KR20230136665A - 보조 반응 챔버를 갖는 플라즈마 챔버 - Google Patents
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Abstract
플라즈마 반응 시스템은 플라즈마 챔버 및 보조 반응 챔버를 포함할 수 있다. 플라즈마 챔버는 반응물 가스를 플라즈마 챔버 내에 도입하기 위한 플라즈마 챔버 입구, 반응물 가스들 사이의 화학 반응이 발생할 수 있는 내부 공간을 형성하는 플라즈마 챔버 벽, 플라즈마 챔버 내에서 생성되는 플라즈마, 플라즈마 챔버 내에서 생성되는 플라즈마를 향해 에너지를 유도하기 위한 도파관, 및 플라즈마 챔버로부터의 제1 출구 가스를 운반하기 위한 플라즈마 챔버 출구를 포함할 수 있다. 보조 반응 챔버는 플라즈마 챔버로부터 제1 출구 가스를 획득하도록 구성된 보조 반응 챔버 입구, 출구 가스들 사이의 제2 화학 반응이 발생할 수 있는 보조 반응 챔버의 내부 공간을 형성하는 보조 반응 챔버 벽, 및 보조 반응 챔버로부터의 제2 출구 가스를 운반하기 위한 보조 반응 챔버 출구를 포함할 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2021년 3월 12일자로 출원된 미국 특허 출원 제63/160,300호의 이익을 향유하고; 그 개시내용은 그 전체가 참조로 본원에 통합된다.
발명의 분야
본 개시내용은 일반적으로 플라즈마 챔버 및 하나 이상의 보조 반응 챔버를 갖는 플라즈마 반응 시스템에 관한 것이다.
가스 반응은 가스의 입구 및 출구 유동을 위해 구성된 가스 반응기의 반응기 챔버 내에서 수행될 수 있다. 가스의 입구 유동은 하나 이상의 가스 반응물을 포함할 수 있고, 출구 유동은 입구 유동 내에 포함된 가스 반응물에 기초하여 생성된 하나 이상의 가스 생성물을 포함할 수 있다. 일부 상황에서, 가스 반응은 반응 프로세스 중에 열을 생성하는 발열 반응일 수 있고, 반면에 다른 상황에서, 가스 반응은 반응 프로세스를 구동하기 위해 열 입력을 이용하는 흡열 반응일 수 있다. 따라서, 가스 반응이 발생하는 반응기 챔버는 가스 반응기의 동작 중에 고온에 도달할 수 있다.
본 개시내용에서 청구된 대상은 임의의 단점을 해결하는 또는 전술한 것과 같은 환경에서만 동작하는 실시예로 제한되지 않는다. 오히려, 이 배경기술은 단지 본 개시내용에 설명된 일부 실시예가 실시될 수도 있는 하나의 예시적인 기술 영역을 예시하기 위해 제공된다.
가스를 처리 또는 개질하기 위해 사용되는 플라즈마 시스템은 적어도 하나의 도파관, 하나 이상의 가스 입구 및 출구, 및 전형적으로 원통형이고 전자기파를 통과시키며 가스에 불투과성인 적어도 하나의 플라즈마 챔버를 포함할 수 있다. 가스가 플라즈마 챔버 내로 주입될 수 있고, 여기에서 가스는 에너지 공급원과 상호작용하여 플라즈마를 형성한다. 플라즈마 챔버에서 처리될 수 있는 가스의 양은 에너지 공급원의 파워에 의존할 수 있다. 구체적으로, 임계 값 위의 높은 유량은 플라즈마 챔버 내의 플라즈마가 소멸되거나 최적 미만의 모드로 동작하게 할 수 있다.
실시예의 양태에 따르면, 플라즈마 반응 시스템은 플라즈마 챔버 및 보조 반응 챔버를 포함할 수 있다. 플라즈마 챔버는 반응물 가스를 플라즈마 챔버 내에 도입하기 위한 플라즈마 챔버 입구, 반응물 가스들 사이의 화학 반응이 발생할 수 있는 내부 공간을 형성하는 플라즈마 챔버 벽, 플라즈마 챔버 내에서 생성되는 플라즈마, 플라즈마 챔버 내에서 생성되는 플라즈마를 향해 에너지를 유도하기 위한 도파관, 및 플라즈마 챔버로부터의 제1 출구 가스를 운반하기 위한 플라즈마 챔버 출구를 포함할 수 있다. 보조 반응 챔버는 플라즈마 챔버로부터 제1 출구 가스를 획득하도록 구성된 보조 반응 챔버 입구, 출구 가스들 사이의 제2 화학 반응이 발생할 수 있는 보조 반응 챔버의 내부 공간을 형성하는 보조 반응 챔버 벽, 및 보조 반응 챔버로부터의 제2 출구 가스를 운반하기 위한 보조 반응 챔버 출구를 포함할 수 있다.
실시예의 목적 및 장점은 적어도 청구항에 구체적으로 지적된 요소, 특징 및 조합에 의해 실현되고 성취될 것이다. 전술한 일반적인 설명 및 이하의 구체적인 설명 모두가 설명적인 것이고 청구된 바와 같은 본 발명을 제한하지 않는다는 것을 이해해야 한다.
예시적인 실시예가 첨부 도면을 통해 부가의 구체성 및 상세를 갖고 기재되고 설명될 것이다.
도 1은 본 개시내용의 적어도 하나의 실시예에 따른 플라즈마 챔버 및 보조 반응 챔버를 포함하는 플라즈마 반응 시스템의 예시적인 실시예의 도면이다.
도 2는 본 개시내용의 적어도 하나의 실시예에 따른 직렬로 연결된 2개의 보조 반응 챔버를 포함하는 플라즈마 반응 시스템의 예시적인 실시예의 도면이다.
도 3은 본 개시내용의 적어도 하나의 실시예에 따른 하나 이상의 보조 반응 챔버가 병렬로 연결된 4개의 보조 반응 챔버를 포함하는 플라즈마 반응 시스템의 예시적인 실시예의 도면이다.
도 1은 본 개시내용의 적어도 하나의 실시예에 따른 플라즈마 챔버 및 보조 반응 챔버를 포함하는 플라즈마 반응 시스템의 예시적인 실시예의 도면이다.
도 2는 본 개시내용의 적어도 하나의 실시예에 따른 직렬로 연결된 2개의 보조 반응 챔버를 포함하는 플라즈마 반응 시스템의 예시적인 실시예의 도면이다.
도 3은 본 개시내용의 적어도 하나의 실시예에 따른 하나 이상의 보조 반응 챔버가 병렬로 연결된 4개의 보조 반응 챔버를 포함하는 플라즈마 반응 시스템의 예시적인 실시예의 도면이다.
본 개시내용에 따른 플라즈마 반응 시스템은 플라즈마 반응 시스템에 포함된 플라즈마 챔버 후에 미반응 가스를 주입함으로써 가스의 처리 또는 개질(즉, 가스에 포함된 탄화수소의 분자 구조의 재배열)을 가능하게 할 수 있다. 플라즈마 챔버 후에 주입된 미반응 가스는 플라즈마 챔버로부터의 처리된 스트림에 포함된 "폐기" 잔류 에너지와 반응할 수 있다. 이는 플라즈마 챔버-후 스트림 내로 추가 가스 스트림을 도입하고 2개의 가스 스트림 사이의 혼합을 달성하도록 설계된 하나 이상의 입구에 의해 성취된다. 플라즈마 스트림-후의 개질이 발열성인 경우, 혼합된 스트림의 온도는 개질이 발생하기에 충분히 높을 수 있다.
혼합 후에, 보조 반응 챔버는 혼합-가스 스트림에서 개질이 발생하기에 충분한 체류 시간을 제공할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 보조 반응 챔버는 회생적으로 또는 외부적으로 냉각될 수 있다. 가스 스트림은 보조 반응 챔버를 떠나고, 가스의 추가 처리 또는 저장을 위해 파이프 또는 튜브 내로 유동한다.
이제 본 발명의 예시적인 실시예의 다양한 양태를 설명하기 위해 도면을 참조할 것이다. 도면은 이러한 예시적인 실시예의 도식적이고 개략적인 표현이고 본 발명을 제한하지 않으며 또한 반드시 축척대로 그려지지 않는다는 것을 이해해야 한다.
도 1은 본 개시내용의 적어도 하나의 실시예에 따른 플라즈마 챔버(120) 및 보조 반응 챔버(130)를 포함하는 플라즈마 반응 시스템(100)의 예시적인 실시예의 단면도를 도시한다. 플라즈마 챔버(120)는 제1 입구(110) 및 제2 입구(112)를 포함하는 임의의 개수의 입구를 포함할 수 있으며, 이를 통해 하나 이상의 가스(102)가 유동하여 플라즈마 챔버(120)에 들어갈 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 입구(110) 및 제2 입구(112)는 제1 입구(110)에 대응하는 가스 유동 및 제2 입구(112)에 대응하는 가스 유동이 플라즈마 챔버(120) 내에서의 가스(102)의 혼합 및 반응을 촉진하게 하는 플라즈마 챔버(120) 내에서의 순방향 및 역방향 와류 배치를 생성하도록 플라즈마 챔버(120)의 대향하는 또는 실질적으로 대향하는 측면 상에 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 입구(110) 및/또는 제2 입구(112)는 제1 입구(110)와 제2 입구(112) 사이에 다양한 와류 배치를 가지면서 플라즈마 챔버(120) 내로의 가스(102)의 유동을 촉진하기 위해 플라즈마 챔버(120)의 임의의 표면 또는 다른 부분을 따라 위치될 수 있고 임의의 방향으로 배향될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시되는 바와 같이, 제1 입구(110)는 가스(102)가 플라즈마 챔버(120)의 상단으로부터 들어가도록 플라즈마 챔버(120)의 상단 표면에 위치될 수 있고, 제2 입구(115a)는 가스(102)가 플라즈마 챔버(120)의 저부로부터 들어가도록 플라즈마 챔버(120)의 저부 표면에 위치될 수 있다. 다른 예로서, 제1 입구(110) 및 제2 입구(112)는 모두 플라즈마 챔버(120)의 측방향 표면을 따를 수 있고, 제1 입구(110) 및 제2 입구(112)는 서로에 대해 대향하거나 또는 실질적으로 대향하여 위치된다. 일부 실시예에서, 플라즈마 챔버(120)는 제1 입구(110) 또는 제2 입구(112) 중 하나를 포함한다.
하나 초과의 입구는 순방향 와류 배치(즉, 제1 입구(110)에 대응) 및/또는 역방향 와류 배치(즉, 제2 입구(112)에 대응)가 다수의 입구 포트를 포함하도록 특정 방향으로 배향될 수 있다. 도 1에 도시되는 바와 같이, 예를 들어, 역방향 와류 배치는 제2 입구(112) 및/또는 제2 입구(112)와 동일하거나 유사한 유동 방향으로 배향되는 제3 입구(114)를 통해 유동하는 가스(102)에 의해 형성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 순방향 와류 배치는 제1 입구(110)에 인접한 하나 이상의 입구 포트 같은 제1 입구(110)보다 많은 입구 포트를 포함할 수 있다. 이들 및 다른 실시예에서, 순방향 및/또는 역방향 와류 배치에 기여하는 다수의 입구 포트를 통해 플라즈마 챔버(120)에 들어가는 가스(102)는 동일한 방향으로 이동하는 단일 가스 스트림을 형성하도록 함께 혼합되거나 혼합되지 않을 수 있다. 도 1에 도시되는 바와 같이, 제2 입구(112) 및 제3 입구(114)를 통해 유동하는 가스(102)는 각각 가스 유동 스트림(104, 106)을 형성할 수 있고, 가스 유동 스트림(104, 106)은 예컨대 플라즈마 챔버(120)의 상단 표면에 의해 재지향된 후에 플라즈마 챔버(120) 내에서 혼합되는 별개의 스트림으로서 플라즈마 챔버(120)에 들어간다.
하나 이상의 챔버 벽(125)이 플라즈마 챔버(120)를 둘러싸고 플라즈마 챔버(120)의 내부 공간을 구획할 수 있으며, 이 내부 공간에서 플라즈마 챔버(120) 내로 유동하는 가스들 사이의 화학 반응이 발생할 수 있다. 일부 실시예에서, 챔버 벽(125)은 가스에 불투명하고, 플라즈마 챔버(120) 내에서 발생하는 화학 반응에 대해 불활성이고, 높은 용융 온도를 가지며, 및/또는 낮은 열팽창 계수를 포함할 수 있다. 예를 들어, 챔버 벽(125)은 석영, 질화붕소, 알루미늄, 세라믹, 탄화규소, 텅스텐, 몰리브덴, 임의의 다른 내화 재료, 또는 이들의 혼합물로 구성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 챔버 벽(125)은 하나 이상의 도파관(140)에 의해 유도되는 에너지가 플라즈마 챔버(120) 내부에 플라즈마(150)를 공급할 수 있게 하는 고주파-투명 재료로 이루어질 수 있다. 따라서, 마이크로파, 전기 또는 기타 공급원으로부터의 에너지는 도파관(140)에 의해 챔버 벽(125)을 통해서 유도되어 플라즈마(150) 및 플라즈마 챔버(120)를 위해 에너지를 공급할 수 있다.
이들 및 다른 실시예에서, 플라즈마 챔버(120)의 평균 온도는 일반적으로 대략 1,000 켈빈(K) 내지 대략 3,500 K의 범위일 수 있는 반면, 플라즈마(150)의 피크 온도는 대략 50,000 K 이상에 도달할 수 있다. 플라즈마 챔버(120) 내의(예를 들어, 플라즈마 챔버(120)의 중심의) 특정 위치에서의 온도는 일부 경우에 챔버 벽(125) 및/또는 도파관(140)의 용융점을 초과할 수 있다. 그러나, 가스(102)의 순방향 와류 배치 및/또는 역방향 와류 배치는 절연 효과를 제공할 수 있기 때문에, 챔버 벽(125) 및/또는 도파관(140)은 플라즈마 챔버(120)의 특정 위치에서의 온도가 그 용융점을 초과함에도 불구하고 그 각각의 용융점에 도달하지 않을 수 있다.
플라즈마 챔버(120) 내의 가스(102)는 천연 가스 개질, 탄화수소 생성, 반응물 연소, 또는 플라즈마(150)로부터의 열이 분자 결합을 파괴하고 및/또는 특정 화학 반응을 개시하기에 충분한 에너지를 제공할 수 있는 플라즈마 챔버(120)에 의해 제공되는 고온 반응 환경에서 촉진될 수 있는 임의의 다른 화학 반응과 관련된 화학 반응에 수반되는 반응물 가스를 포함할 수 있다. 출구 가스 스트림(160)은 플라즈마 챔버(120)에서 발생하는 화학 반응에 의해 형성된 화학 생성물 및 플라즈마 챔버(120)에 들어간 가스(102)에 포함된 미반응 반응물을 포함할 수 있다.
출구 가스 스트림(160)은 하나 이상의 보조 반응 챔버 가스 유동(162, 164)과 혼합되어 보조 반응 챔버 입구 유동(170)을 형성할 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 보조 반응 챔버 가스 유동(162, 164)은 플라즈마 챔버(120)에 주입된 가스(102)와 동일하거나 유사한 가스를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 보조 반응 챔버 가스 유동(162, 164)은 가스(102)에 존재하지 않은 반응물 및/또는 보조 반응 챔버(130)에서 하나 이상의 화학 반응의 발생을 촉진하는 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 관련된 화학 프로세스 또는 다른 플라즈마 반응기로부터의 폐기 가스 및/또는 액체가 폐기 가스 및/또는 액체의 폐기물 대 생성물 개질 비율(waste-to-product reformation ratio)을 증가시키기 위해 보조 반응 챔버 가스 유동(162, 164)에 포함될 수 있다. 또한, 폐기물 대 에너지 개질은 보조 반응 챔버 가스 유동(162, 164)에 폐기물을 포함시킴으로써 개선될 수 있다.
다른 예로서, 공기, 산소, 산화질소 등과 같은 산화제 가스가 보조 반응 챔버 가스 유동(162, 164)에 포함되어 특정 화학 반응을 구동하고 특정 화학 생성물의 생성을 촉진할 수 있다. 출구 가스 스트림(160) 및 다양한 다른 가스를 획득하는 보조 반응 챔버(130)를 포함함으로써, 하나 이상의 화학 반응물의 반응도가 증가되어 플라즈마 반응 시스템(100)의 효율을 증가시킬 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 플라즈마 반응 시스템(100)에 보조 반응 챔버(130)를 포함하는 것은 보조 반응 챔버(130)가 화학 반응물의 변환율을 증가시킬 수 있기 때문에 더 작은 플라즈마 챔버(120)를 허용할 수 있다. 이들 및 다른 실시예에서, 보조 반응 챔버 가스 유동(162, 164)은 보조 반응 챔버(130)에서 화학 반응이 일어나기 위한 가스 및/또는 액체를 제공하기 위해 플라즈마 챔버(120)를 빠져나가는 출구 가스 스트림(160)의 유량의 대략 50% 내지 대략 5000% 범위의 총 유량을 포함할 수 있다.
보조 반응 챔버 가스 유동(162, 164)은 하나 이상의 보조 반응 챔버 입구(134, 136)를 통해 유도되어 플라즈마 챔버(120)의 출구 가스 스트림(160)과 혼합될 수 있다. 일부 실시예에서, 보조 반응 챔버 입구(134, 136)는, 보조 반응 챔버 가스 유동(162, 164)이 출구 가스 스트림(160)에 대략적으로 수직이 되도록, 출구 가스 스트림(160)에 대해서 약 90°로 배향될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 보조 반응 챔버 입구(134, 136)는 출구 가스 스트림(160)에 대해 대략 90°(즉, 수직) 내지 대략 180°(즉, 역류)의 범위의 각도로 대략적으로 배향될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 보조 반응 챔버 입구의 개수 및/또는 각각의 보조 반응 챔버 입구의 배향은, 도 1에 도시되는 바와 같은 출구 가스 스트림(160)에 대한 동일하거나 유사한 배향을 목표로 하는 2개의 보조 반응 챔버 입구(134, 136) 및 2개의 보조 반응 챔버 가스 유동(162, 164)과는 상이할 수 있다. 예를 들어, 출구 가스 스트림(160)에 대해 180°를 목표로 하는 단일 보조 반응 챔버 입구가 이용될 수 있다. 다른 예로서, 출구 가스 스트림(160)에 대한 가변 각도를 목표로 하는 3개의 보조 반응 챔버 입구가 이용될 수 있다. 이들 및 다른 실시예에서, 보조 반응 챔버 입구의 크기 및/또는 개수는 플라즈마 챔버(120) 및/또는 보조 반응 챔버(130)를 통한 원하는 유량에 기초하여 설정될 수 있다.
보조 반응 챔버 입구 유동(170)은 보조 반응 챔버 입구 유동(170)에 포함된 하나 이상의 가스의 추가 처리를 위해 보조 반응 챔버(130)를 향해 유도될 수 있다. 일부 실시예에서, 보조 반응 챔버(130)의 하나 이상의 벽(132)은 높은 내열성 및/또는 낮은 열팽창 계수를 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 벽(132)은 탄소강 또는 다른 탄소 복합체, 니켈 합금, 항공우주-등급 알루미늄, 티타늄, 석영, 세라믹, 텅스텐, 몰리브덴, 또는 임의의 내화 재료를 포함하는 임의의 다른 재료로 이루어질 수 있다.
보조 반응 챔버 입구 유동(170)에 포함된 가스는 보조 반응 챔버(130)에서 반응하여 하나 이상의 화학 생성물을 산출할 수 있다. 보조 반응 챔버(130)에서 화학 반응에 의해 산출된 화학 생성물은 플라즈마 챔버(120)에서 발생한 화학 반응에 의해 산출된 동일한 화학 생성물을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 보조 반응 챔버(130)에서 형성된 화학 생성물은 플라즈마 챔버(120)에 들어간 가스(102)에 존재하지 않는 보조 반응 챔버 가스 유동(162, 164)에 포함된 재료에 의해 촉진되는 상이한 화학 반응에 기초하여 플라즈마 챔버(120)에서 형성되지 않은 다양한 화학물질을 포함할 수 있다.
이들 및 다른 실시예에서, 보조 반응 챔버(130)에서 발생하는 화학 반응은 플라즈마 챔버(120)로부터 운반된 열에 의해 촉진될 수 있다. 따라서, 보조 반응 챔버(130)는 어떠한 플라즈마도 포함하지 않을 수 있으며, 플라즈마(150)를 가열하기 위한 에너지 공급원은 보조 반응 챔버(130)를 향해 유도되지 않을 수 있다. 플라즈마 및/또는 유도되는 에너지 공급원의 부재는 보조 반응 챔버(130)가 플라즈마 챔버(120)보다 낮은 온도에서 동작하게 할 수 있고, 보조 반응 챔버(130)는 화학 반응의 발생을 촉진하게 하기 위해 플라즈마 챔버(120)보다 더 큰 용적을 포함할 수 있고 및/또는 그와 동일하거나 상이한 압력(예를 들어, 더 높거나 더 낮은 압력)에서 동작할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 보조 반응 챔버(130)는 플라즈마 챔버(120)보다 내열성이 낮은 재료로 이루어질 수 있는데, 이는 보조 반응 챔버(130)가 플라즈마 챔버(120)보다 낮은 온도에서 동작할 수 있기 때문이다. 예를 들어, 플라즈마 챔버(120)는 항공우주-등급 알루미늄으로 구성될 수 있는 반면, 보조 반응 챔버(130)는 몰리브덴 금속으로 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 보조 반응 챔버(130) 내에서 발생하는 화학 반응 중에 형성된 화학 생성물, 임의의 미반응 화학 반응물, 및 보조 반응 챔버(130)에 포함된 임의의 다른 가스는 출구 가스 유동(180)에서 보조 반응 챔버(130) 외부로 유도될 수 있다. 출구 가스 유동(180)은 스크러버, 압력-스윙 흡착 유닛(pressure-swing adsorption unit), 아민 유닛, 및/또는 압축기와 같은 플라즈마 반응 시스템(100)의 보조 반응기 유닛으로 보내질 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 출구 가스 유동(180)은, 생성물, 미반응 화학물질, 및/또는 출구 가스 유동(180)에 포함된 임의의 다른 가스의 추가 처리를 위해 제2 스테이지 보조 반응 챔버로 보내질 수 있다.
도 2는 본 개시내용의 적어도 하나의 실시예에 따른, 직렬로 된 제1 보조 반응 챔버(230) 및 제2 보조 반응 챔버(250)와 같은 2개 이상의 보조 반응 챔버와 연결된 플라즈마 챔버(210)를 포함하는 플라즈마 반응 시스템(200)의 예시적인 실시예의 도면이다. 일부 실시예에서, 플라즈마 챔버(210)는 도 1과 관련하여 설명된 바와 같은 플라즈마 챔버(120)와 동일하거나 유사할 수 있다. 따라서, 플라즈마 챔버(210)는 각각의 입구 유동이 하나 이상의 가스 및 특정 와류 배치를 포함하는 하나 이상의 입구 유동을 획득하도록 구성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 플라즈마 챔버(210)는 마이크로파 공급원 또는 전기 공급원과 같은 에너지 공급원에 의해 가열되는 플라즈마를 포함할 수 있다. 이들 및 다른 실시예에서, 제1 보조 반응 챔버(230)는 도 1과 관련하여 설명된 바와 같은 보조 반응 챔버(130)와 동일하거나 유사할 수 있다. 따라서, 제1 보조 반응 챔버(230)는 플라즈마 챔버(210)의 크기 또는 용적보다 큰 크기 또는 용적을 가질 수 있고 및/또는 플라즈마 챔버(210)의 압력과 동일하거나 상이한 압력에서 동작할 수 있다.
제2 보조 반응 챔버(250)는 제1 보조 반응 챔버(230)의 출구 유동(234)이 하나 이상의 제1 보조 반응 챔버 가스 유동(236)과 혼합되게 하고 제2 보조 반응 입구 유동(252)으로서 제2 보조 반응 챔버(250) 내로 공급되게 함으로써 제1 보조 반응 챔버(230)에 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 보조 반응 챔버(250)는 플라즈마 챔버(210)를 가열하기 위해 사용되는 플라즈마(212)와 같은 열 공급원에 연결되지 않을 수 있다. 따라서, 제2 보조 반응 챔버 입구 유동(252)에 포함된 가스들 사이에서 제2 보조 반응 챔버(250)에서 발생하는 화학 반응은 제1 보조 반응 챔버(230)의 출구 유동(234)의 가스와 함께 제2 보조 반응 챔버(250)에 의해 수용될 수 있는 제1 보조 반응 챔버(230)로부터의 열에 의해 촉진될 수 있다.
이들 및 다른 실시예에서, 제2 보조 반응 챔버(250)의 온도는 제1 보조 반응 챔버(230)의 온도보다 낮을 수 있다. 따라서, 제2 보조 반응 챔버(250)는 제1 보조 반응 챔버(230) 및/또는 플라즈마 챔버(210)에 사용되는 재료보다 내열성이 낮고 및/또는 더 큰 열팽창 계수를 포함하는 재료로 이루어질 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제2 보조 반응 챔버(250)는 제2 보조 반응 챔버(250)에서 발생하는 화학 반응을 촉진하기 위해 제1 보조 반응 챔버(230)보다 더 큰 용적을 포함할 수 있고 및/또는 그와 동일하거나 상이한 압력에서 작동할 수 있다.
일부 실시예에서, 제2 보조 반응 챔버(250)의 출구 유동(254)은 출구 유동(254)에 포함된 가스의 추가 처리를 위해 스크러버, 압력-스윙 흡착 유닛, 아민 유닛 및/또는 압축기와 같은 플라즈마 반응 시스템(100)의 보조 반응기 유닛으로 보내질 수 있다. 출구 유동(254)은 직렬의 제3 보조 반응 챔버, 직렬의 제3 및 제4 보조 반응 챔버 등과 같은 하나 이상의 부가적인 보조 반응 챔버를 향해서 유도될 수 있다. 이들 및 다른 실시예에서, 직렬의 보조 반응 챔버 내의 각각의 후속 보조 반응 챔버의 동작 온도는 직렬의 보조 반응 챔버 내의 이전 보조 반응 챔버의 동작 온도보다 낮을 수 있다. 따라서, 각각의 후속 보조 반응 챔버는 직렬의 보조 반응 챔버 내의 이전 보조 반응 챔버보다 더 큰 크기 및/또는 용적 및/또는 동일하거나 상이한 압력을 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 제2 보조 반응 챔버의 출구 유동(254), 제1 보조 반응 챔버(230)의 출구 유동(234), 및/또는 플라즈마 챔버(210)의 출구 유동(214)은 서로에 대해 병렬로 구성되는 하나 이상의 보조 반응 챔버를 향해 유도될 수 있다.
도 3은 제1 보조 반응 챔버(330)에 연결된 플라즈마 챔버(310)를 포함하는 플라즈마 반응 시스템(300)의 예시적인 실시예의 도면이고, 제1 보조 반응 챔버(330)는 본 개시내용의 적어도 하나의 실시예에 따라 서로 병렬로 각각 연결된 제2 보조 반응 챔버(350), 제3 보조 반응 챔버(352) 및 제4 보조 반응 챔버(354)에 연결된다. 플라즈마 반응 시스템(300)은 병렬의 제2 보조 반응 챔버(350), 제3 보조 반응 챔버(352), 및 제4 보조 반응 챔버(354) 전에 직렬의 제1 보조 반응 챔버(330)를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 플라즈마 챔버(310)의 출구 유동은 처음에 단일 직렬 스테이지에 있는 병렬의 제1 보조 반응 챔버(330), 제2 보조 반응 챔버(350), 제3 보조 반응 챔버(352), 및/또는 제4 보조 반응 챔버(354)에 의해 획득될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 하나 이상의 보조 반응 챔버가 제1 직렬 스테이지에서 서로 병렬로 구성될 수 있고 하나 이상의 보조 반응 챔버가 제1 직렬 스테이지 후의 제2 직렬 스테이지에서 병렬로 구성될 수 있어, 각각의 직렬 스테이지에서 병렬로 구성된 임의의 개수의 보조 반응 챔버를 갖는 임의의 개수의 직렬 스테이지가 고려된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 특정 직렬 스테이지에서 병렬로 구성된 각각의 보조 반응 챔버는 동시에 후속 직렬 스테이지의 하나 이상의 보조 반응 챔버에 연결될 수 있고 동일한 후속 직렬 스테이지의 하나 이상의 다른 보조 반응 챔버로부터 분리될 수 있다. 이들 및 다른 실시예에서, 다양한 보조 반응기 유닛이 플라즈마 반응 시스템(300)을 수반하는 화학 프로세스에 포함된 보조 반응 챔버 중 하나 이상 사이에 삽입될 수 있다. 예를 들어, 보조 반응 챔버 중 하나 이상에 보충 열 에너지를 제공하기 위해 비-플라즈마 열 공급원이 2개의 직렬 스테이지 사이에 삽입될 수 있다. 다른 예로서, 통합형 개질기, 압력-스윙 흡착 유닛, 공기 분리 유닛, 및/또는 임의의 다른 보조 반응기 유닛이 구현되어 화학 프로세스로부터의 재료의 추가 및/또는 제거를 촉진할 수 있다.
이들 및 다른 실시예에서, 병렬로 구성된 보조 반응 챔버는 동일하거나 유사한 조성으로 동일하거나 유사한 유량으로 유동하는 가스를 수용할 수 있다. 결과적으로, 병렬로 구성된 보조 반응 챔버는 동일하거나 유사한 온도에서 동작할 수 있으며 동일하거나 유사한 용적 및/또는 동작 압력을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 특정 직렬 스테이지의 병렬로 구성된 하나 이상의 보조 반응 챔버는 동일한 특정 직렬 스테이지의 다른 보조 반응 챔버에 의해 수용된 가스와는 상이한 유량 및/또는 조성으로 가스를 수용할 수 있다. 예를 들어, 특정 직렬 스테이지의 제1 보조 반응 챔버가 특정 직렬 스테이지의 제2 보조 반응 챔버보다 큰 가스의 유량을 수용하도록 가스를 제1 보조 반응 챔버로 유도하는 제1 파이프는 가스를 제2 보조 반응 챔버로 유도하는 제2 파이프보다 큰 직경을 포함할 수 있다.
본 개시내용 및 특히 첨부된 청구항(예를 들어, 첨부된 청구항의 본문)에 사용된 용어는 일반적으로 "개방형 용어"로서 의도된다(예를 들어, 용어 "포함하는"은 "포함하지만 이에 한정되지 않는"으로 해석되어야 한다).
또한, 특정 수의 도입된 청구항 인용이 의도되는 경우, 이러한 의도는 청구항에 명시적으로 인용될 것이며, 이러한 인용이 없을 때에는 이러한 의도가 존재하지 않는다. 예를 들어, 이해를 돕자면, 이하의 첨부된 청구항은 청구항 인용을 도입하기 위한 도입 문구 "적어도 하나" 및 "하나 이상"의 이용을 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 문구의 이용은, 동일한 청구항이 도입 문구 "하나 이상" 또는 "적어도 하나" 그리고 부정 관사(예를 들어, "a" 또는 "an")를 포함할 때에도, 부정 관사("a" 또는 "an")에 의한 청구항 인용의 도입이 그러한 도입된 청구항 인용을 포함하는 임의의 특정 청구항을 단지 하나의 그러한 인용을 포함하는 실시예로 제한한다는 것을 암시하는 것으로 해석되지 않아야 하고(예를 들어, 부정 관사("a" 및/또는 "an")는 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 하고); 이는 청구항 인용을 도입하기 위해서 정관사가 이용되는 경우에도 마찬가지이다.
또한, 특정 수의 도입된 청구항 인용이 명시적으로 기재된 경우에도, 본 기술 분야의 통상의 기술자는, 이러한 인용이 적어도 기재된 수를 의미하는 것으로 해석되어야 한다는 것을 인지할 것이다(예를 들어, 다른 수식어가 없는 "2개의 인용"의 기본적인 인용은 적어도 2개의 인용, 또는 2개 이상의 인용을 의미한다). 또한, "A, B, 및 C 등 중 적어도 하나" 또는 "A, B, 및 C 등 중 하나 이상"과 유사한 관례가 사용되는 경우에, 일반적으로 이러한 구성은 A 단독, B 단독, C 단독, A 및 B를 함께, A 및 C를 함께, B 및 C를 함께, 또는 A, B, 및 C를 함께 등을 포함하도록 의도된다.
또한, 2개 이상의 택일적 용어에 선행하는 임의의 이접적 단어 또는 문구는, 상세한 설명, 청구범위, 또는 도면과 무관하게, 용어 중 하나, 용어 중 어느 하나, 또는 용어 양자 모두를 포함할 가능성을 고려하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 문구 "A 또는 B"는 "A" 또는 "B" 또는 "A 및 B"의 가능성을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 개시내용에 기재된 모든 예 및 조건부 언어는, 독자가 본 개시내용 및 본 기술 분야의 발전에 대해서 발명자가 기여한 개념을 이해하는데 도움을 주기 위한 교육적 목적을 위한 것이고, 그러한 구체적으로 기재된 예 및 조건으로 제한되지 않는 것으로 해석된다. 비록 본 개시내용의 실시예가 구체적으로 설명되었지만, 본 개시내용의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 변화, 치환, 및 변경이 이루어질 수 있다.
Claims (20)
- 플라즈마 반응 시스템이며,
플라즈마 챔버로서,
하나 이상의 반응물 가스를 플라즈마 챔버 내로 도입하기 위한 하나 이상의 플라즈마 챔버 입구;
플라즈마 챔버의 내부 공간을 형성하는 하나 이상의 플라즈마 챔버 벽-반응물 가스들 사이의 하나 이상의 제1 화학 반응이 플라즈마 챔버의 내부 공간 내에서 발생함-;
플라즈마 챔버 내에서 생성되는 플라즈마;
플라즈마 챔버 내에서 생성되는 플라즈마를 향해서 에너지를 유도하기 위한 도파관; 및
플라즈마 챔버로부터 하나 이상의 제1 출구 가스를 운반하기 위한 플라즈마 챔버 출구를 포함하는,
플라즈마 챔버; 및
보조 반응 챔버로서,
플라즈마 챔버로부터 제1 출구 가스를 획득하도록 구성된 보조 반응 챔버 입구;
보조 반응 챔버의 내부 공간을 형성하는 하나 이상의 보조 반응 챔버 벽-제1 출구 가스들 사이의 하나 이상의 제2 화학 반응이 보조 반응 챔버의 내부 공간 내에서 발생함- 및;
보조 반응 챔버로부터 하나 이상의 제2 출구 가스를 운반하기 위한 보조 반응 챔버 출구를 포함하는,
보조 반응 챔버를 포함하는 플라즈마 반응 시스템. - 제1항에 있어서,
플라즈마 챔버의 용적이 보조 반응 챔버의 용적보다 작은 플라즈마 반응 시스템. - 제1항에 있어서,
보조 반응 챔버는 열 공급원을 포함하지 않으며, 보조 반응 챔버의 내부 공간에서 발생하는 제2 화학 반응을 위한 열은 제1 출구 가스에 대응하는 잔류 열에 의해 제공되는 플라즈마 반응 시스템. - 제1항에 있어서,
플라즈마 챔버 벽은 제1 재료로 구성되며;
보조 반응 챔버 벽은 제2 재료로 구성되는 플라즈마 반응 시스템. - 제4항에 있어서,
제1 재료, 또는 제2 재료, 또는 제1 재료 및 제2 재료의 모두는 열팽창 계수 또는 내열성 중 적어도 하나에 적어도 부분적으로 기초하여 선택되는 플라즈마 반응 시스템. - 제4항에 있어서,
제1 재료는 석영, 질화붕소, 알루미늄, 세라믹, 탄화규소, 텅스텐, 및 몰리브덴 중 적어도 하나를 포함하며;
제2 재료는 탄소강, 니켈 합금, 항공우주-등급 알루미늄, 티타늄, 세라믹, 석영, 텅스텐, 및 몰리브덴 중 적어도 하나를 포함하는 플라즈마 반응 시스템. - 제1항에 있어서,
보조 반응 챔버는 하나 이상의 보조 챔버 입구를 더 포함하며, 보조 챔버 입구 각각은 플라즈마 챔버 입구에 포함된 반응물 가스 중 하나 이상 및 폐기 가스 중 적어도 하나를 보조 반응 챔버에 도입하도록 구성되는 플라즈마 반응 시스템. - 제1항에 있어서,
직렬로 보조 반응 챔버에 연결된 제2 보조 반응 챔버를 더 포함하며, 제2 보조 반응 챔버는 보조 반응 챔버로부터 제2 출구 가스를 획득하고 하나 이상의 제3 출구 가스를 출력하도록 구성되는 플라즈마 반응 시스템. - 제1항에 있어서,
플라즈마 챔버로부터의 제1 출구 가스가 보조 반응 챔버를 향해 유도되는 제1 병렬 입구 스트림 및 제2 보조 반응 챔버를 향해 유도되는 제2 병렬 입구 스트림으로 분할되도록 보조 반응 챔버와 병렬로 플라즈마 챔버에 연결된 제2 보조 반응 챔버를 더 포함하는 플라즈마 반응 시스템. - 제9항에 있어서,
제1 병렬 입구 스트림은 제2 병렬 입구 스트림보다 큰 유량을 포함하는 플라즈마 반응 시스템. - 제1항에 있어서,
보조 반응 챔버로부터의 제2 출구 가스는 제2 출구 가스의 처리를 위해 하나 이상의 보조 반응기 유닛을 향해 유도되는 플라즈마 반응 시스템. - 보조 반응 챔버이며,
플라즈마 챔버에 의해 출력되는 하나 이상의 가스를 획득하도록 구성된 보조 반응 챔버 입구;
하나 이상의 보조 챔버 입구로서, 보조 챔버 입구 각각은 플라즈마 챔버로 입력되는 하나 이상의 반응물 가스 및 폐기 가스 중 적어도 하나를 보조 반응 챔버에 도입하도록 구성되는, 하나 이상의 보조 챔버 입구;
보조 반응 챔버의 내부 공간을 형성하는 하나 이상의 보조 반응 챔버 벽으로서, 플라즈마 챔버 및 보조 챔버 입구로부터 획득된 가스들 사이의 하나 이상의 화학 반응이 보조 반응 챔버의 내부 공간 내에서 발생하는, 하나 이상의 보조 반응 챔버 벽; 및
보조 반응 챔버로부터 하나 이상의 출구 가스를 운반하기 위한 보조 반응 챔버 출구를 포함하는 보조 반응 챔버. - 제12항에 있어서,
직렬로 보조 반응 챔버에 연결된 제2 보조 반응 챔버를 더 포함하고, 제2 보조 반응 챔버는 보조 반응 챔버로부터 출구 가스를 획득하고 하나 이상의 제2 출구 가스를 출력하도록 구성되는 보조 반응 챔버. - 제12항에 있어서,
플라즈마 챔버로부터의 출구 가스가 보조 반응 챔버를 향해 유도되는 제1 병렬 입구 스트림 및 제2 보조 반응 챔버를 향해 유도되는 제2 병렬 입구 스트림으로 분할되도록 보조 반응 챔버와 병렬로 플라즈마 챔버에 연결된 제2 보조 반응 챔버를 더 포함하는 보조 반응 챔버. - 제12항에 있어서,
보조 반응 챔버는 열 공급원을 포함하지 않으며, 보조 반응 챔버의 내부 공간에서 발생하는 화학 반응을 위한 열은 플라즈마 챔버에 의해 출력된 가스에 대응하는 잔류 열에 의해 제공되는 보조 반응 챔버. - 방법이며,
보조 반응 챔버에 의해, 플라즈마 챔버에서 생성된 플라즈마로부터의 열을 이용하여 하나 이상의 반응물 가스들 사이의 제1 화학 반응을 달성하도록 구성된 플라즈마 챔버에 의해 출력되는 하나 이상의 가스를 획득하는 단계;
플라즈마 챔버에서 생성된 플라즈마로부터의 잔류 열을 이용하여 플라즈마 챔버에 의해 출력된 가스들 사이의 제2 화학 반응을 달성하는 단계; 및
제2 화학 반응에 의해 산출된 하나 이상의 생성물 가스를 출력하는 단계를 포함하는 방법. - 제16항에 있어서,
제1 화학 반응 또는 제2 화학 반응은 천연 가스 개질 반응, 탄화수소 생성 반응, 부분 산화 반응, 및 연소 반응 중 적어도 하나를 포함하는 방법. - 제16항에 있어서,
제2 화학 반응에 의해 산출된 생성물 가스는 생성물 가스의 처리를 위해 하나 이상의 보조 반응기 유닛을 향해 유도되는 방법. - 제16항에 있어서,
보조 반응 챔버에 의해 플라즈마 챔버에 의해 출력된 가스를 획득하는 단계는 가스를 하나 이상의 잔류 가스와 혼합하는 단계 및 플라즈마 챔버에 의해 출력된 가스와 잔류 가스의 혼합물을 획득하는 단계를 포함하며, 잔류 가스는 플라즈마 챔버로부터의 미반응 반응물 가스, 폐기 가스 또는 산화제 가스 중 적어도 하나를 포함하는 방법. - 제16항에 있어서,
보조 반응 챔버에 연결된 제2 보조 반응 챔버에 의해, 제2 화학 반응에 의해 산출된 생성물 가스를 획득하는 단계;
보조 반응 챔버로부터의 잔류 열과 플라즈마 챔버에서 생성된 플라즈마를 이용하여 생성물 가스들 사이의 제3 화학 반응을 달성하는 단계; 및
제3 화학 반응에 의해 산출된 하나 이상의 제2 생성물 가스를 출력하는 단계를 더 포함하는 방법.
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