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CH720593A1 - DISSOCIATION PROCESS AND SYSTEM FOR THE DISSOCIATION OF CARBON DIOXIDE AND/OR METHANE - Google Patents

DISSOCIATION PROCESS AND SYSTEM FOR THE DISSOCIATION OF CARBON DIOXIDE AND/OR METHANE Download PDF

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Publication number
CH720593A1
CH720593A1 CH000261/2023A CH2612023A CH720593A1 CH 720593 A1 CH720593 A1 CH 720593A1 CH 000261/2023 A CH000261/2023 A CH 000261/2023A CH 2612023 A CH2612023 A CH 2612023A CH 720593 A1 CH720593 A1 CH 720593A1
Authority
CH
Switzerland
Prior art keywords
dissociation
plasma
thermal
microwave
reactor chamber
Prior art date
Application number
CH000261/2023A
Other languages
German (de)
Inventor
Stapela Annelie
Johannes Rossouw Mathys
Original Assignee
Microwave Solutions Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Microwave Solutions Gmbh filed Critical Microwave Solutions Gmbh
Priority to CH000261/2023A priority Critical patent/CH720593A1/en
Priority to PCT/EP2024/053590 priority patent/WO2024184026A1/en
Publication of CH720593A1 publication Critical patent/CH720593A1/en

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Dissoziationsverfahren und ein Dissoziationssystem zur Dissoziation von Kohlendioxid- und/oder Methankomponenten unter Verwendung eines Mikrowellenplasmas. In einer Reaktorkammer (1) wird eine Mikrowellenplasmaumgebung in Form eines nicht-thermischen Plasmas bereitgestellt, das durch Ausüben von Mikrowellenpulsen auf das Plasma als gepulstes Mikrowellenplasma realisiert wird. Kohlendioxid- und/oder Methankomponenten werden in die Reaktorkammer (1) eingeleitet. Das nicht-thermische, gepulste Mikrowellenplasma (P) ist so definiert, dass die Kohlendioxid- und/oder Methankomponenten in Dissoziationsprodukte dissoziiert werden, die vorzugsweise ausgewählt sind aus der Gruppe von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen, Wasserstoff, festem Kohlenstoff, Synthesegas, Kraftstoffen und/oder Oxygenaten.The invention relates to a dissociation method and a dissociation system for dissociating carbon dioxide and/or methane components using a microwave plasma. A microwave plasma environment in the form of a non-thermal plasma is provided in a reactor chamber (1), which is realized as a pulsed microwave plasma by applying microwave pulses to the plasma. Carbon dioxide and/or methane components are introduced into the reactor chamber (1). The non-thermal, pulsed microwave plasma (P) is defined such that the carbon dioxide and/or methane components are dissociated into dissociation products, which are preferably selected from the group of carbon monoxide, hydrocarbons, hydrogen, solid carbon, synthesis gas, fuels and/or oxygenates.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft ein Dissoziationsverfahren und ein Dissoziationssystem zur Dissoziation von Kohlendioxid- und/oder Methankomponenten unter Verwendung einer Mikrowellenplasmabehandlung. [0001] The invention relates to a dissociation method and a dissociation system for dissociating carbon dioxide and/or methane components using a microwave plasma treatment.

[0002] Bemühungen, um Kohlendioxid (CO2) oder Methan (CH4) unter Verwendung verschiedener Verfahren, wie katalytischer Umwandlung, photokatalytischer oder photochemischer Prozesse, elektrokatalytischer oder elektrochemischer Prozesse, enzymatischer oder biomedizinischer Prozesse, zu dissoziieren, sind ausführlich untersucht worden. Es hat sich herausgestellt, dass Verfahren unter Verwendung einer Plasmabehandlung überaus wirksam sind. [0002] Efforts to dissociate carbon dioxide (CO2) or methane (CH4) using various methods such as catalytic conversion, photocatalytic or photochemical processes, electrocatalytic or electrochemical processes, enzymatic or biomedical processes have been extensively studied. Methods using plasma treatment have been found to be extremely effective.

[0003] Zum Beispiel wird in US 9987611 B1 eine nicht-thermische Plasmaumgebung verwendet, um ein Kohlenwasserstoffmaterial zu dissoziieren. Ein Gefäß wird in Kommunikation mit einer ersten Leitung, einer zweiten Leitung und einer Mikrowellenstrahlungsquelle bereitgestellt. Ein erster Strom eines Kohlenwasserstoffvorläufermaterials und ein zweiter Strom eines plasmabildenden Materials werden durch die erste Leitung bzw. die zweite Leitung in das Gefäß eingespritzt. Die Mikrowellenstrahlungsquelle setzt das Kohlenwasserstoffvorläufermaterial und das plasmabildende Material im Gefäß Mikrowellenstrahlung aus. Durch das Aussetzen wird das plasmabildende Material selektiv in nicht-thermisches Plasma umgewandelt. Das nicht-thermische Plasma bildet einen oder mehrere Streamer. Innerhalb des Gefäßes wird das Kohlenwasserstoffvorläufermaterial den Streamern ausgesetzt. Das Aussetzen des Kohlenwasserstoffvorläufermaterials sowohl gegenüber Mikrowellenstrahlung als auch den gebildeten Streamern wandelt das Kohlenwasserstoffvorläufermaterial selektiv in kohlenstoffangereicherte Materialien und wasserstoffangereicherte Materialien um. [0003] For example, in US 9987611 B1, a non-thermal plasma environment is used to dissociate a hydrocarbon material. A vessel is provided in communication with a first conduit, a second conduit and a microwave radiation source. A first stream of a hydrocarbon precursor material and a second stream of a plasma-forming material are injected into the vessel through the first conduit and the second conduit, respectively. The microwave radiation source exposes the hydrocarbon precursor material and the plasma-forming material in the vessel to microwave radiation. The exposure selectively converts the plasma-forming material into non-thermal plasma. The non-thermal plasma forms one or more streamers. Within the vessel, the hydrocarbon precursor material is exposed to the streamers. Exposing the hydrocarbon precursor material to both microwave radiation and the streamers formed selectively converts the hydrocarbon precursor material into carbon-enriched materials and hydrogen-enriched materials.

[0004] In „Non-thermal plasma technology for the conversion of CO2“, Bryony-Ashford, Xin Tu, Department of Electrical Engineering and Electronics, Universität Liverpool, Liverpool L69 3GJ, UK, werden Verfahren zur Kohlendioxidumwandlung erörtert, die eine nicht-thermische Plasmaumgebung verwenden. Im Vergleich zu anderen Prozessen ist dies ein einfacher und schneller Prozess: Das Plasma hat das Potenzial, das Auftreten von thermodynamisch ungünstigen chemischen Reaktionen bei Umgebungsbedingungen zu ermöglichen. Nicht-thermisches Plasma kann bei Atmosphärendruck betrieben werden, während dennoch hochaktive Spezies und Elektronen erzeugt werden. [0004] In "Non-thermal plasma technology for the conversion of CO2", Bryony-Ashford, Xin Tu, Department of Electrical Engineering and Electronics, University of Liverpool, Liverpool L69 3GJ, UK, carbon dioxide conversion methods using a non-thermal plasma environment are discussed. Compared to other processes, this is a simple and rapid process: the plasma has the potential to allow thermodynamically unfavourable chemical reactions to occur at ambient conditions. Non-thermal plasma can operate at atmospheric pressure while still producing highly active species and electrons.

[0005] Die größte Herausforderung, die mit der Verwendung von nicht-thermischem Plasma für Kohlendioxid verbunden ist, besteht im Überwinden der hohen Stabilität des Kohlendioxidmoleküls, da eine hohe Energiezufuhr erforderlich ist, um die C=O-Doppelbindung zu brechen und das Molekül zu dissoziieren. Es besteht ein Kompromiss zwischen Energieeffizienz und Kohlendioxidumwandlung bei Verwendung von Plasmaprozessen, da die Umwandlung zunimmt, wenn die Energiezufuhr erhöht wird, was wiederum eine Abnahme der Energieeffizienz des Kohlendioxiddissoziationsverfahrens verursacht. Um diese Herausforderung anzugehen und den Umwandlungsprozess in der nicht-thermischen Plasmaumgebung zu erleichtern, wird vorgeschlagen, Katalysatoren hinzuzufügen. [0005] The main challenge associated with the use of non-thermal plasma for carbon dioxide is overcoming the high stability of the carbon dioxide molecule since a high energy input is required to break the C=O double bond and dissociate the molecule. There is a trade-off between energy efficiency and carbon dioxide conversion when using plasma processes since the conversion increases as the energy input is increased, which in turn causes a decrease in the energy efficiency of the carbon dioxide dissociation process. To address this challenge and facilitate the conversion process in the non-thermal plasma environment, it is proposed to add catalysts.

[0006] Beispielsweise wird in WO 2010/033530 A3 Ammoniak (NH3) durch Einleiten von Stickstoff (N2), Kohlenmonoxid (CO) und Wasser (H2O) in ein nicht-thermisches Plasma in Gegenwart eines Katalysators produziert, wobei der Katalysator dafür wirksam ist, um die Dissoziation von N2, CO und Wasser zu fördern, um Reaktanten zu bilden, die wiederum reagieren, um Ammoniak und Methan zu bilden. Ein reaktives Wasserstoffion oder freies Radikal wird durch das Verfahren hergestellt, das das Leiten von Wasser durch ein nicht-thermisches Plasma in Gegenwart eines Katalysators umfasst, wobei der Katalysator dafür wirksam ist, um die Dissoziation von Wasser zu fördern. [0006] For example, in WO 2010/033530 A3, ammonia (NH3) is produced by passing nitrogen (N2), carbon monoxide (CO) and water (H2O) into a non-thermal plasma in the presence of a catalyst, the catalyst being effective to promote the dissociation of N2, CO and water to form reactants which in turn react to form ammonia and methane. A reactive hydrogen ion or free radical is produced by the process comprising passing water through a non-thermal plasma in the presence of a catalyst, the catalyst being effective to promote the dissociation of water.

[0007] Bei der Plasmakatalyse wird die Chemie jedoch aufgrund der Wechselwirkungen zwischen Plasma und Katalysator noch komplexer. Die Anzahl verschiedener Katalysatoren, die in Plasmaprozessen verwendet werden können, zusammen mit Variationen von Katalysatorherstellungsverfahren, Beladungsmenge, Vorbehandlung usw., erschweren den Einsatz einer „Universallösung“. [0007] However, in plasma catalysis, the chemistry becomes even more complex due to the interactions between plasma and catalyst. The number of different catalysts that can be used in plasma processes, together with variations in catalyst preparation methods, loading amount, pretreatment, etc., make it difficult to use a "universal solution".

[0008] Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Dissoziationsverfahren und ein Dissoziationssystem zur Dissoziation von Kohlendioxid- und/oder Methankomponenten bereitzustellen, die kosten- und energieeffizient sind, einfach aufgebaut und einfach auszuführen sind und eine Ausbeute von Dissoziationsprodukten erhöhen. [0008] It is an object of the invention to provide a dissociation method and a dissociation system for dissociating carbon dioxide and/or methane components which are cost and energy efficient, simple in construction and easy to carry out and increase a yield of dissociation products.

[0009] Diese und andere Ziele, die aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich werden, lassen sich durch ein Dissoziationsverfahren und ein Dissoziationssystem wie in den beigefügten unabhängigen Ansprüchen dargelegt erreichen. Bevorzugte Ausführungsformen und Varianten sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. [0009] These and other objects which will become apparent from the description below can be achieved by a dissociation method and a dissociation system as set out in the appended independent claims. Preferred embodiments and variants are defined in the dependent claims.

[0010] Ein Dissoziationsverfahren zum Dissoziieren von Kohlendioxid- und/oder Methankomponenten unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Mikrowellenplasmabehandlung umfasst die folgenden Schritte. In einer Reaktorkammer wird eine Mikrowellenplasmaumgebung durch Bestrahlen eines Plasmamaterials unter Verwendung von Mikrowellenstrahlung erreicht. Kohlendioxid- und/oder Methankomponenten werden in die Reaktorkammer und in die Mikrowellenplasmaumgebung eingeleitet. Die Mikrowellenplasmaumgebung ist ein nicht-thermisches Plasma, das als gepulstes Mikrowellenplasma durch Ausüben von Mikrowellenimpulsen auf das Plasmamaterial realisiert wird. Das nicht-thermische, gepulste Mikrowellenplasma ist definiert, um die Kohlendioxid- und/oder Methankomponenten in Dissoziationsprodukte zu dissoziieren. Vorteilhafterweise ist das nicht-thermische, gepulste Mikrowellenplasma so definiert, dass die Dissoziationsprodukte aus der Gruppe von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen, Wasserstoff, festem Kohlenstoff, Synthesegas, Kraftstoffen und/oder Oxygenaten ausgewählt sind. [0010] A dissociation method for dissociating carbon dioxide and/or methane components using a microwave plasma treatment according to the invention comprises the following steps. In a reactor chamber, a microwave plasma environment is achieved by irradiating a plasma material using microwave radiation. Carbon dioxide and/or methane components are introduced into the reactor chamber and into the microwave plasma environment. The microwave plasma environment is a non-thermal plasma which is realized as a pulsed microwave plasma by applying microwave pulses to the plasma material. The non-thermal, pulsed microwave plasma is defined to dissociate the carbon dioxide and/or methane components into dissociation products. Advantageously, the non-thermal, pulsed microwave plasma is defined such that the dissociation products are selected from the group of carbon monoxide, hydrocarbons, hydrogen, solid carbon, synthesis gas, fuels and/or oxygenates.

[0011] Ein Dissoziationssystem zum Ausführen des Dissoziationsverfahrens umfasst mindestens eine Reaktorkammer zum Aufnehmen des nicht-thermischen, gepulsten Mikrowellenplasmas und mindestens einen Mikrowellengenerator und Plasmaapplikator zum Erzeugen des nicht-thermischen gepulsten Mikrowellenplasmas in der Reaktorkammer. Die Reaktorkammer umfasst mindestens einen Einlass zum Einspritzen der Kohlendioxid- und/oder Methankomponenten in die Reaktorkammer und zum Aussetzen der Komponenten dem nicht-thermischen, gepulsten Mikrowellenplasma, und mindestens einen Auslass zum Extrahieren von Dissoziationsprodukten aus der Reaktorkammer. [0011] A dissociation system for carrying out the dissociation process comprises at least one reactor chamber for receiving the non-thermal pulsed microwave plasma and at least one microwave generator and plasma applicator for generating the non-thermal pulsed microwave plasma in the reactor chamber. The reactor chamber comprises at least one inlet for injecting the carbon dioxide and/or methane components into the reactor chamber and exposing the components to the non-thermal pulsed microwave plasma, and at least one outlet for extracting dissociation products from the reactor chamber.

[0012] Beispielsweise kann Kohlendioxid (CO2) oder Methan (CH4) als ein Plasmamaterial verwendet werden. Das Material wird durch den Mikrowellengenerator und den Plasmaapplikator behandelt, um die Elektronen des Materials nur zu thermalisieren. Das resultierende Plasma ist nicht im thermodynamischen Gleichgewicht, da die Temperatur des Elektrons viel heißer ist als die Temperatur der schweren Teilchen des Materials, d. h. Ionen und Neutrale. [0012] For example, carbon dioxide (CO2) or methane (CH4) can be used as a plasma material. The material is treated by the microwave generator and plasma applicator to thermalize only the electrons of the material. The resulting plasma is not in thermodynamic equilibrium because the temperature of the electron is much hotter than the temperature of the heavy particles of the material, i.e. ions and neutrals.

[0013] Die Eigenschaften des nicht-thermischen, gepulsten Mikrowellenplasmas sind so definiert, dass sie spezifische Anforderungen erfüllen, um spezifische Dissoziationsprodukte zu erzielen. Beispielsweise können die unterschiedlichen Dissoziationsprodukte in Form von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen, Wasserstoff, Synthesegas, Kraftstoffen und/oder Oxygenaten unterschiedliche Energien für eine Dissoziation erfordern. Außerdem sind einige Plasmamaterialien für einige Dissoziationsprodukte besser geeignet als für andere. Zum Beispiel dissoziiert Kohlendioxid bei 1800 C° bis 2200 C° zu Kohlenmonoxid und Sauerstoff. Bei höheren Temperaturen bildet Kohlendioxid Kohlenstoffnanomaterialien und Sauerstoff. Bei Temperaturen unter 1500 C° bildet Methan kurzkettige Kohlenwasserstoffe (C2H6, C2H2, C3H8, C3H6usw.) und Wasserstoff. Bei höheren Temperaturen wird die Selektivität von kurzkettigen Kohlenwasserstoffen abnehmen und die Selektivität von Wasserstoff und kohlenstoffbasierten Materialien wird zunehmen. Wenn Kohlendioxid und Methan zusammen verwendet werden, wird als Produkt Wasser (H2O) zusammen mit kurzkettigen Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoffmaterialien gebildet. Wie bereits erwähnt, führt die Zugabe von Stickstoff (N2) und Wasser zu Kohlenmonoxid (und damit Kohlendioxid, da Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid dissoziiert) und zur Erzeugung von Ammoniak (NH3). Vorzugsweise wird eine Mikrowellenfrequenz und/oder Mikrowellenimpulsbreite gemäß Dissoziationsparametern der ausgewählten Dissoziationsprodukte (Beispiele benötigt) ausgewählt. Zum Beispiel kann für Kohlendioxid eine Reaktionszeit von 50 bis 250 Millisekunden verwendet werden. Die Mikrowellenfrequenz und Mikrowellenimpulse definieren die Eigenschaften des nicht-thermischen, gepulsten Mikrowellenplasmas für ein spezifisches Dissoziationsprodukt. Zum Beispiel sind die Mikrowellenfrequenz und der Mikrowellenimpuls für Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff, Synthesegas, Kraftstoffe und Oxygenate unterschiedlich Impulslängen von 250 ms ermöglichen den Abschluss der Dissoziation von CO2. Die Kombination aus selektiver Mikrowellenfrequenz und geeigneten Pulsbreiten ermöglicht eine effiziente Umwandlung und hohe Produktausbeute für unterschiedliche Reagenzienmischungen. [0013] The properties of the non-thermal pulsed microwave plasma are defined to meet specific requirements to achieve specific dissociation products. For example, the different dissociation products in the form of carbon monoxide, hydrocarbons, hydrogen, synthesis gas, fuels and/or oxygenates may require different energies for dissociation. In addition, some plasma materials are better suited to some dissociation products than others. For example, carbon dioxide dissociates at 1800 C° to 2200 C° to carbon monoxide and oxygen. At higher temperatures, carbon dioxide forms carbon nanomaterials and oxygen. At temperatures below 1500 C°, methane forms short-chain hydrocarbons (C2H6, C2H2, C3H8, C3H6, etc.) and hydrogen. At higher temperatures, the selectivity of short-chain hydrocarbons will decrease and the selectivity of hydrogen and carbon-based materials will increase. When carbon dioxide and methane are used together, the product formed is water (H2O) along with short chain hydrocarbons and carbon materials. As mentioned above, the addition of nitrogen (N2) and water results in carbon monoxide (and hence carbon dioxide, since carbon dioxide dissociates to carbon monoxide) and the production of ammonia (NH3). Preferably, a microwave frequency and/or microwave pulse width is selected according to dissociation parameters of the selected dissociation products (examples needed). For example, for carbon dioxide, a reaction time of 50 to 250 milliseconds can be used. The microwave frequency and microwave pulses define the properties of the non-thermal, pulsed microwave plasma for a specific dissociation product. For example, the microwave frequency and microwave pulse are different for carbon monoxide, hydrocarbons, hydrogen, syngas, fuels and oxygenates; pulse lengths of 250 ms allow dissociation of CO2 to be completed. The combination of selective microwave frequency and suitable pulse widths enables efficient conversion and high product yield for different reagent mixtures.

[0014] Vorteilhafterweise stimuliert das nicht-thermische, gepulste Mikrowellenplasma Schwingungsanregungsmodi in den Kohlendioxid- (CO2) und/oder Methan- (CH4) Komponenten. Für die molekulare Dissoziation von Kohlendioxid oder Methan führt eine Schwingungsanregung zu einem effizienteren Prozess als schwingungsfreie Modi. Der Prozess ist schneller und erfordert weniger Energie. Das nicht-thermische, gepulste Mikrowellenplasma ist in der Lage, die Schwingungsmodi effektiv zu stimulieren, und ist ideal zum Umwandeln von CO2oder CH4und weist einige der gewünschten Eigenschaften von hoher Elektronenzahldichte und thermischem Nichtgleichgewicht zwischen Elektronentemperatur und schwerer Partikelgastemperatur auf. [0014] Advantageously, the non-thermal pulsed microwave plasma stimulates vibrational excitation modes in the carbon dioxide (CO2) and/or methane (CH4) components. For the molecular dissociation of carbon dioxide or methane, vibrational excitation results in a more efficient process than non-vibrational modes. The process is faster and requires less energy. The non-thermal pulsed microwave plasma is able to effectively stimulate the vibrational modes and is ideal for converting CO2 or CH4 and has some of the desired properties of high electron number density and thermal non-equilibrium between electron temperature and heavy particle gas temperature.

[0015] In einer Variante des Dissoziationsverfahrens wird das nicht-thermische, gepulste Mikrowellenplasma durch eine Mikrowellenstrahlung bei Frequenzen zwischen 300 MHz und 40000 MHZ erzeugt. Zum Beispiel werden niedrigere Frequenzen innerhalb dieses Bereichs für Kohlendioxid empfohlen. Höhere Frequenzen innerhalb dieses Bereichs werden für Methan empfohlen. [0015] In a variant of the dissociation process, the non-thermal pulsed microwave plasma is generated by microwave radiation at frequencies between 300 MHz and 40,000 MHz. For example, lower frequencies within this range are recommended for carbon dioxide. Higher frequencies within this range are recommended for methane.

[0016] In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Dissoziationsverfahrens wird in der Reaktorkammer eine kontrollierte Atmosphäre realisiert, die einen Druck in der Reaktorkammer variiert, um eine Plasmatemperatur abhängig vom ausgewählten Dissoziationsprodukt zu modifizieren. Zum Beispiel bildet, wie vorstehend erwähnt, Kohlendioxid bei Temperaturen höher als 2200 C° Kohlenstoffnanomaterialien und Sauerstoff. Weiterhin kann die kontrollierte Atmosphäre als Vakuumatmosphäre definiert werden, die einen Unterdruck in der Reaktorkammer erzeugt. Das Definieren der kontrollierten Atmosphäre nach Bedarf für spezifische Eingangskomponenten und/oder spezifische Dissoziationsprodukte unterstützt auch die Definition der Bedingungen für nicht-thermisches, gepulstes Mikrowellenplasma zur Dissoziation der Kohlendioxid- und/oder Methankomponenten. [0016] In a further variant of the dissociation process according to the invention, a controlled atmosphere is realized in the reactor chamber, which varies a pressure in the reactor chamber to modify a plasma temperature depending on the selected dissociation product. For example, as mentioned above, carbon dioxide forms carbon nanomaterials and oxygen at temperatures higher than 2200°C. Furthermore, the controlled atmosphere can be defined as a vacuum atmosphere that creates a negative pressure in the reactor chamber. Defining the controlled atmosphere as needed for specific input components and/or specific dissociation products also supports the definition of the conditions for non-thermal, pulsed microwave plasma for dissociation of the carbon dioxide and/or methane components.

[0017] In noch einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Dissoziationsverfahrens kann die kontrollierte Atmosphäre als eine reaktive Atmosphäre in der Reaktorkammer realisiert werden, um die bei der Dissoziation gebildeten Produkte zu modifizieren. [0017] In yet another variant of the dissociation process according to the invention, the controlled atmosphere can be realized as a reactive atmosphere in the reactor chamber in order to modify the products formed during the dissociation.

[0018] Die reaktive Atmosphäre kann durch reaktive Gase, wie Wasserstoff, Dampf, Kohlenmonoxid, Methan, Benzol oder eine Mischung von reaktiven Gasen, wie sie in Synthesegas enthalten sind, erzeugt werden. Vorzugsweise wird das während des Prozesses gebildete Synthesegas, teilweise durch den Reaktor zurückgeführt, um alternative Reaktionen zu fördern oder die Ausbeute an flüssigen oder gasförmigen Zielprodukten zu erhöhen. Die reaktive Atmosphäre kann gemäß den Eingangsprodukten und/oder Ausgangsprodukten bestimmt werden. Daher kann sie variieren, je nachdem, welche Art von Dissoziationsprodukt durch das Dissoziationsverfahren hergestellt werden soll. [0018] The reactive atmosphere can be generated by reactive gases such as hydrogen, steam, carbon monoxide, methane, benzene or a mixture of reactive gases as contained in synthesis gas. Preferably, the synthesis gas formed during the process is partially recycled through the reactor to promote alternative reactions or to increase the yield of liquid or gaseous target products. The reactive atmosphere can be determined according to the input products and/or starting products. Therefore, it can vary depending on what type of dissociation product is to be produced by the dissociation process.

[0019] In einer anderen Variante des erfindungsgemäßen Dissoziationsverfahrens werden flüchtige Komponenten, die nach dem Hindurchleiten der Eingangskomponenten durch die Plasmaumgebung vorhanden sind, aus der Reaktorkammer extrahiert und einer fraktionierten Kondensation für die aufeinanderfolgende Extraktion von Dissoziationsprodukten unter Verwendung einer fraktionierten Kondensationseinheit des Dissoziationssystems unterzogen. Zum Beispiel bilden die flüchtigen Komponenten eine Dampfmischung, die in Schritten abgekühlt wird, was eine aufeinanderfolgende Kondensation unterschiedlicher Dissoziationsprodukte bewirkt. [0019] In another variant of the dissociation process according to the invention, volatile components present after passing the input components through the plasma environment are extracted from the reactor chamber and subjected to fractional condensation for the sequential extraction of dissociation products using a fractional condensation unit of the dissociation system. For example, the volatile components form a vapor mixture which is cooled in steps, causing sequential condensation of different dissociation products.

[0020] Der fraktionierte Kondensationsprozess umfasst die Schritte einer schnellen Extraktion von flüchtigen Stoffen, um die Verweilzeit der flüchtigen Stoffe in der Reaktorkammer zu verringern. Als Nächstes werden die flüchtigen Gase in verschiedene fraktionierte Komponenten kondensiert. Wahlweise werden die fraktionierten Komponenten einer weiteren fraktionierten Kondensation unterzogen, um mindestens eine wertvollere Chemikalie zu isolieren. [0020] The fractional condensation process includes the steps of rapidly extracting volatiles to reduce the residence time of the volatiles in the reactor chamber. Next, the volatile gases are condensed into various fractionated components. Optionally, the fractionated components are subjected to further fractional condensation to isolate at least one more valuable chemical.

[0021] In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Dissoziationsverfahrens wird eine niedrige Mikrowellenenergie kontinuierlich auf das Mikrowellenplasma zwischen hohen Mikrowellenenergieimpulsen ausgeübt. Die niedrige Mikrowellenenergie liegt beispielsweise im Bereich von 300 MHZ bis 40 GHZ. Während das nicht-thermische, gepulste Mikrowellenplasma in Energieimpulsen oszilliert, hält das Anlegen einer niedrigen Mikrowellenenergie ein Plasma mit kontinuierlichen Eigenschaften aufrecht. Die Verwendung einer kontinuierlichen Zufuhr von niedrigen Mikrowellen zur Aufrechterhaltung des Plasmas während der Intervalle zwischen den Mikrowellenimpulsen hoher Energie hilft beim Definieren einer kontrollierten Atmosphäre für das Dissoziationsverfahren. Die Zufuhr von Mikrowellen niedriger Energie kann von dem Mikrowellengenerator bereitgestellt werden, der die Mikrowellenimpulse erzeugt. Das heißt, der Mikrowellengenerator erzeugt eine konstante Ausgabe von Mikrowellen niedriger Energie mit den darauf überlagerten Impulsen. Alternativ kann ein zweiter Mikrowellengenerator bereitgestellt werden, der konstant bei derselben Mikrowellenfrequenz arbeitet, oder durchaus bei einer anderen Frequenz als der gepulsten Mikrowellenquelle. [0021] In an advantageous variant of the dissociation process according to the invention, low microwave energy is continuously applied to the microwave plasma between high microwave energy pulses. The low microwave energy is, for example, in the range of 300 MHZ to 40 GHZ. While the non-thermal, pulsed microwave plasma oscillates in pulses of energy, the application of low microwave energy maintains a plasma with continuous properties. The use of a continuous supply of low microwaves to maintain the plasma during the intervals between the high energy microwave pulses helps to define a controlled atmosphere for the dissociation process. The supply of low energy microwaves can be provided by the microwave generator that generates the microwave pulses. That is, the microwave generator produces a constant output of low energy microwaves with the pulses superimposed thereon. Alternatively, a second microwave generator can be provided that operates constantly at the same microwave frequency, or even at a different frequency than the pulsed microwave source.

[0022] In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Dissoziationsverfahrens wird Kohlendioxid im nicht-thermischen, gepulsten Mikrowellenplasma durch Trockenreformierung mit Methan dissoziiert. Die Trockenreformierung erzeugt Synthesegas, eine Mischungen aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, aus der Reaktion von Kohlendioxid mit Methan mit Hilfe von Edelmetallkatalysatoren wie Ni oder Ni-Legierungen). Die Trockenreformierung von Methan unter Verwendung von CO2hat den Vorteil, zwei Treibhausgase in einem einzigen Prozess zu verwenden. [0022] In a further variant of the dissociation process according to the invention, carbon dioxide is dissociated with methane in non-thermal, pulsed microwave plasma by dry reforming. Dry reforming produces synthesis gas, a mixture of hydrogen and carbon monoxide, from the reaction of carbon dioxide with methane with the aid of noble metal catalysts such as Ni or Ni alloys. Dry reforming of methane using CO2 has the advantage of using two greenhouse gases in a single process.

[0023] Vorteilhafterweise ist das Dissoziationssystem so ausgelegt, dass Gaskomponenten, die nicht in dem nicht-thermischen, gepulsten Mikrowellenplasma dissoziiert sind, durch das nicht-thermische, gepulste Mikrowellenplasma für eine weitere Behandlung rückgeführt werden können. Auch durch das Dissoziationsverfahren hergestellte Dissoziationsprodukte können zum Beispiel in den Prozess zurückgeführt werden, um eine reaktive Atmosphäre zu erzeugen, um das Dissoziationsverfahren zu erleichtern. [0023] Advantageously, the dissociation system is designed such that gas components not dissociated in the non-thermal pulsed microwave plasma can be recycled through the non-thermal pulsed microwave plasma for further treatment. Also, dissociation products produced by the dissociation process can be recycled into the process, for example, to create a reactive atmosphere to facilitate the dissociation process.

[0024] Das erfindungsgemäße Dissoziationssystem kann eine Steuereinheit zum Erzeugen des nicht-thermischen, gepulsten Mikrowellenplasmas in der Reaktorkammer umfassen, die eine Mikrowellenfrequenz und/oder Mikrowellenimpulsbreite umfasst, die gemäß Dissoziationsparametern der ausgewählten Dissoziationsprodukte modifiziert ist. Die Steuereinheit umfasst eine Mikrowellenstrahlungssteuerung zum Erzeugen eines gepulsten Mikrowellenplasmas in der Reaktorkammer, die Impulse von Mikrowellenenergie umfasst. Das gepulste Mikrowellenplasma stimuliert dann Schwingungsanregungsmodi in den Eingangsprodukten. Die Mikrowellenstrahlung steuert die Anwendung von Mikrowellenstrahlung bei Frequenzen zwischen 300 MHz und 40000 MHz. Ferner kann die Steuereinheit eine Atmosphärensteuereinheit umfassen, um die Atmosphäre in der Reaktorkammer zu steuern. Zum Beispiel steuert die Atmosphäre-Steuereinheit die Anwendung eines Drucks in der Kammer oder die Zugabe eines reaktiven Gases, um eine reaktive Atmosphäre in der Kammer zu definieren. Außerdem kann die Steuereinheit eine Temperatur in der Reaktorkammer überwachen und die Temperatur anpassen, falls dies für das Dissoziationsverfahren eines Eingangsprodukts benötigt wird, oder um ein ausgewähltes Ausgangsprodukt zu erzielen. [0024] The dissociation system according to the invention may comprise a control unit for generating the non-thermal, pulsed microwave plasma in the reactor chamber comprising a microwave frequency and/or microwave pulse width modified according to dissociation parameters of the selected dissociation products. The control unit comprises a microwave radiation controller for generating a pulsed microwave plasma in the reactor chamber comprising pulses of microwave energy. The pulsed microwave plasma then stimulates vibrational excitation modes in the input products. The microwave radiation controls the application of microwave radiation at frequencies between 300 MHz and 40000 MHz. Further, the control unit may comprise an atmosphere control unit for controlling the atmosphere in the reactor chamber. For example, the atmosphere control unit controls the application of a pressure in the chamber or the addition of a reactive gas to define a reactive atmosphere in the chamber. In addition, the control unit can monitor a temperature in the reactor chamber and adjust the temperature if needed for the dissociation process of an input product or to achieve a selected output product.

[0025] In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dissoziationssystems ist das nicht-thermische, gepulste Mikrowellenplasma in einem Plasmarohr untergebracht, das sich durch mindestens eine Reaktorkammer hindurch erstreckt. Vorzugsweise erstreckt sich das Plasmarohr anschließend durch eine erste Reaktorkammer und eine zweite Reaktorkammer. Die Eingangsprodukte sind dem nicht-thermischen, gepulsten Mikrowellenplasma im Plasmarohr ausgesetzt. Dissoziierte Produkte wandern durch das Plasmarohr und werden durch die Auslässe im Plasmarohr oder in der Reaktionskammer extrahiert. [0025] In an advantageous embodiment of the dissociation system according to the invention, the non-thermal, pulsed microwave plasma is accommodated in a plasma tube which extends through at least one reactor chamber. Preferably, the plasma tube then extends through a first reactor chamber and a second reactor chamber. The input products are exposed to the non-thermal, pulsed microwave plasma in the plasma tube. Dissociated products migrate through the plasma tube and are extracted through the outlets in the plasma tube or in the reaction chamber.

[0026] In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dissoziationssystems ist eine Pumpe mit der Reaktorkammer oder dem Plasmarohr, die das nicht-thermische, gepulste Mikrowellenplasma aufnimmt, zum Regulieren eines Drucks in der Reaktorkammer oder dem Plasmarohr verbunden. Die Pumpe kann durch die Steuereinheit gesteuert werden, um einen Druck in der Kammer zu erzeugen. Ferner kann die Pumpe die Dissoziationsprodukte in eine mit dem Auslass verbundene Gasspeichereinrichtung abgeben. [0026] In a further embodiment of the dissociation system according to the invention, a pump is connected to the reactor chamber or plasma tube receiving the non-thermal, pulsed microwave plasma for regulating a pressure in the reactor chamber or plasma tube. The pump can be controlled by the control unit to generate a pressure in the chamber. Furthermore, the pump can discharge the dissociation products into a gas storage device connected to the outlet.

[0027] Vorteilhafterweise enthält das Dissoziationssystem Mikrowellenplasmageneratoren mit Festkörperformung, was es ermöglicht, die Amplitude und Form der Mikrowellenpulse genau zu steuern, was wiederum eine spezifische Steuerung der Plasmatemperatur ermöglicht. Aktive Impedanzanpassschaltungen können eine zuverlässige Plasmazündung und eine effiziente Leistungsübertragung während des Betriebs gewährleisten. Die aktive Impedanzanpassschaltung kann zwischen dem Mikrowellenplasmagenerator und der Plasmakammer angebracht werden. Sie passt sich kontinuierlich an, um die von dem Plasma dargestellte Lastimpedanz auf die Mikrowellenübertragungsleitung abzustimmen, wodurch die maximale Leistungsübertragung auf das Plasma unter allen Plasmabedingungen sichergestellt wird. [0027] Advantageously, the dissociation system includes microwave plasma generators with solid state shaping, which allows the amplitude and shape of the microwave pulses to be precisely controlled, which in turn allows specific control of the plasma temperature. Active impedance matching circuits can ensure reliable plasma ignition and efficient power transfer during operation. The active impedance matching circuit can be placed between the microwave plasma generator and the plasma chamber. It continuously adjusts to match the load impedance presented by the plasma to the microwave transmission line, thereby ensuring maximum power transfer to the plasma under all plasma conditions.

[0028] Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung ein gepulstes nicht-thermisches, Nichtgleichgewichts-Mikrowellenplasmasystem für die Dissoziation und/oder Nutzung von Kohlendioxid und/oder Methan. [0028] In summary, the present invention relates to a pulsed non-thermal, non-equilibrium microwave plasma system for the dissociation and/or utilization of carbon dioxide and/or methane.

[0029] Das Verfahren wird vorzugsweise unter Vakuum oder kontrollierter Gasatmosphäre durchgeführt und schließt einen fraktionierten Kondensationsprozess und ein System als Teil davon ein. Die verwendete Mikrowellenstrahlung liegt im Bereich von 300 MHz bis etwa 40 GHz. Das gepulste nicht-thermische, Nichtgleichgewichts-Mikrowellenplasmasystem kann mit oder ohne Katalysator verwendet werden, wobei sich der Katalysator im Plasma befinden oder Teil des Nachplasmaprozesses sein kann. [0029] The process is preferably carried out under vacuum or controlled gas atmosphere and includes a fractional condensation process and system as part thereof. The microwave radiation used is in the range of 300 MHz to about 40 GHz. The pulsed non-thermal, non-equilibrium microwave plasma system can be used with or without a catalyst, where the catalyst can be in the plasma or part of the post-plasma process.

[0030] Das Dissoziationsverfahren basiert auf Kohlendioxiddissoziation: 2CO2→ 2CO + O2und Methandissoziation: CH4→ C+ H4. Das Dissoziationsverfahren eignet sich für die Trockenreformierung von Kohlendioxid mit Methan: CO2+ CH4→ 2CO + 2H2 ΔHo=247 kJ/Mol[0030] The dissociation process is based on carbon dioxide dissociation: 2CO2→ 2CO + O2 and methane dissociation: CH4→ C+ H4. The dissociation process is suitable for the dry reforming of carbon dioxide with methane: CO2+ CH4→ 2CO + 2H2 ΔHo=247 kJ/mol

[0031] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den beigefügten Zeichnungen beschrieben, die die Grundsätze der Erfindung erläutern können, aber den Umfang der Erfindung nicht einschränken sollen. Die Zeichnungen veranschaulichen: Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines ersten erfindungsgemäßen Dissoziationssystems, und Fig. 2 ein schematisches Diagramm eines zweiten erfindungsgemäßen Dissoziationssystems.[0031] Preferred embodiments of the invention are described in the accompanying drawings, which may illustrate the principles of the invention but are not intended to limit the scope of the invention. The drawings illustrate: Fig. 1 is a schematic diagram of a first dissociation system according to the invention, and Fig. 2 is a schematic diagram of a second dissociation system according to the invention.

[0032] Im Folgenden werden zwei beispielhafte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Dissoziationssystems beschrieben, die dafür geeignet sind, ein Dissoziationsverfahren zur Dissoziation von Kohlendioxid- und/oder Methankomponenten unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Mikrowellenplasmabehandlung durchzuführen. Merkmale, die für eine der Ausführungsformen offenbart sind, können auch für die andere Ausführungsform angewendet werden, ohne dass die Notwendigkeit einer Weiterentwicklung besteht was für einen Fachmann ersichtlich sein wird. Eine sich wiederholende Beschreibung solcher Merkmale wird daher der Übersichtlichkeit halber vermieden. [0032] Two exemplary embodiments of a dissociation system according to the invention are described below, which are suitable for carrying out a dissociation process for dissociating carbon dioxide and/or methane components using a microwave plasma treatment according to the invention. Features disclosed for one of the embodiments can also be applied to the other embodiment without the need for further development, which will be apparent to a person skilled in the art. A repetitive description of such features is therefore avoided for the sake of clarity.

[0033] Figur 1 veranschaulicht eine erste Ausführungsform eines Dissoziationssystems zum Ausführen des Dissoziationsverfahrens zum erfindungsgemäßen Dissoziieren von Kohlendioxid- und/oder Methankomponenten. [0033] Figure 1 illustrates a first embodiment of a dissociation system for carrying out the dissociation method for dissociating carbon dioxide and/or methane components according to the invention.

[0034] Das Dissoziationssystem umfasst eine Reaktionskammer 1 zur Aufnahme einer Mikrowellenplasmaumgebung, einen Mikrowellengenerator 2 und einen Plasmaapplikator in Form eines Plasmarohrs 3 zum Erzeugen eines nicht-thermischen, gepulsten Mikrowellenplasmas P in der Reaktorkammer 1. An einem Einlassende des Plasmarohrs 3 sind drei Einlässe 4 zum Einspritzen von Kohlendioxid- und/oder Methankomponenten und anderen Gasreagenzien in die Reaktionskammer 1 bereitgestellt. Das Einlassende des Plasmarohrs befindet sich vor dem Schnittpunkt des Plasmarohrs mit der Reaktorkammer 1, wobei die Einlassprodukte mit dem nicht-thermischen, gepulsten Mikrowellenplasma interagieren. Ein Auslassende des Plasmarohrs 3, in Strömungsrichtung hinter der Reaktorkammer 1 befindlich, umfasst einen Auslass 5 zum Extrahieren von Dissoziationsprodukten aus der Reaktionskammer. Der Auslass 5 ist als Auslassrohrleitung ausgebildet, wobei in der Rohrleitung eine Kühleinheit 6 und eine Pumpeneinheit 7 angeordnet sind. Der Auslass 5 endet in einer Speichereinheit 8 zum Speichern von Dissoziationsprodukten, die durch das Dissoziationsverfahren erzeugt werden. Ein Verbindungsrohr 9 verbindet die Speichereinheit 8 mit dem Einlassende des Plasmarohrs 3. Dissoziationsprodukte oder Einlassprodukte, die nicht dissoziieren, können durch das Verbindungsrohr 9 zurück in das Plasmarohr 3 in das Dissoziationsverfahren zurückgeführt werden. Ein alternatives Verbindungsrohr 9' verbindet die Speichereinheit 8 mit dem Plasmarohr, so dass Dissoziationsprodukte direkt in das Plasmarohr 3 und die Reaktorkammer 1 eingeleitet werden können. Vorteilhafterweise verläuft das Plasmarohr 3 in einem Ort, an dem das Mikrowellenfeld konzentriert ist, durch die Reaktorkammer 1. [0034] The dissociation system comprises a reaction chamber 1 for receiving a microwave plasma environment, a microwave generator 2 and a plasma applicator in the form of a plasma tube 3 for generating a non-thermal, pulsed microwave plasma P in the reactor chamber 1. At an inlet end of the plasma tube 3, three inlets 4 are provided for injecting carbon dioxide and/or methane components and other gas reagents into the reaction chamber 1. The inlet end of the plasma tube is located in front of the intersection of the plasma tube with the reactor chamber 1, wherein the inlet products interact with the non-thermal, pulsed microwave plasma. An outlet end of the plasma tube 3, located downstream of the reactor chamber 1, comprises an outlet 5 for extracting dissociation products from the reaction chamber. The outlet 5 is designed as an outlet pipeline, wherein a cooling unit 6 and a pump unit 7 are arranged in the pipeline. The outlet 5 terminates in a storage unit 8 for storing dissociation products generated by the dissociation process. A connecting pipe 9 connects the storage unit 8 to the inlet end of the plasma tube 3. Dissociation products or inlet products that do not dissociate can be fed back into the plasma tube 3 into the dissociation process through the connecting pipe 9. An alternative connecting pipe 9' connects the storage unit 8 to the plasma tube so that dissociation products can be fed directly into the plasma tube 3 and the reactor chamber 1. Advantageously, the plasma tube 3 runs through the reactor chamber 1 at a location where the microwave field is concentrated.

[0035] Der Mikrowellengenerator 2 spritzt gepulste Mikrowellenfelder in die Plasmareaktorkammer 1 ein und ionisiert ein Plasmamaterial in dem Plasmarohr 3. Die Einlassgase Kohlendioxid und Methan und andere Gase werden gemischt und als Reaktionsgase in den korrekten Verhältnissen in den Plasmareaktor eingespritzt. Die Gibbs-Energie von CO2begünstigt die Produktion von CO und O2<->/O2, während CH4in feste Kohlenstoffstrukturen dissoziiert, wie Ruß und/oder Kohlenstoffnanomaterialien; kohlenstoffbasierte Materialien; kurzkettige Kohlenwasserstoffe (C2H6, C2H2, C3H8, C3H6usw.) und H2, wenn sie bei milden Temperaturen getrennt dissoziiert werden. Wenn Kohlendioxid und Methan gleichzeitig dem Plasma ausgesetzt werden, dann wird Wasser (H2O) als ein Produkt zusammen mit festen Kohlenstoffstrukturen, wie Ruß und/oder Kohlenstoffnanomaterialien sowie kurzkettigen Kohlenwasserstoffen, gebildet. [0035] The microwave generator 2 injects pulsed microwave fields into the plasma reactor chamber 1 and ionizes a plasma material in the plasma tube 3. The inlet gases carbon dioxide and methane and other gases are mixed and injected into the plasma reactor as reactant gases in the correct ratios. The Gibbs energy of CO2 favors the production of CO and O2<->/O2, while CH4 dissociates into solid carbon structures such as soot and/or carbon nanomaterials; carbon-based materials; short-chain hydrocarbons (C2H6, C2H2, C3H8, C3H6, etc.) and H2 when dissociated separately at mild temperatures. When carbon dioxide and methane are simultaneously exposed to the plasma, then water (H2O) is formed as a product together with solid carbon structures such as soot and/or carbon nanomaterials and short-chain hydrocarbons.

[0036] Diese kohlenstoffbasierten Materialien können sauerstoffhaltige kurzkettige Kohlenwasserstoffe einschließen, wie Formaldehyd (CH2O), Acetaldehyd und Ethylenoxid (C2H4O), Methanol (CH3OH) usw. Dies ist auf das Sauerstoffradikal (O2<->) aus der Kohlendioxiddissoziation zurückzuführen, das mit einem ungesättigten Kohlenwasserstoff aus Methan reagiert. Wenn Kohlendioxid das einschränkende Reagenz ist, werden daher weniger sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe und Wasser erwartet. Die folgende Beziehung kann erwartet werden: CH4< 20 Mol-% ~ feste Kohlenstoffmaterialien; hauptsächlich sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe und Wasser; geringe Mengen an CO; kurzkettige Kohlenwasserstoffe und Wasserstoff. CH4> 60 Mol-% ~ feste Kohlenstoffmaterialien; hauptsächlich kurzkettige Kohlenwasserstoffe und Wasserstoff mit geringen Mengen an Wasser und CO.[0036] These carbon-based materials may include oxygen-containing short-chain hydrocarbons, such as formaldehyde (CH2O), acetaldehyde and ethylene oxide (C2H4O), methanol (CH3OH), etc. This is due to the oxygen radical (O2<->) from carbon dioxide dissociation reacting with an unsaturated hydrocarbon from methane. Therefore, when carbon dioxide is the limiting reagent, less oxygen-containing hydrocarbons and water are expected. The following relationship can be expected: CH4< 20 mol% ~ solid carbon materials; mainly oxygen-containing hydrocarbons and water; small amounts of CO; short-chain hydrocarbons and hydrogen. CH4> 60 mol% ~ solid carbon materials; mainly short-chain hydrocarbons and hydrogen with small amounts of water and CO.

[0037] Zusätzlich zu den Reaktionsgasen zur Herstellung von Dissoziationsprodukten kann auch ein reaktives Medium, z. B. Wasserstoff oder ein inertes Trägergas wie Argon, durch die Einlässe 4 in den Plasmareaktor eingespritzt werden. Solche reaktiven Medien können verwendet werden, um eine kontrollierte Atmosphäre und/oder eine reaktive Atmosphäre in der Reaktorkammer 1 zu erzeugen und zu definieren. Die Kühleinheit 6 temperiert die Dissoziationsproduktgase. Die Pumpeneinheit 7 regelt den Druck in dem Plasmarohr 3 und liefert die Dissoziationsproduktgase in die Gasspeichereinheit 8. Die Pumpeneinheit 7 kann den Druck in dem Plasmarohr 3 auf unteratmosphärischen Niveaus regulieren, um ein Niedertemperaturplasma zu erzeugen, oder auf höheren Drücken, um höhere Plasmatemperaturen zu ermöglichen. [0037] In addition to the reaction gases for producing dissociation products, a reactive medium, e.g. hydrogen or an inert carrier gas such as argon, may also be injected into the plasma reactor through the inlets 4. Such reactive media may be used to create and define a controlled atmosphere and/or a reactive atmosphere in the reactor chamber 1. The cooling unit 6 tempers the dissociation product gases. The pump unit 7 regulates the pressure in the plasma tube 3 and delivers the dissociation product gases to the gas storage unit 8. The pump unit 7 may regulate the pressure in the plasma tube 3 to subatmospheric levels to create a low temperature plasma or to higher pressures to enable higher plasma temperatures.

[0038] Die Gasspeichereinheit 8 kann einen Membranfilter oder eine andere Filtervorrichtung einschließen, um unterschiedliche Gasspezies der Dissoziationsprodukte zu trennen. Nicht umgesetztes Gas kann dann durch das nicht-thermische, gepulste Mikrowellenplasma P über die Verbindungsrohre 9 oder 9' zurückgeführt werden, um die Ausbeute des Dissoziationsverfahrens zu erhöhen. Die endgültigen Dissoziationsprodukte können zur weiteren Verwendung oder Verarbeitung aus der Speichereinheit 8 extrahiert werden. [0038] The gas storage unit 8 may include a membrane filter or other filtering device to separate different gas species of the dissociation products. Unreacted gas may then be recycled through the non-thermal pulsed microwave plasma P via the connecting tubes 9 or 9' to increase the yield of the dissociation process. The final dissociation products may be extracted from the storage unit 8 for further use or processing.

[0039] In einer Variation dieses Beispiels kann der Mikrowellengenerator 2 dafür konfiguriert sein, um Mikrowellenimpulse zu erzeugen, die einer kleineren kontinuierlichen Mikrowellenwellenform überlagert sind. Der Zweck der kontinuierlichen Wellenform besteht darin, das Aufrechterhalten des nicht-thermischen, gepulsten Mikrowellenplasmas P zwischen Impulsen zu unterstützen. [0039] In a variation of this example, the microwave generator 2 may be configured to generate microwave pulses superimposed on a smaller continuous microwave waveform. The purpose of the continuous waveform is to assist in maintaining the non-thermal, pulsed microwave plasma P between pulses.

[0040] In einer anderen Variation des veranschaulichten Dissoziationssystems können alle oder einige der Einlassreaktionsgase in das nicht-thermische, gepulste Mikrowellenplasma P in etwas Abstand entlang der Länge des Plasmas bzw. des Plasmarohrs 3 eingespritzt werden. Das Einleiten der Einlassprodukte entlang der Länge des Plasmas modifiziert die Belichtungszeit der Gase in das Plasma. Zu diesem Zweck kann das Plasmarohr 3 mehrere Einlassöffnungen (nicht gezeigt) aufweisen, die entlang des Plasmarohrs 3 in Strömungsrichtung unterschiedlich weit voneinander beabstandet sind. Abhängig von der erforderlichen Expositionszeit eines Einlassgases zu dem definierten nicht-thermischen, gepulsten Mikrowellenplasma, das in der Reaktorkammer 1 vorhanden ist, kann ein spezifischer Einlassanschluss gewählt werden, der mit einer gewünschten Belichtungszeit übereinstimmt, wenn das Einlassgas in den Produktionsfluss eintritt. Ferner können diese Einlassöffnungen dazu verwendet werden, um ein Abschreckgas einzuleiten, um die Dissoziationsprodukte und andere Gase, die aus der Reaktorkammer 1 austreten, schnell zu kühlen. [0040] In another variation of the illustrated dissociation system, all or some of the inlet reaction gases may be injected into the non-thermal, pulsed microwave plasma P at some distance along the length of the plasma or plasma tube 3. Introducing the inlet products along the length of the plasma modifies the exposure time of the gases into the plasma. To this end, plasma tube 3 may have multiple inlet ports (not shown) spaced apart at different distances along plasma tube 3 in the flow direction. Depending on the required exposure time of an inlet gas to the defined non-thermal, pulsed microwave plasma present in reactor chamber 1, a specific inlet port may be chosen that corresponds to a desired exposure time when the inlet gas enters the production flow. Furthermore, these inlet openings can be used to introduce a quenching gas to rapidly cool the dissociation products and other gases exiting the reactor chamber 1.

[0041] Figur 2 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform eines Dissoziationssystems zum Ausführen des Dissoziationsverfahrens für das erfindungsgemäße Dissoziieren von Kohlendioxid- und/oder Methankomponenten. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform umfasst das Dissoziationssystem die erste Reaktorkammer 1 und den ersten Mikrowellengenerator 2 und zusätzlich eine zweite Reaktorkammer 1' und einen zweiten Mikrowellengenerator 2'. Das Plasmarohr 3 erstreckt sich in Strömungsrichtung der Einlassgase durch die erste Reaktorkammer 1 und dann durch die zweite Reaktorkammer 1'. Die Dissoziationsprodukte und Reaktionsgase verlassen das Plasmarohr 3 durch ein Auslassende des Plasmarohrs, wie für die in Figur 1 gezeigte erste Ausführungsform beschrieben. Zwischen dem Mikrowellengenerator 2 und 2' und der jeweiligen Reaktorkammer 1 und 1' sind ein erster und ein zweiter Wellenleiterfilter 10 und 10' bereitgestellt. [0041] Figure 2 illustrates a second embodiment of a dissociation system for carrying out the dissociation process for dissociating carbon dioxide and/or methane components according to the invention. In contrast to the first embodiment, the dissociation system comprises the first reactor chamber 1 and the first microwave generator 2 and additionally a second reactor chamber 1' and a second microwave generator 2'. The plasma tube 3 extends in the flow direction of the inlet gases through the first reactor chamber 1 and then through the second reactor chamber 1'. The dissociation products and reaction gases leave the plasma tube 3 through an outlet end of the plasma tube, as described for the first embodiment shown in Figure 1. Between the microwave generator 2 and 2' and the respective reactor chamber 1 and 1', a first and a second waveguide filter 10 and 10' are provided.

[0042] Wie erwähnt, enthält die zweite Ausführungsform alle Merkmale der ersten Ausführungsform, führt aber den zweiten Mikrowellengenerator 2' als eine zweite Mikrowellenleistung für das nicht-thermische, gepulste Mikrowellenplasma P ein. Der erste Mikrowellengenerator 2 dient als kontinuierliche Mikrowellenquelle, die mit der Reaktorkammer 1 und dem Plasmarohr 3 verbunden ist, wobei die Einlassgase ionisiert werden. Der zweite Mikrowellengenerator 2' ist auf ähnliche Weise mit der zweiten Reaktorkammer 1' verbunden, wobei der Plasmarohr 3 beide Plasmareaktoren durchläuft. Der zweite Mikrowellengenerator 2' dient als gepulste Mikrowellenquelle, um das nicht-thermische, gepulste Mikrowellenplasma P in dem Plasmarohr 3 zu erzeugen. [0042] As mentioned, the second embodiment includes all the features of the first embodiment, but introduces the second microwave generator 2' as a second microwave power for the non-thermal, pulsed microwave plasma P. The first microwave generator 2 serves as a continuous microwave source connected to the reactor chamber 1 and the plasma tube 3, wherein the inlet gases are ionized. The second microwave generator 2' is similarly connected to the second reactor chamber 1', wherein the plasma tube 3 passes through both plasma reactors. The second microwave generator 2' serves as a pulsed microwave source to generate the non-thermal, pulsed microwave plasma P in the plasma tube 3.

[0043] Die Mikrowellenwellenleiter-Filter 10 und 10' werden zwischen den zweiten Mikrowellengeneratoren und den Reaktorkammern verwendet, um zu verhindern, dass Energie aus dem ersten Mikrowellengenerator 2 den Mikrowellengenerator 2' erreicht und seinen Betrieb negativ beeinflusst, und umgekehrt. [0043] The microwave waveguide filters 10 and 10' are used between the second microwave generators and the reactor chambers to prevent energy from the first microwave generator 2 from reaching the microwave generator 2' and negatively affecting its operation, and vice versa.

[0044] In einer Variation der zweiten Ausführungsform können die zwei Mikrowellengeneratoren an derselben Reaktorkammer angebracht sein, ihre Mikrowellenausgänge überlagern und die Leistungsdichte in dem nicht-thermischen, gepulsten Mikrowellenplasma erhöhen. [0044] In a variation of the second embodiment, the two microwave generators may be attached to the same reactor chamber, superimposing their microwave outputs and increasing the power density in the non-thermal pulsed microwave plasma.

[0045] Das erfindungsgemäße Dissoziationsverfahren kann einen katalytischen Prozess einschließen, wobei die Kohlendioxid- und/oder Methankomponenten und/oder Zwischenprodukte einem katalytischen Prozess im nicht-thermischen, gepulsten Mikrowellenplasma und/oder als Teil eines Nachplasmaprozesses unterzogen werden. Der katalytische Prozess kann eine katalytische Umwandlung, eine photokatalytische oder photochemische Prozesse, elektrokatalytische oder elektrochemische Prozesse, enzymatische oder biomedizinische Prozesse, wie aus dem Stand der Technik bekannt, sein. [0045] The dissociation process of the invention may include a catalytic process, wherein the carbon dioxide and/or methane components and/or intermediates are subjected to a catalytic process in non-thermal, pulsed microwave plasma and/or as part of a post-plasma process. The catalytic process may be a catalytic conversion, a photocatalytic or photochemical process, electrocatalytic or electrochemical process, enzymatic or biomedical process, as known in the art.

[0046] Kohlendioxid, Methan und andere Treibhausgase sind ein negatives Nebenprodukt aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe und tragen zur globalen Erwärmung bei. Das Dissoziationsverfahren der vorliegenden Erfindung spielt eine wichtige Rolle bei den Klimawandel abmildernden Strategien. Das Dissoziationsverfahren ist energieeffizient aufgrund des geringen Energieverbrauchs zum Erzeugen des nicht-thermischen gepulsten Mikrowellenplasmas, das die Eingangsprodukte bei einer niedrigeren Temperatur eines Plasmas im Gleichgewicht verarbeitet. Ferner ermöglicht das Verfahren einen erhöhten Durchsatz von Treibhausgasen. [0046] Carbon dioxide, methane and other greenhouse gases are a negative byproduct of fossil fuel combustion and contribute to global warming. The dissociation process of the present invention plays an important role in climate change mitigation strategies. The dissociation process is energy efficient due to the low energy consumption to generate the non-thermal pulsed microwave plasma that processes the input products at a lower temperature of a plasma in equilibrium. Furthermore, the process allows for increased throughput of greenhouse gases.

Liste der Bezugszahlenlist of reference numbers

[0047] 1, 1' Reaktorkammer 2, 2' Mikrowellengenerator 3 Plasmarohr 4 Einlass 5 Auslass 6 Kühleinheit 7 Pumpeneinheit 8 Speichereinheit 9, 9' Verbindungsrohr 10, 10' Wellenleiterfilter [0047] 1, 1' reactor chamber 2, 2' microwave generator 3 plasma tube 4 inlet 5 outlet 6 cooling unit 7 pump unit 8 storage unit 9, 9' connecting tube 10, 10' waveguide filter

Claims (15)

1. Dissoziationsverfahren zur Dissoziation von Kohlendioxid- und/oder Methankomponenten unter Verwendung einer Mikrowellenplasmabehandlung, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen einer Mikrowellenplasmaumgebung in einer Reaktorkammer (1), und – Einleiten von Kohlendioxid- und/oder Methankomponenten in die Reaktorkammer (1), wobei die Mikrowellenplasmaumgebung ein nichtthermisches Plasma ist, das als gepulstes Mikrowellenplasma durch Ausüben von Mikrowellenimpulsen auf das Plasma realisiert wird, und wobei das nicht-thermische, gepulste Mikrowellenplasma (P) definiert ist, um die Kohlendioxid- und/oder Methankomponenten in Dissoziationsprodukte zu dissoziieren, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen, Wasserstoff, festem Kohlenstoff, Synthesegas, Kraftstoffen und/oder Oxygenaten.1. Dissociation process for dissociating carbon dioxide and/or methane components using a microwave plasma treatment, comprising the following steps: - providing a microwave plasma environment in a reactor chamber (1), and - introducing carbon dioxide and/or methane components into the reactor chamber (1), wherein the microwave plasma environment is a non-thermal plasma realized as a pulsed microwave plasma by applying microwave pulses to the plasma, and wherein the non-thermal, pulsed microwave plasma (P) is defined to dissociate the carbon dioxide and/or methane components into dissociation products, preferably selected from the group of carbon monoxide, hydrocarbons, hydrogen, solid carbon, synthesis gas, fuels and/or oxygenates. 2. Dissoziationsverfahren nach Anspruch 1, wobei das nicht-thermische, gepulste Mikrowellenplasma (P) Schwingungsanregungsmodi in den Kohlendioxid- und/oder Methankomponenten stimuliert.2. Dissociation process according to claim 1, wherein the non-thermal, pulsed microwave plasma (P) stimulates vibrational excitation modes in the carbon dioxide and/or methane components. 3. Dissoziationsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das nicht-thermische, gepulste Mikrowellenplasma (P) durch eine Mikrowellenstrahlung bei Frequenzen zwischen 300 MHz und 40000 MHZ erzeugt wird.3. Dissociation method according to claim 1 or 2, wherein the non-thermal, pulsed microwave plasma (P) is generated by microwave radiation at frequencies between 300 MHz and 40000 MHz. 4. Dissoziationsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine kontrollierte Atmosphäre in der Reaktorkammer (1) einen Druck in der Reaktorkammer (1) variiert, um eine Plasmatemperatur in Abhängigkeit von dem ausgewählten Dissoziationsprodukt zu modifizieren.4. A dissociation process according to any preceding claim, wherein a controlled atmosphere in the reactor chamber (1) varies a pressure in the reactor chamber (1) to modify a plasma temperature depending on the selected dissociation product. 5. Dissoziationsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Mikrowellenenergie kontinuierlich auf das nicht-thermische, gepulste Mikrowellenplasma (P) ausgeübt wird, wobei die kontinuierliche Mikrowellenenergie niedriger als die Energie der Mikrowellenimpulse ist.5. Dissociation method according to one of the preceding claims, wherein a microwave energy is continuously applied to the non-thermal, pulsed microwave plasma (P), the continuous microwave energy being lower than the energy of the microwave pulses. 6. Dissoziationsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Kohlendioxid in dem nicht-thermischen, gepulsten Mikrowellenplasma (P) durch Trockenreformieren mit Methan dissoziiert wird.6. Dissociation process according to one of the preceding claims, wherein carbon dioxide is dissociated in the non-thermal, pulsed microwave plasma (P) by dry reforming with methane. 7. Dissoziationsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei flüchtige Komponenten, die aus der Reaktorkammer (1) extrahiert werden, einer fraktionierten Kondensation für eine aufeinanderfolgende Extraktion von Dissoziationsprodukten unterzogen werden.7. A dissociation process according to any preceding claim, wherein volatile components extracted from the reactor chamber (1) are subjected to fractional condensation for sequential extraction of dissociation products. 8. Dissoziationsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Mikrowellenfrequenz und/oder Mikrowellenimpulsbreite gemäß Dissoziationsparametern der ausgewählten Dissoziationsprodukte ausgewählt wird.8. Dissociation method according to one of the preceding claims, wherein a microwave frequency and/or microwave pulse width is selected according to dissociation parameters of the selected dissociation products. 9. Dissoziationsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kohlendioxid- und/oder Methankomponente und/oder Zwischenprodukte einem katalytischen Prozess in dem nicht-thermischen, gepulsten Mikrowellenplasma (P) und/oder als Teil eines Nachplasmaprozesses unterzogen werden.9. Dissociation process according to one of the preceding claims, wherein the carbon dioxide and/or methane component and/or intermediate products are subjected to a catalytic process in the non-thermal, pulsed microwave plasma (P) and/or as part of a post-plasma process. 10. Dissoziationsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Gaskomponenten, die nicht in dem nicht-thermischen, gepulsten Mikrowellenplasma dissoziiert werden, durch das nicht-thermische, gepulste Mikrowellenplasma (P) zurückgeführt werden.10. Dissociation method according to one of the preceding claims, wherein gas components which are not dissociated in the non-thermal, pulsed microwave plasma are recycled through the non-thermal, pulsed microwave plasma (P). 11. Dissoziationssystem zum Dissoziieren von Kohlendioxid- und/oder Methankomponenten unter Verwendung eines Dissoziationsverfahrens, das eine Mikrowellenplasmabehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 einschließt, umfassend – mindestens eine Reaktorkammer (1, 1') zum Aufnehmen des nicht-thermischen, gepulsten Mikrowellenplasmas (P), – mindestens einen Mikrowellengenerator (2, 2') und Plasmaapplikator zum Erzeugen des nicht-thermischen, gepulsten Mikrowellenplasmas (P) in der mindestens einen Reaktorkammer (1, 1'), – mindestens einen Einlass (4) zum Einspritzen der Kohlendioxid- und/oder Methankomponenten in die mindestens eine Reaktorkammer (1, 1') und Aussetzen der Komponenten dem nicht-thermischen, gepulsten Mikrowellenplasma (P), und – mindestens einen Auslass (5) zum Extrahieren von Dissoziationsprodukten aus der Reaktorkammer (1, 1').11. A dissociation system for dissociating carbon dioxide and/or methane components using a dissociation process including a microwave plasma treatment according to any one of claims 1 to 10, comprising - at least one reactor chamber (1, 1') for receiving the non-thermal, pulsed microwave plasma (P), - at least one microwave generator (2, 2') and plasma applicator for generating the non-thermal, pulsed microwave plasma (P) in the at least one reactor chamber (1, 1'), - at least one inlet (4) for injecting the carbon dioxide and/or methane components into the at least one reactor chamber (1, 1') and exposing the components to the non-thermal, pulsed microwave plasma (P), and - at least one outlet (5) for extracting dissociation products from the reactor chamber (1, 1'). 12. Dissoziationssystem nach Anspruch 11, umfassend eine Steuereinheit, die eine Steuereinheit zum Erzeugen des nicht-thermischen, gepulsten Mikrowellenplasmas (P) in der mindestens einen Reaktorkammer (1, 1') umfasst, die eine Mikrowellenfrequenz und/oder Mikrowellenimpulsbreite umfasst, die gemäß Dissoziationsparametern der ausgewählten Dissoziationsprodukte modifiziert ist.12. Dissociation system according to claim 11, comprising a control unit for generating the non-thermal, pulsed microwave plasma (P) in the at least one reactor chamber (1, 1') comprising a microwave frequency and/or microwave pulse width modified according to dissociation parameters of the selected dissociation products. 13. Dissoziationssystem nach Anspruch 11 oder 12, wobei das nicht-thermische, gepulste Mikrowellenplasma (P) in einem Plasmarohr (3) untergebracht ist, das sich durch mindestens eine Reaktorkammer erstreckt, wobei vorzugsweise das Plasmarohr (3) anschließend durch eine erste Reaktorkammer (1) und eine zweite Reaktorkammer (1') verläuft.13. Dissociation system according to claim 11 or 12, wherein the non-thermal, pulsed microwave plasma (P) is accommodated in a plasma tube (3) which extends through at least one reactor chamber, wherein preferably the plasma tube (3) subsequently extends through a first reactor chamber (1) and a second reactor chamber (1'). 14. Dissoziationssystem nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei eine Pumpeneinheit 7 mit der mindestens einen Reaktorkammer (1, 1') oder dem Plasmarohr (3), welches das nicht-thermische, gepulste Mikrowellenplasma (P) aufnimmt, zum Regulieren eines Drucks in der mindestens einen Reaktorkammer (1, 1') oder dem Plasmarohr (3) verbunden ist.14. Dissociation system according to one of claims 11 to 13, wherein a pump unit 7 is connected to the at least one reactor chamber (1, 1') or the plasma tube (3) receiving the non-thermal, pulsed microwave plasma (P) for regulating a pressure in the at least one reactor chamber (1, 1') or the plasma tube (3). 15. Dissoziationssystem nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die mindestens eine Reaktorkammer (1, 1') eine aktive Impedanzanpassschaltung für die Plasmazündung in der mindestens einen Reaktorkammer (1, 1') umfasst.15. Dissociation system according to one of claims 11 to 14, wherein the at least one reactor chamber (1, 1') comprises an active impedance matching circuit for the plasma ignition in the at least one reactor chamber (1, 1').
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