WO2023179815A1 - Vorrichtung und verfahren zum aufspalten von stoffen - Google Patents

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    • C01B3/042—Decomposition of water
    • C01B3/045—Decomposition of water in gaseous phase

Definitions

  • the invention relates to a process reactor for splitting off molecular components of a gaseous substance or mixture of substances in a separation process, containing: a) a reaction space with a gas inlet and a gas outlet, b) at least one gas supply which supplies the gaseous substance or the gaseous mixture of substances from the gas inlet a reaction site into the reaction space, c) separating agents into the reaction space for splitting off molecular components at the reaction site, d) a voltage supply for the separating agents, e) at least one molecule separator, which separates different molecular components or molecules newly formed from the molecular components from one another.
  • the invention further relates to a method for splitting off molecular components of a gaseous substance or mixture of substances in a separation process with a process reactor.
  • Electrolysis is a chemical process in which electric current causes a redox reaction. It is used, for example, to extract metals or to produce materials that would be more expensive or almost impossible to obtain through purely chemical processes. Electrolysis is used, for example, to produce hydrogen, aluminum, chlorine and caustic soda. The splitting of water into hydrogen and oxygen is becoming increasingly important due to the energy transition.
  • H2O hydrogen (H2) and oxygen (O2) from water (H2O)
  • the electrolysis process is often used according to the current state of technology. Electrodes from a DC voltage source are immersed in the water. To put it simply, oxygen molecules are created at the cathode and hydrogen molecules are created at the anode. In this electrolytic process, electrical energy is converted into chemical energy. The chemical energy can now be easily stored.
  • Electrolysis is an extremely simple process for producing hydrogen. That is why it is used in many technical areas. Hydrogen is also produced in other processes in which water is split into hydrogen and oxygen using high-frequency electromagnetic fields in combination with a plasma discharge. Particularly in the energy transition, there is great hope for hydrogen as an easily transportable energy storage device, which is produced, for example, by wind or solar energy. The hydrogen can then be used as a replacement for fossil fuels. Although electrolysis is an extremely simple process, a relatively large amount of energy still has to be used to split the water into its components.
  • DE 10 2014 010 359 Al describes a system for producing hydrogen using electrolysis.
  • the system is supplied with electrical power obtained from the electrical supply network in order to operate electrolysis, the system having at least two electrolysis units, the electrical supply of which can be switched on and off independently of one another.
  • DE 10 2014 010 813 Al also describes an electrolysis device.
  • a frame for such an electrolysis device is described.
  • the electrolysis device comprises a receiving space for one or more electrolysis cell components enclosing an inner edge, an outer edge and a frame structure extending from the inner edge to the outer edge and formed in one piece from a structural material.
  • a fluid guide for the fluids to be supplied and removed during electrolysis is arranged in the frame structure.
  • an electrolytic cell module and also a stack-type electrolyzer made up of several such electrolytic cell modules, in particular for the production of hydrogen, have such a frame.
  • a method and a device for splitting water is known. Through the use of electromagnetic fields in High frequency range in combination with an electrical plasma discharge in the gas phase and/or the border area between water and gas phase.
  • the method and the device can in particular be used to form hydrogen (H2) from water (H2O), to form reactive oxidizing and/or reducing species, to break down pollutants, to hygienize water and/or to desalinate seawater or other saline water Water should preferably be used in conjunction with other aforementioned applications.
  • EP 3919438 A1 relates to a method and a device for the thermal splitting of a hydrocarbon-containing starting material.
  • a non-thermal microwave plasma is generated from at least a portion of the starting material that is present in gaseous or vaporous form or has been brought into gaseous or vaporous form by means of microwave radiation acting on the starting material in a microwave plasma device.
  • the starting material is split into a carbon portion and a hydrogen portion. Furthermore, the carbon content and hydrogen content are separated from each other in a separation process outside the microwave plasma device.
  • the known devices and methods have the disadvantage that a relatively large amount of energy must be used to obtain hydrogen (H 2 ) for technical applications.
  • the efficiency of the known devices and methods is too low or can be increased.
  • the object of the invention is therefore to avoid the disadvantages of the prior art and to split molecules, in particular water molecules, as energy-efficiently as possible, as is done, for example, in electrolysis.
  • the object is achieved in that in a process reactor for splitting off molecular components of a gaseous substance or mixture of substances in a separation process of the type f) mentioned at the outset, the separating means have at least two spaced electrodes, which have an RF frequency to generate a plasma from a plasma gas be acted upon, whereby g) a pump is provided for operating the reaction space under negative pressure.
  • the invention is based on the principle of breaking down a substance or a mixture of substances using a plasma and separating the fission products.
  • Working under negative pressure allows the substance or mixture of substances to be broken down particularly effectively by the plasma.
  • Plasma technology is often used in the production of semiconductors. Systems are used that use the gases for etching or depositing molecules on the semiconductor to be processed. Hydrogen in particular is produced during the work processes. Surprisingly, it has been shown that plasma technology can also be generally applied to the production of hydrogen. In principle, other gaseous substances can also be broken down using plasma technology. The material to be processed is introduced into the plasma as evenly as possible.
  • the plasma is created from a plasma gas, such as the noble gas argon (Ar), which is ignited by an alternating RF electrical field.
  • the plasma gas can also be a gas mixture, which consists, for example, of argon (Ar) and xenon (Xe).
  • the proportions of the components of the gas mixture can be adjusted to the requirements for the plasma generated and the molecule to be split.
  • the alternating RF electrical field is generated between two electrodes into which the plasma gas is directed.
  • the desired fission product such as hydrogen (Hz)
  • the separation process is extremely easy to scale. It just depends on the extent of the Reaction space and the expansion of the electrodes and thus the associated expansion of the plasma.
  • An advantageous embodiment of the process reactor according to the invention for splitting off molecular components of a gaseous substance or mixture of substances in a separation process is that at least two spaced electrodes are formed from parallel plates. This measure serves to design the surface of the electrodes in such a way that a correspondingly large plasma can be formed in which the separation process takes place. The larger the plasma, the more separation processes take place.
  • a further advantageous embodiment of the process reactor according to the invention is that the molecule separator is connected downstream of the pump.
  • the fission products are first evacuated from the process space and then separated from each other.
  • the fission products and also the plasma gas can then be more easily delivered to their intended destination.
  • the plasma gas can, for example, be used again in the reaction space of the process reactor to generate a plasma.
  • a preferred and advantageous embodiment of the process reactor according to the invention also consists in that at least one gas supply with at least one outlet opening uniformly leads the gaseous substance or the gaseous substance mixtures between the electrodes to the reaction site in the plasma. This measure serves to release the gaseous substance or the gaseous substance mixtures, if possible, only at the reaction site, so that deposition or other undesirable effects do not occur.
  • At least one outlet opening is designed as a Laval nozzle.
  • a Laval nozzle is a flow element in which the cross section first narrows and then widens, whereby the transition from one part to the other takes place continuously.
  • the cross-sectional area is usually circular or elliptical at every point. Due to their shape, the Laval nozzles have the property that they can transport the gas to be processed specifically and extremely evenly and over a large area into the plasma at the reaction site. The uniformity remains even at very high gas speeds or pressures.
  • gas velocities of 300 m/s and more can be achieved, which means that a large amount of gas can be sent through the plasma per unit of time. In this way, a large number of molecules of the gas to be processed can be broken down in the plasma.
  • a further advantageous embodiment of the process reactor according to the invention results from the fact that pulse means are provided which allow the gaseous substance or the mixture of substances to emerge in a pulsed manner from at least one outlet opening.
  • the intermittent outflow of the gaseous substance or mixture of substances increases the particle density per unit volume. This significantly increases the likelihood of a molecule splitting in the plasma.
  • the gas guide at least partially encloses the reaction site, with the at least one outlet opening directed towards the reaction site.
  • the gas supply conveys the gas to be processed into the plasma for splitting from as many sides as possible.
  • the gas supply can contain an outlet body at its end, which then contains the outlet openings or the Laval nozzles.
  • This outlet body can, for example, be annular or U-shaped.
  • a heating device is provided in front of the gas inlet, which converts a liquid phase of a substance and/or mixture of substances into a gaseous phase.
  • liquid water H 2 O
  • the steam or gas can then be passed through the gas supply to the reaction site.
  • the efficiency of the separation process can also be significantly increased if means for generating a magnetic field are provided in the reaction space in a process reactor according to the invention. The magnetic field affects the reaction that occurs between the plasma and the gaseous substance to be split.
  • a particularly advantageous embodiment of the process reactor according to the invention for splitting off molecular components of a gaseous substance or mixture of substances in a separation process is also achieved in that the means for generating a magnetic field contain at least one electrically operated magnetic coil.
  • the magnetic coil can be easily tuned to the separation process in the plasma thanks to the variable electrical current that flows through the magnetic coils.
  • an alternating voltage generator is provided for the at least one magnetic coil, which generates an alternating magnetic field.
  • the alternating magnetic field increases the efficiency of the production rate of the split-off products.
  • the alternating magnetic field leads to additional interactions between the reaction partners, which have a positive effect on the separation processes.
  • a preferred further development of the process reactor according to the invention results from the fact that the magnetic field is arranged perpendicular to the electric field of the electrodes. This measure also increases the production rate of fission products.
  • pairs of electrodes are formed, which are arranged in rows or stacks, with a plasma being generated between each pair of electrodes.
  • the production rate of fission products is determined by the size of the plasma and the expansion of the electrodes is limited.
  • stacking the pairs of electrodes the production of fission products can be increased significantly. This arrangement allows the areas of the electrode pairs and the plasma volume in the reaction space to be significantly expanded in a very small space. This stackable arrangement also helps to carry out the splitting cost-effectively on a larger scale. Because only one reaction space is required.
  • a further advantageous embodiment of the process reactor according to the invention is that an insulator separates the electrode pairs.
  • the insulator ensures that the individual pairs of electrodes between which the plasma is located do not influence each other in an undesirable way. As a result, the electrode pairs are shielded from each other.
  • the insulator then has an iron core and/or a permanent magnet.
  • the iron core serves as a simple amplifier for the magnetic field. In this way, the efficiency of the magnetic field on the plasma and thus on the fission reactions can be increased with little effort.
  • a permanent magnet can be used, among other things, when there is no external magnetic field.
  • a catalyst is provided to accelerate the separation process.
  • the catalyst accelerates the reactions so that the energy required to separate the substance or mixture of substances is lower. This results in a significant increase in efficiency with the catalyst.
  • the light from the plasma in conjunction with the catalyst can further enhance the splitting process.
  • the photons created during plasma generation can now have sufficient energy, which, in conjunction with the catalyst, enables the molecule to split.
  • the catalyst can in particular also be introduced in gaseous form into the reaction space to the reaction site.
  • the catalyst contains titanium oxide. Titanium oxide accelerates the breakdown of a substance or mixture of substances to a considerable extent. Titanium oxide is therefore a material that is particularly suitable as a catalyst.
  • the light from the plasma in conjunction with the catalyst further strengthens the splitting process.
  • a special variant of the process reactor according to the invention is that the electrodes and/or walls of the reaction space are coated with the catalyst.
  • the electrodes and/or walls of the reaction space are coated with the catalyst.
  • the coating can also be carried out during operation, for example by depositing titanium oxide on the walls or electrodes.
  • the object is further achieved in that a method for splitting off molecular components of a gaseous substance or mixture of substances in a separation process with a process reactor with the aforementioned features, with the process steps: a) generating a negative pressure in the reaction space with the pump, b) generating a Plasmas from the plasma gas between the electrodes, which are subjected to an RF frequency, c) introducing the gas or gas mixture to be split through the gas inlet of the process reactor, d) supplying the gas or gas mixture through the gas supply between the electrodes, e) separating the different ones Molecular components or new from the
  • the method according to the invention is based on the principle of breaking down a substance or a mixture of substances using a plasma and separating the cleavage products.
  • Working under negative pressure allows the substance or mixture of substances to be broken down particularly effectively by the plasma.
  • Hydrogen in particular is produced during the work processes.
  • plasma technology can also be generally applied to the production of hydrogen.
  • other gaseous substances can also be broken down using plasma technology.
  • the material to be processed is introduced into the plasma as evenly as possible.
  • the plasma is created from a plasma gas, such as the noble gas argon (Ar), which is ignited by an alternating RF electrical field.
  • the alternating RF electrical field is generated between two electrodes into which the plasma gas is directed.
  • spatially relative terms such as “below”, “below”, “lower”, “above”, “upper” and the like, can be used in the present text to simplify the description and the relationship of an element or structural element to one or more other elements or structural elements, as illustrated in the figures.
  • the spatially relative terms are intended to include, in addition to the orientation shown in the figures, further orientations of the device during use or operation.
  • the device can also be oriented differently (90 degrees rotated or oriented differently), and the spatially relative descriptors used in this text can equally be interpreted accordingly.
  • FIG. 1 shows, in a first exemplary embodiment, a schematic principle sketch of a process reactor according to the invention for splitting off molecular components of a gaseous substance or mixture of substances in a separation process with a pair of parallel electrode plates in a longitudinal section.
  • Fig. 2 shows a schematic principle sketch of a cross section through a process reactor according to Fig. 1
  • FIG. 3 shows, in a second exemplary embodiment, a schematic principle sketch of a process reactor according to the invention for splitting off
  • the process reactor 10 comprises a reaction space 12 with walls 13, in which molecular components of a gaseous substance or mixture of substances are split off or separated in a separation process. In such a separation process, water molecules, for example, are split into its atomic elements oxygen and hydrogen.
  • a pair of parallel and spaced electrode plates 16, 18 are arranged, which form an intermediate space 20.
  • the electrode plates 16, 18, like the walls 13 of the interior 14 of the reaction space 12, are coated with a suitable catalyst 22 for the reaction.
  • the catalyst layer 22 is titanium oxide. The coating with the catalyst layer can take place during operation.
  • a plasma gas designated here by "C" preferably a noble gas, such as argon (Ar), is led from a plasma gas container 24 via a gas line 26 to an inlet 28 for plasma gas C in the reaction space 12.
  • the plasma gas C can also be a gas mixture which consists, for example, of argon (Ar) and xenon (Xe).
  • the proportions of the components of the gas mixture can be adapted to the requirements for the plasma generated and the molecule to be split.
  • the amount of gas admitted into the plasma gas is controlled via a first controllable Valve 30 regulated.
  • a gaseous substance, here referred to as “AB”, or possibly a mixture of substances for splitting off molecular components is fed into the reaction space 12 into the intermediate space 20 via a gas supply 32.
  • the substance AB to be processed or the mixture of substances is located in a container 34 .
  • the substance can also be present there, for example, in a liquid phase. By simply heating it using an appropriate heating device 36, the substance or the mixture of substances can change into an easier-to-process gaseous phase before entering the reaction space 12.
  • a second controllable valve 38 regulates the amount of gas of the substance AB or the mixture of substances as gas to be processed, which is passed through a further inlet 40 into the interior 14 of the reaction space 12.
  • the gas supply 32 opens into an outlet body 42, which encloses the gap 20 between the electrode plates 16, 18 in a U-shape in this exemplary embodiment (see also FIG. 2).
  • the gap 20 ultimately forms a reaction site 21, since the essential separation processes take place here.
  • the outlet body 42 is tubular.
  • the outlet body 42 has outlet openings 43 which are directed towards the intermediate space 20 formed by the electrode plates 16, 18.
  • the outlet openings 43 are designed as Laval nozzles 44 in the present exemplary embodiment.
  • the gas AB to be processed exits through the Laval nozzles 44 of the outlet body 42 and flows between the electrode plates 16, 18, as indicated by arrows 46.
  • the gaseous substance 46 or the mixture of substances emerging from the outlet openings 43 is pulsed using pulse means 47. Therefore, only intermittent or pulsating amounts of gas emerge from the outlet openings 43.
  • the pulse duration is, for example, in a range from 10 ms to 50 ms.
  • the electrode plates 16, 18 are supplied with a high-frequency alternating voltage via electrical lines 48.
  • the RF AC voltage is generated by an AC voltage generator 50.
  • the frequency of the RF alternating voltage in the present exemplary embodiment is in the range of 60 MHz.
  • the high-frequency RF alternating voltage creates an alternating electric field, which in its interaction has an energetic effect on the plasma gas and ignites it.
  • a plasma 52 is created between the electrode plates 16, 18.
  • Separating means 53 include the electrode plates 16, 18 and the plasma 52, which splits the gas AB into the fission products A and B.
  • the gas AB emerging from the Laval nozzles 44 of the outlet body 42 then hits the plasma 52, which ideally splits the incoming gas AB in such a way that the molecular components A and B are formed. Since the plasma 52 is generated from a noble gas, the plasma gas C itself cannot react with the split off or split components A and B of the gas AB to be processed.
  • the interaction of the plasma 52 with the gas AB is further enhanced by an alternating magnetic field.
  • coils 54, 56 are arranged laterally on the reaction space 12 to generate an alternating magnetic field.
  • the alternating magnetic field is essential in this exemplary embodiment perpendicular to the alternating electrical field between the electrode plates 16, 18.
  • the coils 54, 56 are also supplied with an RF alternating voltage from a further alternating voltage generator 58 via electrical lines 60.
  • the electrode plates 16, 18 each have an electrical insulator 66, 68 as a shield.
  • Iron cores 70, 72 are provided in these insulators 66, 68. These iron cores 70, 72 reinforce the alternating magnetic field generated by the coils 54, 56.
  • the fission products i.e. the molecular components A and B, which were created from the gas AB
  • the pump 74 is flanged tightly to the gas outlet 73 of the reaction space 12.
  • the pump 74 maintains a negative pressure of typically 200 mTorr in the reaction space 10 during operation of the process reactor 10.
  • the gas mixture A, B, C i.e. the different fission products A and B, as well as the plasma gas C are fed to a molecule separator 76.
  • the molecule separator 76 is tightly mounted downstream of the pump 74 at the outlet 77 of the pump 74.
  • the molecular separator 76 separates the components A, B, C of the gas mixture from each other.
  • the plasma gas C is then fed back to the plasma gas container 24 via the gas line 78.
  • the molecule separator 76 can, for example, work with semi-permeable membranes 80, 82. Only molecules with a certain diameter are allowed to pass through one of the semi-permeable membranes 78, 80 into a separate space 84, 86, 88 of the separator 76. From there, the separated gases A, B, C can be fed to their destination.
  • a horizontal section of the process reactor 10 according to Figure 1 is shown as a simplified schematic sketch. As far as the figures correspond, the same reference numbers are used.
  • the Upper electrode plate 16 In the interior 14 of the reaction space 12 is the Upper electrode plate 16 can be seen.
  • the electrode plate 16 is surrounded on three sides by the U-shaped outlet body 42.
  • the gas supply 32 opens into the outlet body 42.
  • the outlet body 42 has numerous outlet openings 43.
  • the outlet openings 43 are designed as Laval nozzles 44.
  • the Laval nozzles 44 are aligned evenly inwards towards the gap 20. This achieves the best possible distribution of the gas 46 to be processed in the space 20 between the electrode plates 16, 18.
  • a uniform distribution of the gas to be processed also causes a continuous interaction with the plasma 52 and an effective splitting of the gas to be processed 46.
  • Arrows 90 indicate how the gas 46 flows out of the outlet body 42 through the Laval nozzles 44.
  • the gaseous substance 46 or the mixture of substances is introduced into the reaction site 21 in a pulsed manner using the pulse means 47.
  • the coils 54, 56 are attached to the side of the reaction space 12 to generate the alternating magnetic field.
  • This alternating magnetic field is arranged perpendicular to the alternating electric field, which is formed by electrode plates 16, 18. The effect of alternating electric and magnetic fields is coordinated.
  • the molecule separator 76 and the pump 74 can be seen as dashed lines in this figure.
  • the pump 74 evacuates the reaction space 12 and keeps it at a negative pressure of approximately 200 mTorr.
  • the molecule separator 76 contains the separate spaces 84, 86 and 88, which are separated from one another by the semi-permeable membranes 80, 82. These semi-permeable membranes are designed in such a way that they only allow molecules with certain diameters to pass through. This allows the fission products A, B and the plasma gas C to be separated. The gases A, B and C should then be located in each of the rooms 84, 86, 88 for further use.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the process reactor 10 for splitting off molecular components of a gaseous substance or mixture of substances in one Separation process.
  • the process reactor 10 is shown as a schematic principle sketch in a longitudinal section. To the extent that the components in this figure correspond to the previous figures, the same reference numbers are used. Instead of a single pair of electrode plates 16, 18, several pairs are arranged one behind the other or one above the other to form a stack 92.
  • the stack 92 is formed by electrode plates 16, 18 arranged in pairs and in parallel. Each pair of electrode plates 16, 18 has the gap 20, which forms the reaction site 21.
  • the electrode plates 16, 18, like the interior 14 of the reaction space 12, are coated with the catalyst 22 for the reaction.
  • the catalyst layer 22 is titanium oxide.
  • the coating with the catalyst 22 can take place during ongoing operation of the process reactor by suitable deposition.
  • the plasma gas C is a noble gas, such as argon (Ar). In principle, a noble gas mixture of different noble gases could also be used as a plasma gas mixture.
  • the plasma gas C is led from the plasma gas container 24 via the gas line 26 through the inlet 28 into the reaction space 12.
  • the necessary and admitted gas quantity of the plasma gas 10 is regulated via a first controllable valve 30.
  • the gaseous substance AB is guided via the gas supply 32 into the reaction space 12 to the spaces 20, analogous to FIG. 1.
  • the gas supply 32 includes branches 94, each of which opens into the outlet bodies 42.
  • the substance AB to be processed is initially in the container 34.
  • the substance AB can also be present there, for example, in a liquid phase, such as water (H2O). If necessary, the heating device 36 generates a gas from it before it is admitted into the reaction space 12.
  • the second valve 38 controls the necessary amount of gas of the substance AB, which is passed through the inlet 40 into the interior 14 of the reaction space 12. Every gap 20 between the pairs of electrode plates 16, 18 lies, a separate outlet body 42 is assigned. These outlet bodies 42 enclose the space between the electrode plates 16, 18 in a U-shape, as shown in FIG. Each outlet body 42 is tubular here and has the outlet openings 43. The outlet openings 43 are designed as Laval nozzles 44, which are each directed towards their assigned gap 20. During operation of the process reactor 10, the gas AB exits through the Laval nozzles 44 of the outlet body 42 and flows through the pulse means 47 between the electrode plates 16, 18.
  • the electrode plates 16, 18 are subjected to a high-frequency alternating voltage.
  • the RF alternating voltage is generated by the alternating voltage generator 50, not shown in this figure.
  • the frequency of the RF alternating voltage is also in the range of 60 MHz.
  • the applied RF alternating voltage is coordinated or synchronized with one another for the stack 92 on the electrode plates 16, 18.
  • the high-frequency alternating voltage creates an alternating electrical field between all the spaces 20 of the stack 92, which in its interaction has an energetic effect on the plasma gas and ignites it.
  • a plasma 52 is created between the electrode plates 16, 18.
  • the gas AB emerging from the Laval nozzles 44 of the outlet body 42 then hits the plasma 52, which ideally splits the incoming gas AB in such a way that the molecular components A and B are formed. Since the plasma 52 is generated from a noble gas, the plasma gas C itself cannot react with the split off or split components A and B of the gas AB to be processed.
  • the interaction of the plasma 52 with the gas AB is further enhanced by the alternating magnetic field, which is generated by the coils 54, 56 attached to the side of the reaction space 12.
  • the alternating magnetic field is provided essentially perpendicular to the alternating electrical field between the electrode plates 16, 18.
  • the coils 54, 56 are also supplied with an RF alternating voltage from a further alternating voltage generator 58, not shown.
  • the electrode plates 16, 18 On their respective back sides 62, 64, the electrode plates 16, 18 have the electrical insulators 66, 68 as shielding.
  • the insulators 66, 68 prevent the pairs of electrode plates 16, 18 from influencing each other.
  • the iron cores 70, 72 are also embedded in these insulators 66, 68. These iron cores 70, 72 reinforce the alternating magnetic field generated by the coils 54, 56.
  • Both the plasma gas C and the fission products, the molecular components A and B, are evacuated from the reaction space 12 by the pump 74 in the direction of arrows 96 through the lower gas outlet 73.
  • the pump 74 is flanged tightly to the gas outlet 73 of the reaction space 12. During operation, the pump 74 ensures that there is a negative pressure of typically 200 mTorr in the reaction space 10.
  • the gas mixture A, B, C, ie the different fission products A and B, as well as the plasma gas C are fed to the molecular separator 76.
  • the molecule separator 76 is arranged downstream of the pump 74. For this purpose, the molecule separator 76 is tightly mounted at the outlet 77 of the pump 74. The molecular separator 76 separates the components A, B, C of the gas mixture from each other.
  • the plasma gas C is then fed back to the plasma gas container 24 via the gas line 78.
  • the molecule separator 76 works, for example, with the semi-permeable membranes 80, 82. However, gas centrifuges can also be used as the molecule separator 76, for example. Only molecules with a certain diameter are allowed through the corresponding semi-permeable membranes 80, 82 into the separate space 84, 86, 88 of the molecule separator 76.
  • controllable valve 90 arrows

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Prozessreaktor (10) zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes (46) oder Stoffgemisches in einem Trennprozess. Der Prozessreaktor (10) umfasst einen Reaktionsraum (12) mit einem Gaseinlass (28, 40) und einem Gasauslass (73). Es ist mindestens eine Gaszuführung (32) vorgesehen, welche den gasförmigen Stoff (46) oder das gasförmige Stoffgemisch vom Gaseinlass (40) zu einem Reaktionsort (21) in dem Reaktionsraum (12) leitet. Trennmittel (53) in dem Reaktionsraum (12) spalten Molekülbestandteile am Reaktionsort (21) ab. Für die Trennmittel (53) ist eine Spannungsversorgung (50, 58) enthalten. Mindestens ein Molekülseparator (76) separiert unterschiedliche Molekülbestandteile bzw. neu aus den Molekülbestandteilen entstandene Moleküle voneinander. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren mit einem solchen Prozessreaktor (10).

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Aufspalten von Stoffen
Technisches Gebiet
1. Die Erfindung betrifft einen Prozessreaktor zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes oder Stoffgemisches in einem Trennprozess, enthaltend: a) einen Reaktionsraum mit einem Gaseinlass und einem Gasauslass, b) mindestens eine Gaszuführung, welche den gasförmigen Stoff oder das gasförmige Stoffgemisch vom Gaseinlass zu einem Reaktionsort in den Reaktionsraum leitet, c) Trennmittel in den Reaktionsraum zum Abspalten von Molekülbestandteilen am Reaktionsort, d) eine Spannungsversorgung für die Trennmittel, e) mindestens einen Molekülseparator, welcher unterschiedliche Molekülbestandteile bzw. neu aus den Molekülbestandteilen entstandene Moleküle voneinander separiert. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes oder Stoffgemisches in einem Trennprozess mit einem Prozessreaktor.
Beschreibung
Unter Elektrolyse wird ein chemischer Prozess verstanden, bei dem elektrischer Strom eine Redoxreaktion herbeiführt. Sie wird beispielsweise zur Gewinnung von Metallen verwendet, oder zur Herstellung von Stoffen, deren Gewinnung durch rein chemische Prozesse teurer oder kaum möglich wäre. Elektrolyse wird beispielsweise zur Gewinnung von Wasserstoff, Aluminium, Chlor und Natronlauge eingesetzt. Dabei spielt die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgrund der Energiewende eine immer größere Bedeutung.
Um aus Wasser (H2O) Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zu gewinnen, wird nach derzeitigem Stand der Technik das Verfahren der Elektrolyse häufig verwendet. Dabei werden Elektroden einer Gleichspannungsquelle in das Wasser eingetaucht. Vereinfacht ausgedrückt entstehen nun an der Katode Sauerstoffmoleküle und an der Anode entstehen Wasserstoffmoleküle. Bei diesem elektrolytischen Verfahren wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Die chemische Energie lässt sich nun leicht speichern.
Die Elektrolyse ist ein extrem einfaches Verfahren, um Wasserstoff herzustellen. Daher wird es in vielen technischen Bereichen auch so eingesetzt. Wasserstoff entsteht auch bei anderen Verfahren, bei denen Wasser durch hochfrequente elektromagnetische Felder in Kombination mit einer Plasmaentladung in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Besonders bei der Energiewende wird große Hoffnung auf den Wasserstoff als leicht transportierbarer Energiespeicher gesetzt, der beispielsweise durch Wind- oder Solarenergie hergestellt wird. Der Wasserstoff kann dann als Ersatz für fossile Brennstoffe eingesetzt werden. Obwohl die Elektrolyse ein extrem einfaches Verfahren ist, muss noch relativ viel Energie aufgewendet werden, um das Wasser in seine Bestandteile aufzuspalten.
Stand der Technik
Die DE 10 2014 010 359 Al beschreibt beispielsweise eine Anlage zur Erzeugung von Wasserstoff mittels Elektrolyse. Dabei wird die Anlage mit aus dem elektrischen Versorgungsnetz bezogener elektrischer Leistung versorgt, um eine Elektrolyse zu betreiben, wobei die Anlage wenigstens zwei Elektrolyseeinheiten aufweist, deren elektrische Versorgung unabhängig voneinander zu- und abschaltbar ist.
Auch die DE 10 2014 010 813 Al beschreibt eine Elektrolysevorrichtung. Dabei wird ein Rahmen für eine solche Elektrolysevorrichtung beschrieben. Die Elektrolysevorrichtung umfasst einen Aufnahmeraum für einen oder mehrere Elektrolysezellen-Bestandteil(e) umschließenden inneren Rand, einen äußeren Rand und einer von dem inneren Rand zu dem äußeren Rand reichenden, einstückig aus einem Strukturmaterial gebildeten Rahmenstruktur. In der Rahmenstruktur ist eine Fluidführung für die bei der Elektrolyse zu und abzuführenden Fluide angeordnet. Weiterhin weist ein Elektrolysezellen-Modul und auch einen aus mehreren derartigen Elektrolysezellen-Modulen aufgebauten Elektrolyseur vom Stapel-Typ, insbesondere für die Erzeugung von Wasserstoff, einen solchen Rahmen auf.
Die DE 10 2019003 980 Al beschreibt ebenfalls die Gewinnung von Wasserstoff mit Hilfe des Elektrolyseverfahrens. Wasserstoff gewinnt als Energieträger zunehmend an Bedeutung. Die hohen Herstellungskosten und die Transportmöglichkeiten über 700 Bar sind dabei große Herausforderungen. Es besteht die Möglichkeit, Wasserstoff direkt vor Ort mit Hilfe von Solarzellen herzustellen.
Aus der DE 10 2011 081 915 B4 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Spaltung von Wasser bekannt. Durch den Einsatz von elektromagnetischen Feldern im Hochfrequenzbereich in Kombination mit einer elektrischen Plasmaentladung in der Gasphase und/oder dem Grenzbereich zwischen Wasser- und Gasphase. Das Verfahren und die Vorrichtung können insbesondere zur Bildung von Wasserstoff (H2) aus Wasser (H2O), zur Bildung von reaktiven oxidierenden und/oder reduzierenden Spezies, zum Abbau von Schadstoffen, zur Hygienisierung von Wasser und/oder zur Entsalzung von Meerwasser oder anderem salzhaltigen Wasser vorzugsweise in Verbindung mit anderen vorgenannten Anwendungen eingesetzt werden.
Die EP 3919438 Al betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Spaltung eines kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsmaterials. Bei dem Verfahren wird aus zumindest einem Anteil des gas- oder dampfförmig vorliegenden oder in Gas- oder Dampfform gebrachten Ausgangsmaterials mittels auf das Ausgangsmaterial wirkender Mikrowellenstrahlung in einer Mikrowellen-Plasmavorrichtung ein nichtthermisches Mikrowellenplasma erzeugt. Dabei wird das Ausgangsmaterial in einen Kohlenstoffanteil und einen Wasserstoff anteil gespalten. Weiterhin werden der Kohlenstoffanteil und Wasserstoffanteil in einem Trennvorgang außerhalb der Mikrowellen-Plasmavorrichtung voneinander getrennt.
Die bekannten Vorrichtungen und Verfahren haben den Nachteil, dass relativ viel Energie aufgewendet werden muss, um Wasserstoff (H2) für technische Anwendungen zu gewinnen. Die Effizienz ist bei den bekannten Vorrichtungen und Verfahren zu gering bzw. steigerungsfähig.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und Moleküle, insbesondere Wassermoleküle, möglichst energieeffizienter aufzuspalten, wie es beispielsweise bei der Elektrolyse erfolgt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einem Prozessreaktor zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes oder Stoffgemisches in einem Trennprozess der eingangs genannten Art f) die Trennmittel mindestens zwei beabstandete Elektroden aufweisen, welche mit einer RF-Frequenz zur Erzeugung eines Plasmas aus einem Plasmagas beaufschlagt werden, wobei g) eine Pumpe zum Betreiben des Reaktionsraums bei Unterdrück vorgesehen ist.
Die Erfindung beruht auf dem Prinzip einen Stoff oder ein Stoffgemisch durch ein Plasma zu zerlegen und die Spaltprodukte zu separieren. Die Arbeit bei Unterdrück erlaubt es, dass der Stoff bzw. das Stoffgemisch durch das Plasma besonders effektiv aufgespalten werden. Die Plasmatechnologie wird häufig im Bereich der Herstellung von Halbleitern eingesetzt. Dabei werden Anlagen eingesetzt, die die Gase zum Ätzen oder zum Abscheiden von Molekülen auf dem zu bearbeitenden Halbleiter verwenden. Bei den Arbeitsprozessen entsteht insbesondere auch Wasserstoff. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass sich die Plasmatechnologie allgemein auch auf die Herstellung von Wasserstoff anwenden lässt. Grundsätzlich lassen sich mit der Plasmatechnologie auch andere gasförmige Stoffe aufspalten. Der zu bearbeitende Stoff wird dabei möglichst gleichmäßig in das Plasma eingebracht.
Das Plasma entsteht aus einem Plasmagas, wie beispielsweise das Edelgas Argon (Ar), welches durch ein elektrisches RF-Wechselfeld gezündet wird. Das Plasmagas kann allerdings auch ein Gasgemisch sein, welches z.B. aus Argon (Ar) und Xenon (Xe) besteht. Die Mengenanteile der Komponenten des Gasgemisches können jeweils an den Bedarf für das erzeugte Plasma und das jeweils aufzuspaltende Molekül angepasst werden. Das elektrische RF-Wechselfeld wird zwischen zwei Elektroden erzeugt, in die das Plasmagas geleitet wird. Durch Trennen der Spaltprodukte und des Plasmagases erhält man das gewünschte Spaltprodukt, wie beispielsweise Wasserstoff (Hz). Der Trennprozess lässt sich extrem leicht skalieren. Dabei kommt es lediglich auf die Ausdehnung des Reaktionsraums und auf die Ausdehnung der Elektroden und damit die einhergehende Ausdehnung des Plasmas an.
Als vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Prozessreaktors zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes oder Stoffgemisches in einem Trennprozess besteht darin, dass mindestens zwei beabstandete Elektroden aus parallelen Platten gebildet werden. Diese Maßnahme dient dazu, die Fläche der Elektroden möglichst so zu gestalten, dass sich ein entsprechend großes Plasma bilden kann, in dem der Trennprozess erfolgt. Denn je größer das Plasma ist, desto mehr Trennprozesse finden statt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Prozessreaktors besteht darin, dass der Molekülseparator der Pumpe nachgeschaltet ist. Hierdurch werden die Spaltprodukte zunächst aus dem Prozessraum evakuiert und anschließend voneinander getrennt. Die Spaltprodukte und auch das Plasmagas lassen sich anschließend leichter ihren Bestimmungen zuführen. Das Plasmagas kann beispielsweise erneut im Reaktionsraum des Prozessreaktors zur Erzeugung eines Plasmas verwendet werden.
Eine bevorzugte und vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Prozessreaktors besteht ferner darin, dass mindestens eine Gaszuführung mit mindestens einer Austrittsöffnung gleichmäßig den gasförmigen Stoff oder die gasförmigen Stoffgemische zwischen die Elektroden in zum Reaktionsort im Plasma führt. Diese Maßnahme dient dazu, den gasförmigen Stoff oder die gasförmigen Stoffgemische möglichst erst am Reaktionsort freizugeben, damit es insbesondere nicht zu Abscheidung oder anderen unerwünschten Effekten kommt.
Eine vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Reaktors erhält man zudem dadurch, dass mindestens eine Austrittsöffnung als Lavaldüse ausgebildet ist. Eine oder mehrere einfache Austrittsöffnungen können das zu verarbeitende Gas nicht gleichmäßig an den Reaktionsort in das Plasma bringen. Eine Lavaldüse ist ein Strömungsorgan, bei dem sich der Querschnitt zunächst verengt und anschließend weitet, wobei der Übergang von einem zum anderen Teil stetig erfolgt. Die Querschnittsfläche ist üblicherweise an jeder Stelle kreis- oder ellipsenförmig. Die Lavaldüsen haben durch ihre Form die Eigenschaft, dass sie das zu bearbeitende Gas gezielt und extrem gleichmäßig und großflächig in das Plasma am Reaktionsort befördern können. Die Gleichmäßigkeit bleibt auch bei sehr hohen Gasgeschwindigkeiten bzw. Drücken bestehen. So lassen sich beispielsweise Gasgeschwindigkeiten von 300 m/s und mehr realisieren, wodurch auch eine große Gasmenge pro Zeiteinheit durch das Plasma geschickt werden kann. Auf diese Weise können sehr viele Moleküle des zu bearbeitenden Gases im Plasma aufgespalten werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Prozessreaktors ergibt sich dadurch, dass Pulsmittel vorgesehen sind, welche den gasförmigen Stoff oder das Stoffgemisches aus mindestens einer Austrittsöffnung gepulst austreten lassen. Das stoßweise Ausströmen des gasförmigen Stoffes oder Stoffgemisches erhöht die Teilchendichte pro Volumeneinheit. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit des Aufspaltens eines Moleküls in dem Plasma erheblich erhöht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Prozessreaktors umschließt die Gasführung den Reaktionsort zumindest teilweise, wobei die mindestens eine Austrittsöffnung zum Reaktionsort gerichtet ist. Diese Maßnahme dient dazu, dass die Gaszuführung von möglichst vielen Seiten das zu bearbeitende Gas in das Plasma für die Aufspaltung befördert. Die Gaszuführung kann dazu an seinem Ende einen Auslasskörper enthalten, der dann die Austrittsöffnungen bzw. die Lavaldüsen enthält. Dieser Auslasskörper kann beispielsweise ringförmig oder auch u-förmig ausgebildet sein.
Weiterhin ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Prozessreaktors eine Heizvorrichtung vor dem Gaseinlass vorgesehen, welche eine flüssige Phase eines Stoffes und/oder Stoffgemisches in eine gasförmige Phase überführt. Flüssiges Wasser (H2O) kann auf diese Weise beispielsweise einfach durch Erhitzen in die Dampfphase übergeführt werden. Der Dampf bzw. das Gas kann dann durch die Gaszuführung zum Reaktionsort geleitet werden. Die Effizienz des Trennprozesses kann zusätzlich dadurch noch erheblich gesteigert werden, wenn bei einem erfindungsgemäßen Prozessreaktor Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Feldes im Reaktionsraum vorgesehen sind. Das Magnetfeld wirkt dabei auf die Reaktion, die zwischen dem Plasma und dem aufzuspaltenden gasförmigen Stoff erfolgt.
Eine besonders vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Prozessreaktors zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes oder Stoffgemisches in einem Trennprozess wird zudem dadurch erreicht, dass die Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Feldes mindestens eine elektrisch betriebene Magnetspule enthalten. Die Magnetspule lässt sich durch den veränderbaren elektrischen Strom, der durch die Magnetspulen fließt, leicht auf den Trennprozess im Plasma abstimmen.
In einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Prozessreaktors ist ein Wechselspannungsgenerator für die mindestens eine Magnetspule vorgesehen, welche ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Bei dieser Variante wirkt das magnetische Wechselfeld effizienzsteigernd auf die Produktionsrate der abgespaltenen Spaltprodukte. Durch das magnetische Wechselfeld kommt es nämlich noch zu zusätzlichen Wechselwirkungen zwischen den Reaktionspartnern, die die Trennprozesse positiv beeinflussen.
Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Prozessreaktors ergibt sich ferner dadurch, dass das magnetische Feld senkrecht zum elektrischen Feld der Elektroden angeordnet ist. Auch diese Maßnahme erhöht die Produktionsrate der Spaltprodukte.
In einer besonderen Variante des erfindungsgemäßen Prozessreaktors werden Paare von Elektroden gebildet, welche in Reihe bzw. stapelweise angeordnet sind, wobei jeweils zwischen einem Elektrodenpaar ein Plasma erzeugt wird. Bei einem einzelnen Elektrodenpaar ist die Produktionsrate der Spaltprodukte durch die Größe des Plasmas und der Ausdehnung der Elektroden begrenzt. Durch stapeln der Elektrodenpaare lässt sich die Produktion der Spaltprodukte erheblich vergrößern. Denn die Flächen der Elektrodenpaare und das Plasmavolumen lässt sich in dem Reaktionsraum durch diese Anordnung auf engstem Raum erheblich erweitern. Diese stapelbare Anordnung hilft somit auch die Spaltung kostengünstig im größeren Maßstab durchzuführen. Denn es wird nur ein Reaktionsraum benötigt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Prozessreaktors besteht darin, dass jeweils ein Isolator die Elektrodenpaare trennt. Der Isolator bewirkt dabei, dass die einzelnen Elektrodenpaare, zwischen denen sich das Plasma befindet, sich nicht gegenseitig in unerwünschter Weise beeinflussen. Hierdurch sind die Elektrodenpaare gegeneinander abgeschirmt.
Weiterhin weist dann in einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Prozessreaktors der Isolator jeweils einen Eisenkern und/oder einen Permanentmagneten auf. Der Eisenkern dient als einfacher Verstärker für das magnetische Feld. So lässt sich mit wenig Aufwand die Effizienz des magnetischen Feldes auf das Plasma und damit auf die Spaltreaktionen erhöhen. Ein Permanentmagnet kann u.a. eingesetzt werden, wenn kein externes Magnetfeld anliegt.
Ferner ist in einer sehr vorteilhaften und bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Prozessreaktors ein Katalysator zur Beschleunigung des Trennprozesses vorgesehen. Der Katalysator beschleunigt die Reaktionen, so dass der Energieaufwand zum Trennen des Stoffes bzw. des Stoffgemisches geringer ausfällt. Somit wird eine erhebliche Effizienzsteigerung mit dem Katalysator erreicht. Hierbei kann das Licht des Plasmas in Verbindung mit dem Katalysator eine zusätzliche Verstärkung des Aufspaltungsprozesses bewirken. Denn die bei der Plasmaerzeugung entstandenen Photonen können nun ausreichende Energie aufweisen, die im Zusammenwirken mit dem Katalysator eine Aufspaltung des Moleküls ermöglichen. Der Katalysator kann dabei insbesondere auch gasförmig in den Reaktionsraum zum Reaktionsort eingebracht werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Prozessreaktors ist vorgesehen, dass der Katalysator Titanoxyd enthält. Titanoxid beschleunigt die Aufspaltung eines Stoffes bzw. Stoffgemisches in einem erheblichen Maße. Daher ist Titanoxid ein Stoff, der sich besonders gut als Katalysator eignet. Auch hier verstärkt das Licht des Plasmas in Verbindung mit dem Katalysator zusätzlich den Aufspaltungsprozess.
Eine besondere Variante des erfindungsgemäßen Prozessreaktors besteht darin, dass die Elektroden und/oder Wände des Reaktionsraums mit dem Katalysator beschichtet sind. Um zu vermeiden, dass der Katalysator mit dem zu spaltenden Stoff bzw. Stoffgemisch in den Reaktionsraum eingebracht werden muss, werden die Elektroden und/oder Wände des Reaktionsraums mit dem Katalysator beschichtet. Die Beschichtung kann durchaus auch im laufenden Betrieb erfolgen, indem beispielsweise Titanoxid an den Wänden bzw. Elektroden abgeschieden wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe ferner dadurch gelöst, dass Verfahren zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes oder Stoffgemisches in einem Trennprozess mit einem Prozessreaktor mit den vorgenannten Merkmalen, mit den Verfahrensschritten: a) Erzeugen eines Unterdrucks in dem Reaktionsraum mit der Pumpe, b) Erzeugen eines Plasmas aus dem Plasmagas zwischen den Elektroden, welche mit einer RF-Frequenz beaufschlagt werden, c) Einleiten des aufzuspaltenden Gases oder Gasgemisches durch den Gaseinlass des Prozessreaktors, d) Zuführen des Gases oder Gasgemisches durch die Gaszuführung zwischen die Elektroden, e) Separieren der unterschiedlichen Molekülbestandteile bzw. neu aus den
Molekülbestandteilen entstandene Moleküle mittels eines Molekülseparators. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf dem Prinzip einen Stoff oder ein Stoffgemisch durch ein Plasma zu zerlegen und die Spaltprodukte zu separieren. Die Arbeit bei Unterdrück erlaubt es, dass der Stoff bzw. das Stoffgemisch durch das Plasma besonders effektiv aufgespalten werden. Bei den Arbeitsprozessen entsteht insbesondere auch Wasserstoff. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass sich die Plasmatechnologie allgemein auch auf die Herstellung von Wasserstoff anwenden lässt. Grundsätzlich lassen sich mit der Plasmatechnologie auch andere gasförmige Stoffe aufspalten. Der zu bearbeitende Stoff wird dabei möglichst gleichmäßig in das Plasma eingebracht. Das Plasma entsteht aus einem Plasmagas, wie beispielsweise das Edelgas Argon (Ar), welches durch ein elektrisches RF-Wechselfeld gezündet wird. Das elektrische RF-Wechselfeld wird zwischen zwei Elektroden erzeugt, in die das Plasmagas geleitet wird. Durch Trennen der Spaltprodukte und des Plasmagases erhält man das gewünschte Spaltprodukt, wie beispielsweise Wasserstoff (Hz).
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile ergeben sich aus dem Gegenstand der Unteransprüche sowie den Zeichnungen mit den dazugehörigen Beschreibungen. Ausführungsbeispiele sind nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei können zudem räumlich relative Begriffe, wie z.B. „unterhalb", „unter", „unterer", „oberhalb", „oberer" und dergleichen, im vorliegenden Text verwendet werden, um die Beschreibung zu vereinfachen sowie um die Beziehung eines Elements oder Strukturelements zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturelementen zu beschreiben, wie in den Figuren veranschaulicht. Die räumlich relativen Begriffe sollen neben der in den Figuren gezeigten Ausrichtung noch weitere Ausrichtungen der Vorrichtung während des Gebrauchs oder Betriebes umfassen. Die Vorrichtung kann auch anders ausgerichtet (90 Grad gedreht oder anders ausgerichtet) sein, und die im vorliegenden Text verwendeten räumlich relativen Deskriptoren können gleichermaßen entsprechend interpretiert werden.
Die Erfindung soll nicht alleine auf diese aufgeführten Ausführungsbeispiele beschränkt werden. Sie dienen lediglich zur näheren Erläuterung der Erfindung. Die vorliegende Erfindung soll sich auf alle Gegenstände beziehen, die jetzt und zukünftig der Fachmann als naheliegend zur Realisierung der Erfindung heranziehen würde. Außerdem wird der Inhalt der zitierten Druckschriften zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung gemacht.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Fig. 1 zeigt in einem ersten Ausführungsbeispiel eine schematische Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Prozessreaktors zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes oder Stoffgemisches in einem Trennprozess mit einem Paar paralleler Elektrodenplatten in einem Längsschnitt.
Fig. 2 zeigt in einer schematischen Prinzipskizze einen Querschnitt durch einen Prozessreaktor gemäß Fig. 1
Fig. 3 zeigt in einem zweiten Ausführungsbeispiel eine schematische Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Prozessreaktors zum Abspalten von
Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes oder Stoffgemisches in einem Trennprozess mit einem Stapel von Paaren paralleler Elektrodenplatten in einem Längsschnitt.
Bevorzugtes Ausführungsbeispiel
In Fig. 1 wird in einem schematischen Längsschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Prozessreaktors 10 dargestellt. Der Prozessreaktor 10 umfasst einen Reaktionsraum 12 mit Wänden 13, in dem Molekülbestandteile eines gasförmigen Stoffes oder Stoffgemisches in einem Trennprozess abgespalten bzw. getrennt werden. Bei einem solchen Trennprozess werden beispielsweise Wassermoleküle in seine atomaren Elemente Sauerstoff und Wasserstoff gespalten. In einem Innenraum 14 des Reaktionsraums 12 ist ein Paar paralleler und beabstandeter Elektrodenplatten 16, 18 angeordnet, welche einen Zwischenraum 20 bilden. Die Elektrodenplatten 16, 18 sind, ebenso wie die Wände 13 des Innenraums 14 des Reaktionsraums 12, mit einem geeigneten Katalysator 22 für die Reaktion beschichtet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Katalysatorschicht 22 um Titanoxyd. Die Beschichtung mit der Katalysatorschicht kann im laufenden Betrieb erfolgen. Ein Plasmagas, hier mit „C" bezeichnet, vorzugsweise ein Edelgas, wie z.B. Argon (Ar), wird aus einem Plasmagasbehälter 24 über eine Gasleitung 26 zu einem Einlass 28 für Plasmagas C in den Reaktionsraum 12 geführt. Das Plasmagas C kann auch ein Gasgemisch sein, welches z.B. aus Argon (Ar) und Xenon (Xe) besteht. Die Mengenanteile der Komponenten des Gasgemisches können jeweils an den Bedarf für das erzeugte Plasma und das jeweils aufzuspaltende Molekül angepasst werden. Die eingelassene Gasmenge des Plasmagas wird dabei über ein erstes steuerbares Ventil 30 geregelt.
Über eine Gaszuführung 32 wird ein gasförmiger Stoff, hier mit „AB" bezeichnet, oder ggf. ein Stoffgemisch zum Abspalten von Molekülbestandteilen in den Reaktionsraum 12 in den Zwischenraum 20 geführt. Der zu verarbeitende Stoff AB bzw. das Stoffgemisch befindet sich in einem Behälter 34. Dabei kann der Stoff dort auch beispielsweise in flüssiger Phase vorliegen. Durch einfaches Erhitzen mittels einer entsprechenden Heizvorrichtung 36 kann der Stoff bzw. das Stoffgemisch vor Eintritt in den Reaktionsraum 12 in eine leichter verarbeitbare gasförmige Phase übergehen.
Ein zweites steuerbares Ventil 38 regelt die Gasmenge des Stoffs AB bzw. des Stoffgemischs als zu bearbeitendes Gas, welche durch einen weiteren Einlass 40 in den Innenraum 14 des Reaktionsraums 12 geleitet wird. Die Gaszuführung 32 mündet in einen Auslasskörper 42, welcher den Zwischenraum 20 zwischen den Elektrodenplatten 16, 18 in diesem Ausführungsbeispiel von u-förmig umschließt (siehe auch Fig. 2). Der Zwischenraum 20 bildet schließlich einen Reaktionsort 21, da hier die wesentlichen Trennprozesse stattfinden. Der Auslasskörper 42 ist rohrförmig ausgestaltet. Der Auslassköper 42 weist Austrittsöffnungen 43 auf, welche auf den Zwischenraum 20, der von den Elektrodenplatten 16, 18 gebildet wird, gerichtet sind. Die Austrittsöffnungen 43 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Lavaldüsen 44 ausgestaltet. Das zu bearbeitende Gas AB tritt durch die Lavaldüsen 44 des Auslasskörpers 42 aus und strömt zwischen die Elektrodenplatten 16, 18, wie mit Pfeilen 46 angedeutet wird. Mit Pulsmitteln 47 wird der aus den Austrittsöffnungen 43 austretende gasförmige Stoff 46 oder das Stoffgemisch gepulst. Es treten somit nur stoßweise bzw. pulsierende Gasmengen aus den Austrittsöffnungen 43. Die Pulsdauer liegt dabei z.B. in einem Bereich von 10 ms bis 50 ms.
Die Elektrodenplatten 16, 18 werden mit einer hochfrequenten Wechselspannung über elektrische Leitungen 48 beaufschlagt. Die RF-Wechselspannung wird von einem Wechselspannungsgenerator 50 erzeugt. Die Frequenz der RF-Wechselspannung liegt im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Bereich von 60 MHz. Durch die hochfrequente RF- Wechselspannung entsteht ein elektrisches Wechselfeld, welches in seiner Wechselwirkung energetisch auf das Plasmagas wirkt und es zündet. Es entsteht zwischen den Elektrodenplatten 16, 18 ein Plasma 52. Trennmittel 53 umfassen die Elektrodenplatten 16, 18 und das Plasma 52, welches das Gas AB in die Spaltprodukte A und B aufspaltet.
Das aus den Lavaldüsen 44 des Auslasskörpers 42 austretende Gas AB trifft dann auf das Plasma 52, welches das eintretende Gas AB idealerweise so aufspaltet, dass die Molekülbestandteile A und B entstehen. Da das Plasma 52 aus einem Edelgas generiert wird, kann das Plasmagas C selbst nicht mit den abgespaltenen bzw. aufgespaltenen Bestandteilen A und B des zu bearbeitenden Gases AB reagieren.
Die Wechselwirkung des Plasmas 52 mit dem Gas AB wird weiterhin noch durch ein magnetisches Wechselfeld verstärkt. Dazu sind Spulen 54, 56 seitlich an dem Reaktionsraum 12 zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds angeordnet. Das magnetische Wechselfeld ist in diesem Ausführungsbeispiel dabei im Wesentlichen senkrecht zum elektrischen Wechselfeld zwischen den Elektrodenplatten 16, 18 vorgesehen. Die Spulen 54, 56 werden ebenfalls mit einer RF-Wechselspannung eines weiteren Wechselspannungsgenerators 58 über elektrische Leitungen 60 beaufschlagt. An ihren jeweiligen Rückseiten 62, 64 weisen die Elektrodenplatten 16, 18 jeweils einen elektrischen Isolator 66, 68 als Abschirmung auf. In diesen Isolatoren 66, 68 sind Eisenkerne 70, 72 vorgesehen. Diese Eisenkerne 70, 72 verstärken das magnetische Wechselfeld, welches von den Spulen 54, 56 erzeugt wird.
Neben dem Plasmagas C werden auch die Spaltprodukte, also die Molekülbestandteile A und B, welche aus dem Gas AB entstanden sind, durch einen unteren Gasauslass 73, welche einen des Reaktionsraums mit eine Pumpe 74 aus dem Reaktionsraum 12 abgesaugt. Die Pumpe 74 ist dazu an dem Gasauslass 73 des Reaktionsraums 12 dicht abschließend angeflanscht. In diesem Ausführungsbeispiel hält die Pumpe 74 im Betrieb des Prozessreaktors 10 in dem Reaktionsraum 10 einen Unterdrück von typischerweise 200 mTorr.
Das Gasgemisch A, B, C, d.h. die unterschiedlichen Spaltprodukte A und B, sowie das Plasmagas C werden einem Molekülseparator 76 zugeführt. Der Molekülseparator 76 ist dazu der Pumpe 74 nachgeordnet am Auslass 77 der Pumpe 74 dicht montiert. Der Molekülseparator 76 trennt die Komponenten A, B, C des Gasgemisches voneinander. Das Plasmagas C wird danach wieder dem Plasmagasbehälter 24 über die Gasleitung 78 zugeführt. Der Molekülseparator 76 kann z.B. mit semipermeablen Membranen 80, 82 arbeiten. Dabei werden nur Moleküle mit einem bestimmten Durchmesser durch eine der semipermeablen Membranen 78, 80 jeweils in einen separaten Raum 84, 86, 88 des Separators 76 durchgelassen. Von dort können die getrennten Gase A, B, C ihrer Bestimmung zugeführt werden.
In Fig. 2 wird ein horizontaler Schnitt des Prozessreaktors 10 gemäß Figur 1 als vereinfachte Prinzipskizze dargestellt. Soweit sich die Figuren entsprechen, werden auch die gleichen Bezugszeichen verwendet. Im Innenraum 14 des Reaktionsraums 12 ist die obere Elektrodenplatte 16 zu sehen. Die Elektrodenplatte 16 wird von dem u-förmigen Auslasskörper 42 von drei Seiten umgeben.
Die Gaszuführung 32 mündet in dem Auslasskörper 42. Der Auslasskörper 42 verfügt über die zahlreichen Austrittsöffnungen 43. Die Austrittsöffnungen 43 sind als Lavaldüsen 44 ausgebildet. Die Lavaldüsen 44 sind dabei gleichmäßig nach innen zum Zwischenraum 20 ausgerichtet. Hierdurch wird eine möglichst gute Verteilung des zu bearbeitenden Gases 46 in dem Zwischenraum 20 zwischen den Elektrodenplatten 16, 18 erreicht. Eine gleichmäßige Verteilung des zu bearbeitenden Gases bewirkt auch eine kontinuierliche Wechselwirkung mit dem Plasma 52 und eine effektive Aufspaltung des zu bearbeitenden Gases 46. Pfeile 90 deuten an, wie das Gas 46 durch die Lavaldüsen 44 aus dem Auslasskörper 42 strömt. Mit den Pulsmitteln 47 wird der gasförmige Stoff 46 oder das Stoffgemisch gepulst in den Reaktionsort 21 eingebracht.
Die Spulen 54, 56 sind seitlich an dem Reaktionsraum 12 zur Erzeugung des Magnetwechselfeldes angebracht. Dieses magnetische Wechselfeld ist senkrecht zu dem elektrischen Wechselfeld, welches durch Elektrodenplatten 16, 18 ausgebildet wird, angeordnet. Elektrisches und magnetisches Wechselfeld werden in ihrer Wirkung aufeinander abgestimmt.
Als gestrichelte Linien ist der Molekülseparator 76 und die Pumpe 74 in dieser Abbildung zu sehen. Die Pumpe 74 evakuiert den Reaktionsraum 12 und hält diesen auf einem Unterdrück von ca. 200 mTorr. Der Molekülseparator 76 enthält die separaten Räume 84, 86 und 88, welche durch die semipermeablen Membranen 80, 82 voneinander getrennt werden. Diese semipermeablen Membranen sind so ausgestaltet, dass sie nur Moleküle mit bestimmten Durchmessern passieren lassen. Hierdurch kann eine Trennung der Spaltprodukte A, B und des Plasmagases C durchgeführt werden. In jedem der Räume 84, 86, 88 sollen sich dann die Gase A, B und C für eine weitere Verwendung befinden.
Die Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Prozessreaktors 10 zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes oder Stoffgemisches in einem Trennprozess. Der Prozessreaktor 10 ist als schematische Prinzipskizze in einem Längsschnitt dargestellt. Soweit die Bestandteile in dieser Abbildung den vorherigen Figuren entsprechen, werden auch die gleichen Bezugszeichen verwendet. Statt eines einzigen Paares von den Elektrodenplatten 16, 18 sind hiervon mehrere Paare zu einem Stapel 92 hintereinander bzw. übereinander angeordnet.
In dem Innenraum 14 des Reaktionsraums 12 wird der Stapel 92 von paarweise und parallel angeordneten Elektrodenplatten 16, 18 gebildet. Jedes Paar Elektrodenplatten 16, 18 weist den Zwischenraum 20 auf, der den Reaktionsort 21 bildet. Die Elektrodenplatten 16, 18 sind, ebenso wie der Innenraum 14 des Reaktionsraums 12, mit dem Katalysator 22 für die Reaktion beschichtet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Katalysatorschicht 22 um Titanoxyd. Die Beschichtung mit dem Katalysator 22 kann im laufenden Betrieb des Prozessreaktors durch geeignete Abscheidung erfolgen. Das Plasmagas C ist auch hier ein Edelgas, wie z.B. Argon (Ar). Grundsätzlich könnte auch ein Edelgasgemisch aus unterschiedlichen Edelgasen als Plasmagasgemisch verwendet werden. Das Plasmagas C wird aus dem Plasmagasbehälter 24 über die Gasleitung 26 durch den Einlass 28 in den Reaktionsraum 12 geführt. Die notwendige und eingelassene Gasmenge des Plasmagases 10 wird dabei über ein erstes steuerbares Ventil 30 geregelt.
Der gasförmige Stoff AB wird zum Aufspalten über die Gaszuführung 32 in den Reaktionsraum 12 zu den Zwischenräumen 20, analog zu Fig. 1, geführt. Die Gaszuführung 32 umfasst dazu Abzweigungen 94, die jeweils in den Auslasskörpern 42 münden. Der zu verarbeitende Stoff AB befindet sich zunächst in dem Behälter 34. Dabei kann der Stoff AB dort beispielsweise auch in flüssiger Phase vorliegen, wie Wasser (H2O). Die Heizvorrichtung 36 generiert bei Bedarf daraus ein Gas, bevor es in den Reaktionsraum 12 eingelassen wird.
Das zweite Ventil 38 steuert die notwendige Gasmenge des Stoffs AB, welche durch den Einlass 40 in den Innenraum 14 des Reaktionsraums 12 geleitet wird. Jedem Zwischenraum 20, der zwischen den paarweise angeordneten Elektrodenplatten 16, 18 liegt, wird ein eigener Auslasskörper 42 zugeordnet. Diese Auslasskörper 42 umschließen entsprechend Fig. 2 den Raum zwischen den Elektrodenplatten 16, 18 u-förmig. Jeder Auslasskörper 42 ist hier rohrförmig ausgestaltet und weist die Austrittsöffnungen 43 auf. Die Austrittsöffnungen 43 sind als Lavaldüsen 44 ausgebildet, welche jeweils auf ihren zugeordneten Zwischenraum 20 gerichtet sind. Das Gas AB tritt im Betrieb des Prozessreaktors 10 durch die Lavaldüsen 44 der Auslasskörpers 42 aus und strömt durch die Pulsmittel 47 gepulst jeweils zwischen die Elektrodenplatten 16, 18.
Die Elektrodenplatten 16, 18 werden mit einer hochfrequenten Wechselspannung beaufschlagt. Die RF-Wechselspannung wird von dem in dieser Abbildung nicht dargestellten Wechselspannungsgenerator 50 erzeugt. Die Frequenz der RF- Wechselspannung liegt auch hier im Bereich von 60 MHz. Die anliegende RF- Wechselspannung wird für den Stapel 92 auf die Elektrodenplatten 16, 18 aufeinander abgestimmt bzw. synchronisiert. Durch die hochfrequente Wechselspannung entsteht zwischen sämtlichen Zwischenräumen 20 des Stapels 92 ein elektrisches Wechselfeld, welches in seiner Wechselwirkung energetisch auf das Plasmagas wirkt und es zündet. Es entsteht zwischen den Elektrodenplatten 16, 18 ein Plasma 52.
Das aus den Lavaldüsen 44 des Auslasskörpers 42 austretende Gas AB trifft dann auf das Plasma 52, welches das eintretende Gas AB idealerweise so aufspaltet, dass die Molekülbestandteile A und B entstehen. Da das Plasma 52 aus einem Edelgas generiert wird, kann das Plasmagas C selbst nicht mit den abgespaltenen bzw. aufgespaltenen Bestandteilen A und B des zu bearbeitenden Gases AB reagieren.
Die Wechselwirkung des Plasmas 52 mit dem Gas AB wird weiterhin noch durch das magnetische Wechselfeld verstärkt, welches durch die seitlich an dem Reaktionsraum 12 angebrachten Spulen 54, 56 erzeugt wird. Das magnetische Wechselfeld ist im Wesentlichen senkrecht zum elektrischen Wechselfeld zwischen den Elektrodenplatten 16, 18 vorgesehen. Die Spulen 54, 56 werden ebenfalls mit einer RF-Wechselspannung eines weiteren nicht dargestellten Wechselspannungsgenerators 58 beaufschlagt. An ihren jeweiligen Rückseiten 62, 64 weisen die Elektrodenplatten 16, 18 die elektrischen Isolatoren 66, 68 als Abschirmung auf. Die Isolatoren 66, 68 verhindern, dass sich die Paare der Elektrodenplatten 16, 18 nicht untereinander beeinflussen. In diesen Isolatoren 66, 68 sind zudem die Eisenkerne 70, 72 eingelagert. Diese Eisenkerne 70, 72 verstärken das magnetische Wechselfeld, welches von den Spulen 54, 56 erzeugt wird.
Sowohl das Plasmagas C, als auch die Spaltprodukte, die Molekülbestandteile A und B werden durch die Pumpe 74 in Richtung Pfeile 96 durch den unteren Gasauslass 73 aus dem Reaktionsraum 12 evakuiert. Die Pumpe 74 ist dazu an dem Gasauslass 73 des Reaktionsraums 12 dicht abschließend angeflanscht. Die Pumpe 74 sorgt im Betrieb dafür, dass in dem Reaktionsraum 10 ein Unterdrück von typischerweise 200 mTorr herrscht.
Das Gasgemisch A, B, C, d.h. die unterschiedlichen Spaltprodukte A und B, sowie das Plasmagas C werden dem Molekülseparator 76 zugeführt. Der Molekülseparator 76 ist dazu der Pumpe 74 nachgeordnet. Dazu ist der Molekülseparator 76 am Auslass 77 der Pumpe 74 dicht montiert. Der Molekülseparator 76 trennt die Komponenten A, B, C des Gasgemisches voneinander. Das Plasmagas C wird danach wieder dem Plasmagasbehälter 24 über die Gasleitung 78 zugeführt. Der Molekülseparator 76 arbeitet z.B. mit den semipermeablen Membranen 80, 82. Es können aber beispielsweise auch Gaszentrifugen als Molekülseparator 76 eingesetzt werden. Es werden nur Moleküle mit einem bestimmten Durchmesser durch die entsprechenden semipermeablen Membranen 80,82 jeweils in den separaten Raum 84, 86, 88 des Molekülseparators 76 durchgelassen. Bezugszeichenliste
10 Prozessreaktor 60 elektrische Leitungen
12 Reaktionsraum 62, 64 Rückseiten der Elektroden
13 Wände 66, 68 Isolator
14 Innenraum 70, 72 Eisenkerne
16, 18 Elektrodenplatten 73 Gasauslass
20 Zwischenraum 74 Pumpe
21 Reaktionsort 76 Molekülseparator
22 Katalysatorschicht 77 Auslass der Pumpe
24 Plasmagasbehälter 78 Gasleitungen
26 Gasleitung 80, 82 semipermeable Membranen
28 Einlass für Plasmagas 84,86,88 separate Räume
30 1. steuerbares Ventil 90 Pfeile
32 Gaszuführung 92 Stapel
34 Behälter 94 Abzweig
36 Heizvorrichtung 96 Pfeile
38 2. steuerbares Ventil
40 Einlass für Gas
42 Auslasskörper
43 Austrittsöffnungen
44 Lavaldüsen
46 Gas
47 Pulsmittel
48 elektrische Leitungen
50 Wechselspannungsgenerator
52 Plasma
53 Trennmittel
54, 56 Spulen
58 Wechselspannungsgenerator

Claims

Patentansprüche
1. Prozessreaktor (10) zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes (46) oder Stoffgemisches in einem Trennprozess, enthaltend: a) einen Reaktionsraum (12) mit einem Gaseinlass (28, 40) und einem Gasauslass (73), b) mindestens eine Gaszuführung (32), welche den gasförmigen Stoff (46) oder das gasförmige Stoffgemisch vom Gaseinlass (40) zu einem Reaktionsort (21) in dem Reaktionsraum (12) leitet, c) Trennmittel (53) in dem Reaktionsraum (12) zum Abspalten von Molekülbestandteilen am Reaktionsort (21), d) eine Spannungsversorgung (50, 58) für die Trennmittel (53), e) mindestens einen Molekülseparator (76), welcher unterschiedliche Molekülbestandteile bzw. neu aus den Molekülbestandteilen entstandene Moleküle voneinander separiert, dadurch gekennzeichnet, dass f) die Trennmittel (53) mindestens zwei beabstandete Elektroden (16, 18) aufweisen, welche mit einer RF-Frequenz zur Erzeugung eines Plasmas (52) aus einem Plasmagas beaufschlagt werden, wobei g) eine Pumpe (74) zum Betreiben des Reaktionsraums (12) bei Unterdrück vorgesehen ist.
2. Prozessreaktor (10) zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes (46) oder Stoffgemisches in einem Trennprozess nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei beabstandeten Elektroden
(16, 18) aus parallelen Platten gebildet werden. Prozessreaktor (10) zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes (46) oder Stoffgemisches in einem Trennprozess nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Molekülseparator (76) der Pumpe (74) nachgeschaltet ist. Prozessreaktor (10) zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes (46) oder Stoffgemisches in einem Trennprozess nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Gaszuführung (32, 42) mit mindestens einer Austrittsöffnung (43) gleichmäßig den gasförmigen Stoff (46) oder die gasförmigen Stoffgemische zwischen die Elektroden (16, 18) zum Reaktionsort (21) im Plasma (52) führt. Prozessreaktor (10) zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes (46) oder Stoffgemisches in einem Trennprozess nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Austrittsöffnung (43) als (44) Lavaldüse ausgebildet ist. Prozessreaktor (10) zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes (46) oder Stoffgemisches in einem Trennprozess nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Pulsmittel (47) vorgesehen sind, welche den gasförmigen Stoff (46) oder das Stoffgemischs aus mindestens einer Austrittsöffnung (43) gepulst austreten lassen. Prozessreaktor (10) zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes (46) oder Stoffgemisches in einem Trennprozess nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasführung (32) den Reaktionsort (21) zumindest teilweise umschließt, wobei mindestens eine Austrittsöffnung (43) zum Reaktionsort (21) gerichtet ist. Prozessreaktor (10) zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes (46) oder Stoffgemisches in einem Trennprozess nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizvorrichtung (36) vor dem Gaseinlass (40) vorgesehen ist, welche eine flüssige Phase eines Stoffes (46) und/oder Stoffgemisches in eine gasförmige Phase überführt. Prozessreaktor (10) zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes (46) oder Stoffgemisches in einem Trennprozess nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (54, 56, 70, 72) zur Erzeugung eines magnetischen Feldes im Reaktionsraum (12) vorgesehen sind. Prozessreaktor (10) zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes (46) oder Stoffgemisches in einem Trennprozess nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (54, 56, 70, 72) zur Erzeugung eines magnetischen Feldes mindestens eine elektrisch betriebene Magnetspule (54, 56) enthalten. Prozessreaktor (10) zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes (46) oder Stoffgemisches in einem Trennprozess nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechselspannungsgenerator (58) für die mindestens eine Magnetspule (54, 56) vorgesehen ist, welche ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Prozessreaktor (10) zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes (46) oder Stoffgemisches in einem Trennprozess nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Feld senkrecht zum elektrischen Feld der Elektroden (16, 18) angeordnet ist. Prozessreaktor (10) zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes (46) oder Stoffgemisches in einem Trennprozess nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Paare von Elektroden (16, 18) gebildet werden, welche in Reihe bzw. stapelweise angeordnet sind, wobei jeweils zwischen einem Elektrodenpaar ein Plasma (52) erzeugt wird.
14. Prozessreaktor (10) zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes (46) oder Stoffgemisches in einem Trennprozess nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Isolator die Elektrodenpaare trennt.
15. Prozessreaktor (10) zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes (46) oder Stoffgemisches in einem Trennprozess nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (66, 68) jeweils einen Eisenkern (70, 72) und/oder einen Permanentmagneten aufweist.
16. Prozessreaktor (10) zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes (46) oder Stoffgemisches in einem Trennprozess nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Katalysator (22) zur Beschleunigung des Trennprozesses vorgesehen ist.
17. Prozessreaktor (10) zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes (46) oder Stoffgemisches in einem Trennprozess nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (22) Titanoxyd enthält.
18. Prozessreaktor (10) zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes (46) oder Stoffgemisches in einem Trennprozess nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (16, 18) und/oder Wände (13) des Reaktionsraums (12) mit dem Katalysator (22) beschichtet sind.
19. Verfahren zum Abspalten von Molekülbestandteilen eines gasförmigen Stoffes (46) oder Stoffgemisches in einem Trennprozess mit einem Prozessreaktor (10) gemäß den vorherigen Ansprüchen, mit den Verfahrensschritten: a) Erzeugen eines Unterdrucks in dem Reaktionsraum (12) mit der Pumpe (74), b) Erzeugen eines Plasmas (52) aus dem Plasmagas zwischen den Elektroden (16, 18), welche mit einer RF-Wechselspannung beaufschlagt werden, c) Einleiten des aufzuspaltenden Gases (46) oder Gasgemisches durch den Gaseinlass (40) des Prozessraums (12), d) Zuführen des Gases (40) oder Gasgemisches durch die Gaszuführung (32) zwischen die Elektroden (16, 18), e) Separieren der unterschiedlichen Molekülbestandteile bzw. neu aus den
Molekülbestandteilen entstandene Moleküle mittels eines Molekülseparators (76).
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