입되는 상기 스트림에 비해 감소된 아세틸렌 농도를 갖는 스트림을 위한 배출구를 가지며,
· 상기 유입구로 유입되는 상기 스트림에 비해 농축된 아세틸렌 농도를 갖는 스트림을 위한 배출구를 갖는데, 이 배출구는 C1- 내지 C4-알칸 및 아세틸렌을 포함하는 가스 혼합물을 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션 내로 유입시키기 위한 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 유입구와 유체 연통한다.
구현예 9: 수소 및 고체 탄소 생산을 위한 구현예 5 내지 8 중 어느 하나에 따른 방법으로서, 상기 장치는 첨부된 청구항들 및 본 설명에 기술된 장치의 특징들을 더 포함한다.
구현예 10: 구현예 1 내지 4 중 어느 하나에 설명된 방법에 있어서 구현예 5 내지 9 중 어느 하나에 설명된 반응기의 용도.
일부 구현예들에서는, 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 상기 스트림에 비해 감소된 농도의 수소 및 아세틸렌을 포함하는 스트림으로부터의 아세틸렌-함유 가스를 위한 저장 탱크가 있다.
또한, 상기 장치는, 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 상기 스트림에 비해 감소된 농도의 수소 및 아세틸렌을 포함하는 상기 스트림의 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 유입구로의 유량을 제어하는 제어부를 포함할 수 있는데, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인은 C1- 내지 C4-알칸 및 아세틸렌을 포함하는 가스 혼합물을 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션 내로 유입시키기 위한 것이다. 일부 구현예들에서, 상기 제어부는 선정되는 경계 조건들[예를 들어, 전기료(전기료가 비싸면 더 많은 아세틸렌이 상기 반응기로 공급됨)]에 따라 또는 공정 단계에 따라 상기 유량을 제어한다. 예를 들어, 시작 단계(온도를 높이기 위하여 더 많은 에너지가 필요한 때)에서, 더 높은 유량이 선택된다. 다른 공정 단계들에서는 더 낮은 유량들이 선택될 수 있다. 필요하다면, 상기 제2 공급 라인을 통해 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션 내로 유입되는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스의 유량, 상기 플라즈마 가스의 유량, 또는 특정 전기 에너지와 같은 다른 파라미터들 역시도 그에 따라 조정된다. 이것은 이 관점의 방법에도 역시 적용되고, 따라서 상기 방법은, 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 상기 스트림에 비해 감소된 농도의 수소 및 아세틸렌을 포함하는 상기 스트림 또는 그 일부의 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 유입구로의 유량을 제어하는 단계를 포함할 수 있는데, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인은 C1- 내지 C4-알칸 및 아세틸렌을 포함하는 가스 혼합물을 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션 내로 유입시키기 위한 것이다. 이러한 유량 제어는 상술한 제어부에 의해 실행된다.
아세틸렌 농축을 위한 장치는 예를 들어 흡수 컬럼(absorption column)과 탈착 컬럼(desorption column)을 포함하지만 이것으로 한정되지는 않다. 상기 흡수 컬럼에서는 상기 가스 스트림으로부터 아세틸렌이 씻겨 나오고, 상기 탈착 컬럼은 스크러빙 매체(scrubbing medium)를 회수하고 이전에 흡수된 아세틸렌을 더 높은 농도로 방출한다.
첨부된 청구항들에서 정의된 본 발명 및 독립된 측면이 아래의 실시예들 및 도면들에 의해 비제한적 방식으로 더욱 예시된다.
실시예들
도면 부호들은 다음과 같은 의미를 갖는다:
10: 본 발명의 장치
15: 열 플라즈마 반응기
20: 반응기의 플라즈마 섹션
21: 전기 아크
22: 애노드의 중공 채널의 내표면이 전기 아크를 향하는 최상위 업스트림 위치에서 시작하여 반응기의 플라즈마 섹션의 말단까지이며, 기준 체적을 정의하는, 플라즈마 섹션 체적의 일부
23: 메인 스트림의 흐름 방향
24: 메인 스트림의 흐름 방향에서, 메인 스트림의 흐름 방향을 향하는 캐소드 말단(캐소드의 하부 말단)과 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 애노드의 말단(애노드의 상부 말단) 사이의 갭
30: 제2 반응기 섹션
31: 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션
32: 제2 반응기 섹션의 제2 서브섹션
33: 제2 반응기 섹션의 배출구 수단
40: 캐소드(금속계 및 수냉식)
50: 애노드(금속계 및 수냉식)
60: 제1 공급 라인
70: 제2 공급 라인
71: 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면이 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들의 영역 범위에서의 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 더 큰, 메인 스트림의 흐름 방향에서의 최상위 업스트림 지점
72: 배출구142를 제2 공급 라인(70)에 연결하는 라인 144를 위한 유입구
80: 제3 공급 라인
90: C1- 내지 C4-알칸-함유 가스 공급 장치 (천연 가스 공급)
100: 전기 절연체
110: 플라즈마 섹션 내로 유입되기 전의 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스의 소용돌이를 유도하는 디바이스
120: 열 교환기
130: 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 디바이스
131: 디바이스 130의 유입구
132: 농축된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 갖는 스트림을 위한 배출구
133: 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 갖는 스트림을 위한 배출구
140: 수소 농축을 위한 디바이스
141: 디바이스 140의 유입구
142: 아세틸렌 및 감소된 농도의 수소를 포함하는 스트림을 위한 배출구
143: 농축된 농도의 수소를 갖는 스트림을 위한 배출구
144: 아세틸렌 및 감소된 농도의 수소를 갖는 스트림을 위한 배출구를 제2 공급 라인(70)에 연결하는 라인
145: 라인 144의 분지(branch)
점선 화살표는 상이한 가스 흐름들의 흐름을 예시하기 위한 것이다. 예를 들어, 공급 라인 60으로부터 연장된 화살표는 애노드(50)와 캐소드(40) 사이의 갭으로의 플라즈마 가스 흐름을 예시한다. 제2 공급 라인(70)과 제3 공급 라인(80) 그리고 그에 대응하는 점선 화살표들도 마찬가지이다. 점선 화살표 23은 반응기를 통과하는 메인 스트림의 흐름을 예시한다. 도 1 및 도 2로부터 명백해지는 바와 같이, 상기 제2 및 제3 공급 라인들을 통해 유입되는 가스는 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르도록 주입된다.
도 1은 천연 가스로부터 수소 및 고체 탄소를 생산하기 위한 본 발명의 장치(10)의 일 구현예를 보여준다. 상기 장치(10)는 전기 아크를 이용하여 열 플라즈마를 발생시기는 반응기(15)를 포함한다. 상기 장치는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스 공급 장치(천연 가스 공급)(90), 열 교환기(120), 고체 성분 농축 디바이스(130), 및 수소 농축 디바이스(140)를 더 포함한다. C1- 내지 C4-알칸-함유 가스(여기에서는, 천연 가스) 공급 수단(90)은 천연 가스를 상기 반응기로 제공한다. 예시적인 천연 가스 조성은 다음의 조성을 갖는다: 약 98 vol.%의 메탄, 1 vol.%의 또 다른 알칸(에탄, 프로판, 부탄, 펜탄) 및 1 vol.%의 비활성 기체로 구성된 Natural gas 
(CIS 국가들).
상기 반응기(15)는 플라즈마 섹션(20) 및 제2 반응기 섹션(30)을 포함하는데, 상기 제2 반응기 섹션(30)은 메인 스트림(23)의 흐름 방향에서 상기 반응기의 플라즈마 섹션 직후에 위치한다. 상기 플라즈마 섹션(20)은 전기 아크를 발생시키기 위한 애노드(50) 및 캐소드(40)를 포함하는데, 상기 아크는 상기 플라즈마 섹션 내에서 확장되며, 플라즈마 섹션 내로 유입되기 전의 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스의 소용돌이를 유도하는 디바이스(110)에 유도되는 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스의 소용돌이에 의해 상기 아크가 그 축을 중심으로 회전한다. 또한, 상기 플라즈마 섹션은 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 상기 반응기의 플라즈마 섹션 내로 유입시키기 위한 적어도 하나의 제1 공급 라인(60)을 포함한다. 상기 캐소드(40)는 원통형이며, 상기 플라즈마 섹션에서 상기 메인 스트림(23)의 흐름 방향을 따라 연장되는 주축(main axis)을 갖는 중공 채널을 갖는다.
상기 애노드는 원통형이며, 상기 플라즈마 가스의 메인 스트림의 흐름 방향을 따른 중공 채널을 갖는다. 상기 중공 채널은 내표면을 갖는다. 또한, 상기 채널은 상기 플라즈마 가스의 메인 스트림의 흐름 방향으로 배출구를 갖는데, 이것은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 애노드의 개방단을 형성한다. 그리고, 상기 채널은 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 반응기의 플라즈마 섹션 내로 유입되는 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스(여기에서는, 천연 가스)를 받아들이기 위한 적어도 하나의 유입구를 갖는데, 이것은 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단을 형성한다. 상기 애노드는 상기 플라즈마 가스가 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단과 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로의 상기 애노드의 개방단을 통해 상기 중공 채널을 따라 흐를 수 있도록 구성되고, 상기 플라즈마 가스는 상기 애노드를 통과할 때 상기 애노드의 중공 채널의 내표면에 접촉한다.
상기 애노드와 캐소드는 동심이다(concentric). 상기 캐소드의 중공 채널은 두 개의 서로 반대 측 말단들을 갖는데, 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 말단은 폐쇄되어 있고, 상기 플라즈마 가스의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 향하는 말단은 개방되어 있으며 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단의 업스트림에 동심으로 위치한다. 상기 캐소드는 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단의 업스트림에 위치하며, 상기 애노드와 캐소드는 상기 전기 아크(21)의 풋 포인트들이 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 및 상기 캐소드의 중공 채널의 내표면과 각각 접촉하도록 배열된다. 이를 통해, 발생된 상기 전기 아크가 상기 플라즈마 섹션에 형성됨으로써, 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 플라즈마 섹션 내로 유입되는 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스로부터 플라즈마성 플라즈마 가스가 상기 플라즈마 섹션 내에 형성된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 애노드와 상기 캐소드는 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 향하는 상기 캐소드의 말단(상기 캐소드의 하부 말단)과 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 말단(상기 애노드의 상부 말단) 사이에 상기 메인 스트림의 방향으로 갭(24)이 존재하도록 배열된다. 상기 갭(24)의 길이는 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 애노드의 중공 채널의 평균 내경(average inner diameter)의 바람직하게는 0.3배 이상, 더욱 바람직하게는 0.5배 이상이다. 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인은, 상기 플라즈마 섹션 내로 유입되기 전의 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스의 소용돌이를 유도하는 디바이스(110)를 통해 상기 플라즈마 가스가 상기 반응기의 플라즈마 섹션 내로 유입될 때 상기 애노드와 캐소드 사이의 상기 수직 갭을 통해 상기 중공의 캐소드 및 애노드의 체적들 내로 공급될 수 있도록 배열된다.
상기 제2 반응기 섹션(30)은 제1 서브섹션(31)과 제2 서브섹션(32)을 포함하는데, 상기 제2 서브 섹션은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 제1 서브섹션의 바로 직후 다운스트림에 위치한다. 또한, 상기 제2 반응기 섹션은 상기 반응기로부터 성분들을 회수하기 위한 배출구 수단(33)을 포함하는데, 상기 배출구 수단은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 제2 반응기 섹션의 말단에 위치한다. 상기 제1 서브섹션은 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입시키기 위한 적어도 하나의 제2 공급 라인(70)을 포함하는데, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인은 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 반응기 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 전기 아크의 풋 포인트들의 다운스트림 위치에서 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르도록 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되도록 배열된다. 따라서, 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 혼합물이 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션에 형성된다. 또한, 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션은, 적어도 한 지점에서, 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 큰 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면을 포함한다.
지점 71의 바로 직전 업스트립에 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면의 급속 확장부가 존재하는데, 이것은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에 대해 약 90°의 열림각(opening angle)을 갖는다. 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들로부터 지점 71의 바로 직전 업스트립의 상기 확장부까지의 영역 범위에서는 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 흐름 단면이 본질적으로 동일하게 유지된다. 상기 급속 확장부는 상기 성분들이 상기 제2 반응기 섹션을 통과할 때, 특히 상기 급속 확장부 바로 뒤에서, 상기 성분들의 역혼합 및 맴돌이(vortices)를 유발한다. 그 결과, 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 혼합물의 원자들의 체류 시간 분포가 넓어진다. 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 원자들의 5% 이상은 상기 제2 반응기 섹션 내 체류 시간이 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 모든 원자들의 상기 제2 반응기 섹션 내 평균 체류 시간으로부터 절대 수(absolute numbers)로 5% 이상 편차가 있고, 바람직하게는, 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 원자들의 10% 이상은 상기 제2 반응기 섹션 내 체류 시간이 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 모든 원자들의 상기 제2 반응기 섹션 내 평균 체류 시간으로부터 절대 수로 10% 이상 편차가 있으며, 더욱 바람직하게는, 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 모든 원자들의 상기 제2 반응기 섹션 내 평균 체류 시간으로부터 15% 이상, 더더욱 바람직하게는 20% 이상 편차가 있다.
도 1에서, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인(70)은, 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서, 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면이 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들의 영역 범위에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 큰 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서의 최상위 업스트림 지점(71)의 업스트림에 있다. 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인(70)은 상기 제2 반응기 섹션(30)과 그것의 제1 서브섹션(31)의 초입부를 정의한다.
상기 애노드(50)의 중공 채널의 내표면이 전기 아크(21)를 향해 있는 최상위 업스트림 위치에서부터 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션의 말단까지의 상기 플라즈마 섹션의 체적은 0.0001 내지 0.4 m3의 범위, 바람직하게는 0.001 내지 0.2 m3의 범위의 체적이고, 기준 체적(22)을 정의한다. 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션(31)의 체적은 상기 기준 체적의 10 내지 200 배의 범위, 바람직하게는 상기 기준 체적의 20 내지 100 배의 범위이다. 상기 제2 반응기 섹션의 총 체적은 상기 기준 체적의 20 내지 2000 배의 범위, 바람직하게는 상기 기준 체적의 40 내지 1000 배의 범위이다. 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되는 위치에서 상기 플라즈마성 프라즈마 가스가 1200 내지 3000 ℃ 범위, 바람직하게는 1500 내지 3000 ℃ 범위의 평균 온도를 갖고 아세틸렌을 포함하며, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되어 형성되는 혼합물이 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인으로부터 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션의 말단까지의 영역 범위에서 850℃ 이상, 바람직하게는 1050℃ 이상, 그리고 3000℃ 미만의 평균 온도를 갖도록, 상기 제2 반응기 섹션이 구성된다.
또한, 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 유입된 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스의 혼합 및 이들의 반응으로부터 얻어지는 상기 혼합물의 상기 제2 반응기 섹션의 제2 서브섹션에서의 평균 온도가 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 따른 어떤 지점에서도 650℃ 이상, 바람직하게는 750℃ 이상, 더욱 바람직하게는 850℃ 이상, 그리고 1500℃ 미만이고, 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 유입된 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스의 혼합 및 이들의 반응으로부터 얻어지는 상기 혼합물의 상기 제2 반응기 섹션의 말단에서의 평균 온도가 200K 이상, 바람직하게는 400K 이상, 더욱 바람직하게는 600K 이상이되 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되는 위치에서의 상기 플라즈마성 플라즈마 가스의 평균 온도보다는 낮도록, 상기 제2 반응기 섹션이 구성된다.
이 실시예에서, 상기 반응기(15)는 추가의 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스(천연 가스)를 상기 혼합물로 유입시키기 위한 적어도 하나의 제3 공급 라인(80)을 포함한다. 이러한 제2 및 제3 공급 라인들의 캐스케이드식(cascade-like) 배열은 상기 메인 흐름의 경로를 따른 온도 제어를 향상시킨다.
마침내, 상기 혼합물은 배출구 수단(33)을 통해 상기 반응기(15)로 회수된다. 상기 배출구 수단(33)을 통해 상기 반응기로부터 회수되는 상기 혼합물은 0.01 내지 4 vol.%의 범위, 바람직하게는 0.1 내지 1 vol.%의 범위의 아세틸렌을 포함한다. 이 실시예에서, 상기 반응기의 배출구 수단(33)은 공급 라인들(60, 70, 80)을 통해 상기 반응기로 유입되는 가스를 예열하는데 사용되는 열 교환기(120)에 연결된다. 상기 반응기 내로 유입되는 가스의 예열은 전체 전기 에너지 비용을 줄이고 반응기 생산 용량을 향상시킨다.
상기 배출구 수단(33)을 통해 회수되어 열 교환기(120)를 통과한 상기 혼합물은 상기 혼합물의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축을 위한 디바이스(130) 내로 유입구(131)를 통해 유입된다. 상기 디바이스(130)는 고온 사이클론일 수 있다. 이 디바이스는 상기 혼합물의 고체 성분을 농축시키기 위하여 상기 혼합물의 고체 성분으로부터 기체 성분을 분리한다. 상기 디바이스(130)는 상기 반응기의 배출구 수단(33)과 유체 연통한다. 상기 디바이스(130)는 상기 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축용 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 농축된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 스트림을 방출하기 위한 배출구(132) 및 상기 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축용 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 및 상기 혼합물의 기체 성분을 포함하는 스트림을 위한 배출구(133)를 갖는다. 상기 반응기에서 생성되는 고체 성분의 적어도 일부(바람직하게는, 카본 블랙)는 상기 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙) 농축용 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 농축된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 스트림과 함께 배출구(132)를 통해 빠져나오게 된다.
배출구(133)는 상기 혼합물의 기체 성분 및 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 스트림으로부터 수소를 농축시키기 위한 디바이스(140)와 유체 연통한다. 이 디바이스는 유입구(141)를 통해 상기 디바이스로 유입되는 상기 스트림의 수소 함량을 증가시킨다. 또한, 상기 디바이스는 농축된 농도의 수소를 포함하는 스트림을 위한 배출구(143) 및 상기 수소 농축용 디바이스로 유입되는 상기 혼합물의 기체 성분 및 감소된 농도의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 상기 스트림에 비해 감소된 농도의 수소를 포함하는 스트림을 위한 배출구(142)를 갖는다. 배출구 143에서 회수되는 스트림은 수소 저장 용기(미도시)로 공급될 수 있다. 배출구 142를 빠져나오는 스트림은 배출구 143에서 회수되는 스트림에 비해 증가된 농도의 아세틸렌을 포함하고 라인(144)을 통해 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인(70) 내로 공급된다. 배출구 143에서 회수되는 스트림은 저장 용기(미도시)로 공급될 수 있다. 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션 내로 공급되는 아세틸렌은, 아세틸렌 분해로 인한 열 방출을 통해, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인에 의해 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입되는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 더욱 빨리 가열될 수 있도록 한다. 또한, 전체 전기 에너지 소비가 감소될 수 있다.
도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 반응기는 액체 매체를 상기 제2 반응기 섹션 내로 공급하여 상기 혼합물을 급랭시키는 수단을 포함하지 않는다. 상기 제2 반응기 섹션에서 급랭 단계를 수행하지 않고 그에 상응하여 더 높은 온도에서 상기 혼합물을 회수함으로써 상기 공급 가스의 보다 효율적이 예열이 가능해지고 수소 및 고체 탄소 생산의 전체 에너지 밸런스가 향상될 수 있다.
도 2는 본 발명의 대안적 구현예를 보여준다. 이것은, 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면이 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 전기 아크의 풋 포인트들의 영역 범위에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 더 큰 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서의 최상위 업스트림 지점(71)이 상기 제2 반응기 섹션의 초입부의 업스트림에 존재한다는 점에서 도1에 도시된 구현예와 상이하다.
열 플라즈마를 이용하여 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 수소 및 고체 탄소를 생산하기 위한 본 발명의 방법은 상술한 장치(10)를 이용하여 실행될 수 있다. 상기 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
a) C1- 내지 C4-알칸-함유 가스 공급 장치(90)로부터 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 빼내는 단계; 및
b) C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 빼내기 위한 상기 장치(90)로부터 빼내진 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 적어도 제1 반응기(15) 내로 유입시키는 단계 - 상기 반응기는 전기 아크를 이용하여 열 플라즈마를 발생시키는 반응기이고, 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스는 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 상기 반응기(15)의 플라즈마 섹션(20) 내로 유입시키기 위한 적어도 하나의 제1 공급 라인(60)을 통해 상기 반응기 내로 유입됨 -;
및
c) 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션(20) 내에서 확장되는 전기 아크(21)를 애노드(50) 및 캐소드(40)로 발생시키는 단계 - 상기 전기 아크의 풋 포인트들은 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 및 상기 캐소드의 중공 채널의 내표면에 각각 접촉함. 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인(60)을 통해 상기 플라즈마 섹션 내로 유입되기 전의 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스의 소용돌이를 유도하는 디바이스(110)를 통해 전기 아크 회전이 유발됨. 상기 전기 아크의 회전축은 메인 스트림(23)의 흐름방향으로 배향되어 있음. 상기 전기 아크의 그 축을 중심으로 한 회전 주파수는 0.1 s-1 이상, 더욱 바람직하게는 0.2 s-1 이상, 더더욱 바람직하게는 0.5 s-1 이상임 -; 및
d) 상기 반응기의 플라즈마 섹션(20)에서 상기 전기 아크(21)를 이용하여, C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 상기 플라즈마 섹션(20) 내로 유입시키기 위한 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인(60)을 통해 상기 플라즈마 섹션 내로 유입된 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스로부터 플라즈마성 플라즈마 가스를 형성하는 단계; 및
e) C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입시키기 위한 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인(70)을 통해 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션(30)의 상기 제1 서브섹션(31) 내로 유입시키는 단계 - 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 따른 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 위치는 상기 제2 반응기 섹션 및 그것의 제1 서브섹션의 초입부를 정의하고, 여기서,
· 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 상기 메인 스트림(23)의 흐름 방향에서 상기 애노드와 캐소드에 의해 발생되는 상기 전기 아크(21)의 풋 포인트들의 다운스트림에서 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 횡방향으로 유입되도록 함으로써, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 다운스트림에 있는 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션에 혼합물이 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인(70)을 통해 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성될 수 있도록, 상기 유입이 수행되고,
· 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인(70)을 통해 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되는 위치에서 상기 플라즈마성 플라즈마 가스가 1200 내지 3000 ℃ 범위의 평균 온도를 갖고 아세틸렌을 포함함으로써, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되어 형성되는 혼합물이 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인(70)으로부터 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션의 말단까지의 영역 범위에서 850℃ 이상, 바람직하게는 1050℃ 이상, 그리고 3000℃ 미만의 평균 온도를 가짐 -; 및
f) 상기 제2 반응기 섹션을 통해 상기 혼합물을 상기 메인 스트림(23)의 흐름 방향에서 다운스트림으로 이동시키는 단계 - 여기서,
· 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 원자들의 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션(31) 내 평균 체류 시간이 100ms 내지 2000ms의 범위, 바람직하게는 200ms 내지 1000ms의 범위가 되도록 상기 이동이 이루어지고,
· 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 원자들의 상기 제2 반응기 섹션(30) 전체 내 평균 체류 시간이 200ms 내지 20000ms의 범위, 바람직하게는 400ms 내지 10000ms의 범위가 되도록 상기 이동이 이루어지고,
· 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 원자들의 5% 이상은 상기 제2 반응기 섹션 내 체류 시간이 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 모든 원자들의 상기 제2 반응기 섹션 내 평균 체류 시간으로부터 절대 수(absolute numbers)로 5% 이상 편차가 있고, 바람직하게는, 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 원자들의 10% 이상은 상기 제2 반응기 섹션 내 체류 시간이 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 모든 원자들의 상기 제2 반응기 섹션 내 평균 체류 시간으로부터 절대 수로 10% 이상 편차가 있고, 더욱 바람직하게는, 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 모든 원자들의 상기 제2 반응기 섹션 내 평균 체류 시간으로부터 15% 이상, 더더욱 바람직하게는 20% 이상 편차가 있고,
· 상기 제2 반응기 섹션 내의 상기 혼합물에서 그리고 바람직하게는 상기 플라즈마 섹션에서도 일어나는 반응들에 의해 수소가 생성됨 -; 및
g) 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제2 서브섹션 내의 상기 혼합물의 상기 평균 온도를 650℃ 이상, 바람직하게는 750℃ 이상, 더욱 바람직하게는 850℃ 이상, 그리고 1500℃ 미만으로 조절하는 단계 - 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 유입된 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스의 상기 혼합물의 상기 제2 반응기 섹션의 말단에서의 평균 온도는 200K 이상, 바람직하게는 400K 이상, 더욱 바람직하게는 600K 이상의 평균 온도로 조절되되 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되는 위치에서의 상기 플라즈마성 플라즈마 가스의 평균 온도보다는 낮은 평균 온도로 조절됨 -; 및
h) 상기 반응기로부터 상기 혼합물을 회수하기 위한 배출구 수단(33)을 통해 상기 반응기의 말단에서 상기 혼합물을 회수하고 상기 혼합물을 열 교환기(120)를 통과시키는 단계 - 상기 배출구 수단(33)은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 제2 반응기 섹션의 말단에 위치함 -; 및
i) 농축된 농도의 상기 혼합물의 고체 성분(특히, 카본 블랙)을 포함하는 스트림 및 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 상기 혼합물의 고체 성분(특히, 카본 블랙)을 포함하는 스트림을 발생시키기 위하여, 상기 열 교환기(120)를 빠져나오는 상기 혼합물을 상기 혼합물의 고체 성분(특히, 카본 블랙) 농축용 디바이스(130)로 처리하는 단계; 및
j) 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 상기 혼합물의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 상기 스트림에 비해 농축된 농도의 수소를 갖는 스트림을 발생시키기 위한 적어도 하나의 디바이스를 이용하여 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 상기 혼합물의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 상기 스트림을 처리하는 단계 - 농축된 농도의 수소를 갖는 상기 스트림은 배출구 143에서 회수되고, 배출구 142에서 회수되는 스트림은 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 상기 혼합물의 고체 성분(바람직하게는, 카본 블랙)을 포함하는 상기 스트림에 비해 감소된 농도의 수소를 포함함. 스트림 142는 스트림 143 대비 농축된 농도의 아세틸렌을 포함함 -.
공급 장치(90)로부터의 스트림을 유입구들(60, 70, 80)을 통해 상기 반응기로 유입시키기 전에 가열하기 위하여 상기 열 교환기(120)가 이용된다. 디바이스 130은 상기 반응기에서의 반응을 통해 형성되는 고체 탄소(바람직하게는, 카본 블랙)의 농축을 위해 이용된다. 또한, 디바이스 140은 혼합물의 수소를 농축시키기 위해 이용된다. 농축된 농도의 수소를 포함하는 스트림은 배출구 143을 통해 회수되어 저장 용기로 공급될 수 있다. 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 상기 혼합물의 고체 성분을 포함하는 스트림에 비해 감소된 농도의 수소를 포함하며 배출구 142를 통해 회수되는 스트림은 아세틸렌을 포함하며, 바람직하게는 유입구(141)로 유입되는 스트림에 비해 증가된 농도의 아세틸렌을 포함한다. 배출구 142를 통해 회수되며 아세틸렌을 포함하는 스트림은 라인(144)을 통해 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인(70)의 유입구(72)로 공급될 수 있다. 또 다른 바람직한 구현예에서는, 배출구 142를 통해 회수되는 스트림이, 상기 유입구(72)와 유체 연통하는 아세틸렌 농도 농축용 디바이스(미도시)로 라인(144)을 통해 공급된다. 상기 아세틸렌 농도 농축용 디바이스는 상기 유입구(72)와 유체 연통하는 상기 디바이스의 공급 스트림 대비 증가된 농도의 아세틸렌을 포함하는 스트림을 위한 배출구를 갖는다. 이 스트림은 상기 유입구(72)를 통해 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인(70) 내로 공급될 수 있다.
여기에 설명된 장치 및 방법의 또 다른 구현예에서는, 상기 열 교환기(120)와 분리 디바이스(130) 사이에 추가 열 교환기(도1 및 도 2 어디에도 도시되어 있지 않음)가 배치되어 스팀 발생을 위해 이용된다.
어떤 구현예들에서는, 열 교환기(120)가, 배출구(33)를 통해 회수된 혼합물로부터의 열을 라인(144)을 통해 유입구(72)로 전달되는 스트림으로 전달함으로써 상기 스트림이 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인(70)을 통해 상기 제2 반응기 섹션의 제1 서브섹션 내로 유입되는 스트림으로 주입되기 전에 가열될 수 있도록 연결된다.
또한, 상술한 장치는 본 발명의 방법, 특히 상술한 방법의 공정을 위해 사용될 수 있다.
Claims (17)
- 열 플라즈마를 이용하여 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 수소 및 고체 탄소를 생산하기 위한 장치에 있어서,
상기 장치는 전기 아크를 이용하여 열 플라즈마를 발생시키는 적어도 하나의 반응기를 포함하는 것을 특징으로 하고,
상기 반응기는 플라즈마 섹션 및 제2 반응기 섹션을 포함하고,
i) 상기 플라즈마 섹션은,
· 전기 아크를 발생시키기 위한 애노드 및 캐소드 - 상기 아크는 상기 플라즈마 섹션 내에서 확장됨 -, 및
· C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션 내로 유입시키기 위한 적어도 하나의 제1 공급 라인
을 포함하되,
· 상기 애노드는 상기 플라즈마 가스의 메인 스트림의 흐름 방향을 따른 중공 채널(hollow channel) - 상기 중공 채널은 내표면을 가짐 -, 상기 플라즈마 가스의 메인 스트림의 흐름 방향으로의 배출구(outlet) - 상기 배출구는 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로의 상기 애노드의 개방단을 형성함 -, 및 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 받아들이기 위한 적어도 하나의 유입구(inlet) - 상기 유입구는 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단을 형성함 -을 포함하고, 상기 애노드는 상기 플라즈마 가스가 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단과 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로의 상기 애노드의 개방단을 통해 상기 중공 채널을 따라 흐를 수 있도록 구성되고, 상기 플라즈마 가스는 상기 애노드를 통과할 때 상기 애노드의 중공 채널의 내표면에 접촉하고,
· 상기 애노드와 상기 캐소드는 이들에 의해 발생되는 상기 아크가 상기 플라즈마 섹션 내에 형성됨으로써 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 플라즈마 섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스로부터 플라즈마성 플라즈마 가스(plasmaeous plasma gas)가 상기 플라즈마 섹션 내에 형성될 수 있도록 배열되고, 상기 애노드와 접촉하는 상기 전기 아크의 풋 포인트들(foot points)은 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상에 위치하며,
ii) 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션의 바로 직후 다운스트림에 위치한 상기 제2 반응기 섹션은,
· 제1 서브섹션(subsection)과 제2 서브섹션 - 상기 제2 서브섹션은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 제1 서브섹션의 바로 직후 다운스트림에 위치함 -, 및
· 상기 반응기로부터 성분들(components)을 회수하기 위한 배출구 수단(outlet means) - 상기 배출구 수단은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 제2 반응기 섹션의 말단에 위치함 -
을 포함하되,
· 상기 제1 서브섹션은 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입시키기 위한 적어도 하나의 제2 공급 라인을 포함하고,
· 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 반응기 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 전기 아크의 풋 포인트들의 다운스트림 위치에서 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되도록 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인이 배열됨으로써, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 다운스트림에 있는 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션에 혼합물(mixture)이 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성될 수 있고,
· 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 따른 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 위치는 상기 제2 반응기 섹션과 그것의 상기 제1 서브섹션의 초입부(beginning)를 정의하고,
· 상기 애노드의 중공 채널의 내표면이 상기 전기 아크를 향해 있는 최상위 업스트림 위치에서부터 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션의 말단까지의 상기 플라즈마 섹션의 체적(volume)은 0.0001 내지 0.4 m3의 범위, 바람직하게는 0.001 내지 0.2 m3의 범위의 체적이고, 기준 체적(reference volume)을 정의하고,
· 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션의 체적은 상기 기준 체적의 10 내지 200 배의 범위, 바람직하게는 상기 기준 체적의 20 내지 100 배의 범위이고,
· 상기 제2 반응기 섹션의 총 체적은 상기 기준 체적의 20 내지 2000 배의 범위, 바람직하게는 상기 기준 체적의 40 내지 1000 배의 범위이며,
· 상기 반응기는, 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 상기 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 큰 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면을 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션 내에 및/또는 상기 플라즈마 섹션 내에 적어도 한 지점에서 포함하되, 상기 플라즈마 섹션 내에 포함할 경우에는, 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 상기 전기 아크의 풋 포인트들의 다운스트림으로서 상기 플라즈마 섹션의 말단까지의 영역 범위 내에 포함하는,
수소 및 고체 탄소를 생산하기 위한 장치. - 제1항에 있어서,
상기 장치는 상기 반응기 내에 형성된, 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙의 농축을 위한 적어도 하나의 디바이스를 더 포함하고,
고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙의 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스는 상기 혼합물의 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙으로부터 기체 성분을 분리함으로써 상기 혼합물의 상기 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙을 농축시키고,
고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙의 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스는,
· 상기 반응기의 상기 배출구 수단과 유체 연통하고,
· 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙의 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 농축된 농도의 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙을 포함하는 스트림을 위한 적어도 하나의 배출구를 갖고,
· 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙의 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 감소된 농도의 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙과 상기 혼합물의 기체 성분을 포함하는 스트림을 위한 적어도 하나의 배출구를 갖는,
수소 및 고체 탄소를 생산하기 위한 장치. - 제2항에 있어서,
상기 장치는 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙의 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 감소된 농도의 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙과 상기 혼합물의 기체 성분을 포함하는 상기 스트림으로부터 수소를 농축시키기 위한 적어도 하나의 디바이스를 더 포함하고,
수소 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스는,
· 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙을 포함하는 스트림을 위한, 상기 혼합물의 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙의 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스의 상기 배출구와 유체 연통하고,
· 수소 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙을 포함하는 상기 스트림에 비해 농축된 농도의 수소를 포함하는 스트림을 위한 적어도 하나의 배출구를 갖고,
· 수소 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙을 포함하는 상기 스트림에 비해 감소된 농도의 수소를 포함하는 스트림을 위한 적어도 하나의 배출구를 갖는,
수소 및 고체 탄소를 생산하기 위한 장치. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
· 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 상기 전기 아크의 풋 포인트들과 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 최상위 업스트림 지점 사이에, 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 흐름 단면의 급속 확장부가 하나 이상 존재하고 - 상기 최상위 업스트림 지점에서 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 흐름 단면은 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 상기 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 더 크고, 상기 급속 확장부는 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로 상기 메인 스트림의 축에 대해 20° 이상, 바람직하게는 45° 이상, 더욱 바람직하게는 75° 이상의 열림각(opening angle)을 가짐 -; 그리고/또는
· 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 상기 전기 아크의 풋 포인트들로부터 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 최상위 업스트림 지점까지의 영역 범위에서 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 흐름 단면은, 어느 지점에서도, 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 상기 전기 아크의 풋 포인트들에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 평균 흐름 단면 대비 60% 이상, 바람직하게는 80% 이상, 더욱 바람직하게는 90% 이상인 - 상기 최상위 업스트림 지점에서 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 흐름 단면은 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 상기 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 더 큼 -,
수소 및 고체 탄소를 생산하기 위한 장치. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
· 상기 반응기는 상기 애노드 또는 상기 애노드의 일부를 상기 반응기의 나머지 부분과 탈착 가능하게 연결하는 수단, 바람직하게는 두 개의 별개 수단들을 포함하고, 바람직하게는, 상기 두 개의 별개 수단들 중 하나는 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 상기 전기 아크의 풋 포인트들의 업스트림에 위치하고 상기 두 개의 별개 수단들 중 다른 하나는 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 상기 전기 아크의 풋 포인트들의 다운스트림에 위치하고, 바람직하게는, 상기 애노드 또는 상기 애노드의 일부를 상기 반응기의 나머지 부분과 탈착 가능하게 연결하는 수단은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 업스트림에 위치하고, 더욱 바람직하게는, 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 상기 전기 아크의 풋 포인트들의 다운스트림에 위치한 탈착 수단이, 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서, 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 흐름 단면이 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 상기 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 더 큰 상기 최상위 업스트림 지점의 업스트림에 있고, 더더욱 바람직하게는, 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 흐름 단면의 상기 급속 확장부의 업스트림에 있고; 그리고/또는
· 대응하는 상기 애노드와 캐소드는 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로 적어도 부분적으로도 중첩하지 않고; 그리고/또는
· 상기 애노드 및/또는 캐소드는, 바람직하게는 액랭식(liquid cooling), 더욱 바람직하게는 수냉식(water cooling)으로 냉각되는 냉각 전극인,
수소 및 고체 탄소를 생산하기 위한 장치. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
· 상기 애노드와 캐소드는 동심이며(concentric), 상기 캐소드는 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 따라 연장된 주축(main axis)을 갖는 중공 채널을 갖고, 상기 중공 채널은 두 개의 서로 반대 측 말단들을 갖고, 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 말단은 폐쇄되어 있고, 상기 플라즈마 가스의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 향하는 말단은 개방되어 있고 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단의 업스트림에 위치하고 상기 애노드의 개방단과 동심이며, 상기 애노드와 캐소드는 상기 전기 아크의 풋 포인트들이 상기 캐소드의 중공 채널의 내표면 및 상기 애노드의 중공 채널의 내표면과 각각 접촉하도록 배열되고, 바람직하게는, 상기 애노드와 상기 캐소드는 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 향하는 상기 캐소드의 말단과 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 말단 사이에 상기 메인 스트림의 방향으로 갭(gap)이 존재하도록 배열되고, 상기 갭의 길이는 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 상기 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 애노드의 중공 채널의 평균 내경(average inner diameter)의 바람직하게는 0.3배 이상, 더욱 바람직하게는 0.5배 이상이며, 바람직하게는, 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인은 상기 플라즈마 가스가 상기 애노드와 캐소드 사이의 상기 갭을 통해 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션 내로 유입될 수 있도록 배열되는,
수소 및 고체 탄소를 생산하기 위한 장치. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
· 상기 적어도 하나의 반응기는 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인이 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입시키되 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르도록 유입시킬 수 있게 구성되고; 그리고/또는
· 상기 적어도 하나의 반응기는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입시키기 위한 적어도 하나의 제3 공급 라인을 갖고, C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 유입시키기 위한 상기 적어도 하나의 제3 공급 라인은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입시키기 위한 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 다운스트림에 배치되고, 바람직하게는, 상기 적어도 하나의 제3 공급 라인의 위치가 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제2 서브섹션의 초입부(beginning)를 정의하고; 그리고/또는
· 상기 제2 반응기 섹션은 상기 혼합물의 난류(turbulence) 및/또는 역혼합(backmixing)을 유도하기 위한 적어도 하나의 디바이스를 포함하고, 바람직하게는, 상기 적어도 하나의 디바이스는 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 다운스트림에 위치하고, 바람직하게는, 상기 혼합물의 난류 및/또는 역혼합을 유도하기 위한 상기 적어도 하나의 디바이스는 수동 그리드(passive grid), 정적 혼합기(static mixer), 상기 반응기의 굽힘부(bend), 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택되고, 바람직하게는, 상기 반응기의 상기 굽힘부는 상기 혼합물의 흐름 방향이 상기 메인 스트림의 흐름 방향에 대해 80° 이상, 바람직하게는 135° 이상 변경되도록 유도하는,
수소 및 고체 탄소를 생산하기 위한 장치. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
· 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 원자들의 5% 이상은 상기 제2 반응기 섹션 내 체류 시간이 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 모든 원자들의 상기 제2 반응기 섹션 내 평균 체류 시간으로부터 절대 수(absolute numbers)로 5% 이상 편차가 있고, 바람직하게는, 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 원자들의 10% 이상은 상기 제2 반응기 섹션 내 체류 시간이 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 모든 원자들의 상기 제2 반응기 섹션 내 평균 체류 시간으로부터 절대 수로 10% 이상 편차가 있고, 더욱 바람직하게는, 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 모든 원자들의 상기 제2 반응기 섹션 내 평균 체류 시간으로부터 15% 이상, 더더욱 바람직하게는 20% 이상 편차가 있는,
수소 및 고체 탄소를 생산하기 위한 장치. - 열 플라즈마를 이용하여 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 수소 및 고체 탄소를 생산하기 위한 방법에 있어서,
a) C1- 내지 C4-알칸-함유 가스 공급 장치로부터 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 빼내는 단계;
b) C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 빼내기 위한 상기 장치로부터 빼내진 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 적어도 제1 반응기 내로 유입시키는 단계;
여기서, 상기 반응기는 전기 아크를 이용하여 열 플라즈마를 발생시키는 반응기이고, 상기 반응기는 플라즈마 섹션 및 제2 반응기 섹션을 포함하고,
i) 상기 플라즈마 섹션은,
· 전기 아크를 발생시키기 위한 애노드 및 캐소드 - 상기 아크는 상기 플라즈마 섹션 내에서 확장됨 -, 및
· C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션 내로 유입시키기 위한 적어도 하나의 제1 공급 라인
을 포함하되,
· 상기 애노드는 상기 플라즈마 가스의 메인 스트림의 흐름 방향을 따른 중공 채널 - 상기 중공 채널은 내표면을 가짐 -, 상기 플라즈마 가스의 메인 스트림의 흐름 방향으로의 배출구 - 상기 배출구는 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로의 상기 애노드의 개방단을 형성함 -, 및 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 받아들이기 위한 적어도 하나의 유입구 - 상기 유입구는 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단을 형성함 -을 포함하고, 상기 애노드는 상기 플라즈마 가스가 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단과 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로의 상기 애노드의 개방단을 통해 상기 중공 채널을 따라 흐를 수 있도록 구성되고, 상기 플라즈마 가스는 상기 애노드를 통과할 때 상기 애노드의 중공 채널의 내표면에 접촉하고,
· 상기 애노드와 상기 캐소드는 이들에 의해 발생되는 상기 아크가 상기 플라즈마 섹션 내에 형성됨으로써 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 플라즈마 섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스로부터 플라즈마성 플라즈마 가스가 상기 플라즈마 섹션 내에 형성될 수 있도록 배열되고, 상기 애노드와 접촉하는 상기 전기 아크의 풋 포인트들은 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상에 위치하며,
ii) 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션의 바로 직후 다운스트림에 위치한 상기 제2 반응기 섹션은,
· 제1 서브섹션과 제2 서브섹션 - 상기 제2 서브섹션은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 제1 서브섹션의 바로 직후 다운스트림에 위치함 -, 및
· 상기 반응기로부터 성분들을 회수하기 위한 배출구 수단 - 상기 배출구 수단은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 제2 반응기 섹션의 말단에 위치함 -
을 포함하되,
· 상기 제1 서브섹션은 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입시키기 위한 적어도 하나의 제2 공급 라인을 포함하고, 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 따른 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 위치는 상기 제2 반응기 섹션과 그것의 상기 제1 서브섹션의 초입부를 정의하고,
C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션 내로 유입시키기 위한 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스가 상기 반응기 내로 유입됨;
c) 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션 내에서 확장되는 전기 아크를 상기 애노드 및 캐소드로 발생시키는 단계;
d) 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션에서 상기 전기 아크를 이용하여, C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 상기 플라즈마 섹션 내로 유입시키기 위한 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 플라즈마 섹션 내로 유입된 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스로부터 플라즈마성 플라즈마 가스를 형성하는 단계;
e) C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입시키기 위한 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션 내로 유입시키는 단계, 여기서
· 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 애노드 및 캐소드에 의해 발생되는 상기 전기 아크의 풋 포인트들의 다운스트림에서 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되도록 함으로써, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 다운스트림에 있는 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션에 혼합물이 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성될 수 있도록, 상기 유입이 수행되고,
· 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되는 위치에서 상기 플라즈마성 플라즈마 가스가 1200 내지 3000 ℃ 범위의 평균 온도를 갖고 아세틸렌을 포함함으로써, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되어 형성되는 혼합물이 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인으로부터 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션의 말단까지의 영역 범위에서 850℃ 이상, 바람직하게는 1050℃ 이상, 그리고 3000℃ 미만의 평균 온도를 가짐;
f) 상기 제2 반응기 섹션을 통해 상기 혼합물을 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 다운스트림으로 이동시키는 단계, 여기서
· 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 원자들의 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션 내 평균 체류 시간이 100ms 내지 2000ms의 범위, 바람직하게는 200ms 내지 1000ms의 범위가 되도록 상기 이동이 이루어지고,
· 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 원자들의 상기 제2 반응기 섹션 전체 내 평균 체류 시간이 200ms 내지 20000ms의 범위, 바람직하게는 400ms 내지 10000ms의 범위가 되도록 상기 이동이 이루어지고,
· 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 원자들의 5% 이상은 상기 제2 반응기 섹션 내 체류 시간이 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 모든 원자들의 상기 제2 반응기 섹션 내 평균 체류 시간으로부터 절대 수(absolute numbers)로 5% 이상 편차가 있고, 바람직하게는, 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 원자들의 10% 이상은 상기 제2 반응기 섹션 내 체류 시간이 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 모든 원자들의 상기 제2 반응기 섹션 내 평균 체류 시간으로부터 절대 수로 10% 이상 편차가 있고, 더욱 바람직하게는, 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 모든 원자들의 상기 제2 반응기 섹션 내 평균 체류 시간으로부터 15% 이상, 더더욱 바람직하게는 20% 이상 편차가 있고,
· 상기 제2 반응기 섹션 내의 상기 혼합물에서 그리고 바람직하게는 상기 플라즈마 섹션에서 일어나는 반응들에 의해 수소와 고체 탄소가 생성됨;
g) 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제2 서브섹션 내의 상기 혼합물의 상기 평균 온도를 650℃ 이상, 바람직하게는 750℃ 이상, 더욱 바람직하게는 850℃ 이상, 그리고 1500℃ 미만으로 조절하는 단계 - 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 유입된 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스의 상기 혼합물의 상기 제2 반응기 섹션의 말단에서의 평균 온도는 200K 이상, 바람직하게는 400K 이상, 더욱 바람직하게는 600K 이상의 평균 온도로 조절되되 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되는 위치에서의 상기 플라즈마성 플라즈마 가스의 평균 온도보다는 낮은 평균 온도로 조절됨 -; 및
h) 상기 반응기로부터 상기 혼합물을 회수하기 위한 배출구 수단을 통해 상기 반응기의 상기 말단에서 상기 혼합물을 회수하는 단계 - 상기 배출구 수단은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 제2 반응기 섹션의 말단에 위치함 -
를 포함하는,
방법. - 제9항에 있어서,
· 상기 방법은 i) 농축된 농도의 상기 혼합물의 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙을 포함하는 스트림 및 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 상기 혼합물의 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙을 포함하는 스트림을 발생시키기 위하여, 상기 배출구 수단을 통해 회수된 상기 혼합물을 상기 혼합물의 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙의 농축을 위한 적어도 하나의 디바이스로 처리하는 단계를 더 포함하고;
· 상기 i) 단계는, 바람직하게는, 상기 반응기 내에 형성된, 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙의 농축을 위한 적어도 하나의 디바이스에서 수행되고, 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙의 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스는 상기 혼합물의 상기 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙을 농축시키기 위하여 상기 혼합물의 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙으로부터 기체 성분을 분리하는데 이용되고, 고체 성분의 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스는,
· 상기 반응기의 상기 배출구 수단과 유체 연통하고,
· 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙의 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 농축된 농도의 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙을 포함하는 스트림을 위한 적어도 하나의 배출구를 갖고,
· 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙의 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 감소된 농도의 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙과 상기 혼합물의 기체 성분을 포함하는 스트림을 위한 적어도 하나의 배출구를 갖고; 그리고/또는
· 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성되는 상기 혼합물의 원자들의, 상기 제2 반응기 섹션의 초입부(beginning)로부터 상기 혼합물의 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙의 농축을 위한 상기 디바이스를 포함하는 곳까지의 영역 범위 내 평균 체류 시간이 200ms 내지 20000ms의 범위인,
방법. - 제10항에 있어서,
상기 방법은 j) 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 상기 혼합물의 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙을 포함하는 상기 스트림에 비해 농축된 농도의 수소를 갖는 스트림을 발생시키기 위한 적어도 하나의 디바이스를 이용하여 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 상기 혼합물의 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙을 포함하는 상기 스트림을 처리하는 단계를 더 포함하되,
· 상기 j) 단계는, 바람직하게는, 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙의 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물에 비해 감소된 농도의 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙과 상기 혼합물의 기체 성분을 포함하는 상기 스트림으로부터 수소를 농축시키기 위한 적어도 하나의 디바이스에서 수행되고, 수소 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스는,
· 상기 혼합물의 감소된 농도의 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙을 포함하는 스트림을 위한, 상기 혼합물의 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙의 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스의 상기 적어도 하나의 배출구와 유체 연통하고,
· 수소 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 상기 혼합물의 기체 성분과 감소된 농도의 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙을 포함하는 상기 스트림에 비해 농축된 농도의 수소를 포함하는 스트림을 위한 적어도 하나의 배출구를 갖고,
· 수소 농축을 위한 상기 적어도 하나의 디바이스로 유입되는 감소된 농도의 고체 성분, 바람직하게는 카본 블랙을 포함하는 상기 스트림에 비해 감소된 농도의 수소 및 상기 혼합물의 기체 성분을 포함하는 스트림을 위한 적어도 하나의 배출구를 갖는,
방법. - 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
· 상기 반응기는, 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 상기 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 큰 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면을 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션 내에 및/또는 상기 플라즈마 섹션 내에 적어도 한 지점에서 포함하되, 상기 플라즈마 섹션 내에 포함할 경우에는 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 상기 전기 아크의 풋 포인트들의 다운스트림으로서 상기 플라즈마 섹션의 말단까지의 영역 범위 내에 포함하고, 바람직하게는, 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면이 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 상기 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 더 큰 상기 최상위 업스트림 지점의 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서의 바로 직전 업스트림에서의 압력은 0.5 내지 30 bar overpressure 범위인,
방법. - 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
· 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스는 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르도록 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되고; 그리고/또는
· C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입시키는 적어도 제3 유입이 수행되되, 상기 제3 유입은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입시키기 위한 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 다운스트림에 배치된 적어도 하나의 제3 공급 라인을 통해 수행되고, 바람직하게는, 상기 적어도 하나의 제3 공급 라인의 위치가 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제2 서브섹션의 초입부를 정의하는,
방법. - 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
· 수소 및/또는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스에 분산되어 있는 고체 탄소, 바람직하게는 카본 블랙, 바람직하게는 제10항 또는 제11항에 따른 방법에 따라 생성되고 분리된 카본 블랙으로부터 유래된 일부 카본 블랙이 상기 제2 반응기 섹션 내로 직접 유입되거나 또는, 바람직하게는, C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션 내로 유입시기키 위한 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인 내로 유입됨으로써 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입되고, 상기 고체 탄소-함유 가스 스트림, 바람직하게는 카본 블랙-함유 가스 스트림은 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입되는 시점 직전 또는 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션 내로 유입시기키 위한 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인 내로 유입되는 시점 직전 각각에서 1 g/mN 3 내지 100 g/mN 3 범위의 고체 탄소, 바람직하게는 카본 블랙의 농도를 갖고, 바람직하게는, C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스 스트림의 유량(flow rate)과 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스 스트림의 유량의 합에 대한, 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입되는 시점 직전 또는 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인 내로 유입되는 시점 직전 각각에서의 상기 고체 탄소-함유 가스 스트림, 바람직하게는 카본 블랙-함유 가스 스트림의 유량의 비(ratio)가 mN 3/h 단위에서 0.01% 내지 10%, 바람직하게는 0.1% 내지 5%의 범위이고; 그리고/또는
· 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되는 위치에서 상기 플라즈마성 플라즈마 가스는 2 vol.% 이상, 바람직하게는 4 vol.% 이상, 더욱 바람직하게는 6 vol.% 이상, 더더욱 바람직하게는 8 vol.% 이상의 아세틸렌을 포함하고; 그리고/또는
· 상기 애노드 및 캐소드에 의해 발생되는 상기 전기 아크는 상기 캐소드로부터 상기 애노드로 뻗는 축(axis)을 중심으로 회전하고, 바람직하게는, 마그네틱 디바이스 또는 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 플라즈마 섹션 내로 유입되기 전의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스에 소용돌이(swirling)를 유도하는 디바이스로 구성된 그룹으로부터 선택되는 수단에 의해 상기 전기 아크의 회전이 야기되고, 바람직하게는, 상기 전기 아크는 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로 배향된 축을 중심으로 회전하며, 바람직하게는, 상기 전기 아크는 0.1 s-1 이상, 더욱 바람직하게는 0.2 s-1 이상, 더더욱 바람직하게는 0.5 s-1 이상의 주파수로 회전하는,
방법. - 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
· 상기 혼합물에서의 추가적 난류(turbulence) 및/또는 역혼합(backmixing)이 상기 제2 반응기 섹션에서 유도되고, 특히 상기 혼합물에서의 상기 추가적 난류는 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 다운스트림에서 유도되되 특히 수동 그리드(passive grid), 정적 혼합기(static mixer), 상기 반응기의 굽힘부(bend), 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 상기 혼합물의 난류 및/또는 역혼합을 유도하기 위한 적어도 하나의 디바이스를 이용하여 유도되는,
방법. - 제9항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
· 상기 적어도 제1 반응기의 상기 애노드와 캐소드는 동심이며(concentric), 상기 캐소드는 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 따라 연장된 주축(main axis)을 갖는 중공 채널을 갖고, 상기 중공 채널은 두 개의 서로 반대 측 말단들을 갖고, 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 말단은 폐쇄되어 있고, 상기 플라즈마 가스의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 향하는 말단은 개방되어 있고 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단의 업스트림에 위치하고 상기 애노드의 개방단과 동심이며, 상기 애노드와 캐소드는 상기 전기 아크의 풋 포인트들이 상기 애소드의 중공 채널의 내표면 및 상기 캐노드의 중공 채널의 내표면과 각각 접촉하도록 배열되어 있고, 바람직하게는, 상기 애노드와 상기 캐소드는 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 향하는 상기 캐소드의 말단과 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 말단 사이에 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로 갭이 존재하도록 배열되고, 상기 갭의 길이는 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 상기 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 애노드의 중공 채널의 평균 내경의 바람직하게는 0.3배 이상, 더욱 바람직하게는 0.5배 이상이며, 바람직하게는, 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인은 상기 플라즈마 가스가 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션 내로 유입될 때 상기 애노드와 캐소드 사이의 상기 갭으로 유입될 수 있도록 배열되고; 그리고/또는
· 상기 플라즈마 가스의 및/또는 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스는 메탄을 포함하는 가스 또는 천연 가스(natural gas)인,
방법. - 열 플라즈마를 이용하여 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 수소 및 고체 탄소를 생산하는 제9항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 방법에서의 사용을 위한 장치의 용도에 있어서,
상기 장치가 전기 아크를 이용하여 열 플라즈마를 발생시키는 적어도 하나의 반응기를 포함하는 것을 특징으로 하고,
상기 반응기는 플라즈마 섹션 및 제2 반응기 섹션을 포함하고,
i) 상기 플라즈마 섹션은,
· 전기 아크를 발생시키기 위한 애노드 및 캐소드 - 상기 아크는 상기 플라즈마 섹션 내에서 확장됨 -, 및
· C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션 내로 유입시키기 위한 적어도 하나의 제1 공급 라인
을 포함하되,
· 상기 애노드는 상기 플라즈마 가스의 메인 스트림의 흐름 방향을 따른 중공 채널(hollow channel) - 상기 중공 채널은 내표면을 가짐 -, 상기 플라즈마 가스의 메인 스트림의 흐름 방향으로의 배출구(outlet) - 상기 배출구는 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로의 상기 애노드의 개방단을 형성함 -, 및 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스를 받아들이기 위한 적어도 하나의 유입구(inlet) - 상기 유입구는 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단을 형성함 -을 포함하고, 상기 애노드는 상기 플라즈마 가스가 상기 메인 스트림의 흐름 방향의 반대 방향을 향하는 상기 애노드의 개방단과 상기 메인 스트림의 흐름 방향으로의 상기 애노드의 개방단을 통해 상기 중공 채널을 따라 흐를 수 있도록 구성되고, 상기 플라즈마 가스는 상기 애노드를 통과할 때 상기 애노드의 중공 채널의 내표면에 접촉하고,
· 상기 애노드와 상기 캐소드는 이들에 의해 발생되는 상기 아크가 상기 플라즈마 섹션 내에 형성됨으로써 상기 적어도 하나의 제1 공급 라인을 통해 상기 플라즈마 섹션 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 플라즈마 가스로부터 플라즈마성 플라즈마 가스(plasmaeous plasma gas)가 상기 플라즈마 섹션 내에 형성될 수 있도록 배열되고, 상기 애노드와 접촉하는 상기 전기 아크의 풋 포인트들(foot points)은 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상에 위치하며,
ii) 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션의 바로 직후 다운스트림에 위치한 상기 제2 반응기 섹션은,
· 제1 서브섹션(subsection)과 제2 서브섹션 - 상기 제2 서브섹션은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 제1 서브섹션의 바로 직후 다운스트림에 위치함 -, 및
· 상기 반응기로부터 성분들(components)을 회수하기 위한 배출구 수단(outlet means) - 상기 배출구 수단은 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 제2 반응기 섹션의 말단에 위치함 -
을 포함하되,
· 상기 제1 서브섹션은 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스를 상기 제2 반응기 섹션 내로 유입시키기 위한 적어도 하나의 제2 공급 라인을 포함하고,
· 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인을 통해 상기 반응기 내로 유입되는 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스가 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 전기 아크의 풋 포인트들의 다운스트림 위치에서 상기 플라즈마성 플라즈마 가스로 유입되도록 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인이 배열됨으로써, 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 다운스트림에 있는 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션에 혼합물(mixture)이 상기 플라즈마 섹션을 빠져나오는 상기 플라즈마성 플라즈마 가스와 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 상기 C1- 내지 C4-알칸-함유 가스로부터 형성될 수 있고,
· 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 따른 상기 적어도 하나의 제2 공급 라인의 위치는 상기 제2 반응기 섹션과 그것의 상기 제1 서브섹션의 초입부(beginning)를 정의하고,
· 상기 애노드의 중공 채널의 내표면이 상기 전기 아크를 향해 있는 최상위 업스트림 위치에서부터 상기 반응기의 상기 플라즈마 섹션의 말단까지의 상기 플라즈마 섹션의 체적(volume)은 0.0001 내지 0.4 m3의 범위, 바람직하게는 0.001 내지 0.2 m3의 범위의 체적이고, 기준 체적(reference volume)을 정의하고,
· 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션의 체적은 상기 기준 체적의 10 내지 200 배의 범위, 바람직하게는 상기 기준 체적의 20 내지 100 배의 범위이고,
· 상기 제2 반응기 섹션의 총 체적은 상기 기준 체적의 20 내지 2000 배의 범위, 바람직하게는 상기 기준 체적의 40 내지 1000 배의 범위이며,
· 상기 반응기는, 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 상기 전기 아크의 풋 포인트들 영역 범위에서의 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 상기 애노드의 평균 흐름 단면에 비해 5배 이상, 바람직하게는 10배 이상 큰 상기 메인 스트림의 흐름 방향을 가로지르는 흐름 단면을 상기 제2 반응기 섹션의 상기 제1 서브섹션 내에 및/또는 상기 플라즈마 섹션 내에 적어도 한 지점에서 포함하되, 상기 플라즈마 섹션 내에 포함할 경우에는, 상기 메인 스트림의 흐름 방향에서 상기 애노드의 중공 채널의 내표면 상의 상기 전기 아크의 풋 포인트들의 다운스트림으로서 상기 플라즈마 섹션의 말단까지의 영역 범위 내에 포함하는,
장치의 용도.
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