Перекрестные ссылки на родственные заявки
Настоящая заявка испрашивает преимущество приоритета предварительной заявки на патент США №63/061,939, поданной 6 августа 2020 г., все содержание которой полностью включено в настоящий документ путем ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее описание изобретения относится к области химии и предлагает способы и устройства для стимуляции эндотермических реакций в газовой фазе с высокими активационными барьерами посредством импульсного наносекундного электрического разряда. Они могут использоваться, например, для CO2-функционализации метана, диссоциации H2S, получения водорода и синтез-газа, для технологического синтеза и диссоциации аммиака и т.д. Некоторые варианты осуществления изобретения включают в себя способы и устройства, связанные со стимуляцией плазмохимических реакций импульсным наносекундным электрическим разрядом в присутствии потока газа.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Плазму можно рассматривать как инструмент с высоким энергопотреблением, способствующий протеканию химических реакций с высокой энергией активации, например, при получении синтетического природного газа, преобразования CO2 и H2S и т.д. В технологии на плазменной основе для проведения плазмохимических реакций можно использовать барьерные и импульсные разряды, электродуговой или микроволновой разряд, которые создают неравновесную плазму. Неравновесная плазма носит свое название благодаря тому факту, что молекулы газа могут оставаться относительно холодными их температура может не повышаться или повышаться незначительно), при этом электроны в плазме имеют достаточно высокую энергию, чтобы разобщать и ионизировать молекулы.
Параметры плазмы для проведения плазмохимической реакции могут быть выбраны так, чтобы уменьшить расход энергии, повышая при этом выход требуемых продуктов. Чтобы стимулировать прямые химические реакции, плазма разобщает или возбуждает молекулы реактивов, образуя радикалы или другие активные частицы, которые могут взаимодействовать друг с другом с получением требуемых продуктов.
В настоящем документе раскрыты различные методики для проведения таких реакций.
В первом случае исходные молекулы могут быть разобщены посредством их прямого столкновения с электронами, обладающими достаточной энергией. В этом случае важной характеристикой плазмы является напряженность электрического поля и более конкретно отношение напряженности электрического поля к концентрации газа. Это отношение определяет, достаточна ли энергия, приобретенная электроном в электрическом поле между столкновениями с молекулами газа для требуемого процесса образования радикалов или активных частиц.
Такую методику можно использовать для получения неравновесной плазмы, например, посредством барьерного разряда, включая прерывистый барьерный разряд, раскрытый в статье DBD in burst mode: solution for more efficient CO2 conversion, А. Oskan et al (см. Plasma Sources Science and Technology, IOP Publishing, 2016, 25 (5), p. 055005), опубликованной на сайте https://hal.sorbonne-universite.fr/hal-01367345.
Эту методику также можно применять для импульсного разряда, как раскрыто, например, в статье Nanosecond-Pulsed Discharge Plasma Splitting of Carbon Dioxide, Moon Soo Bak et al (см. IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 43 NO. 4, APRIL 2015, pp. 1002-1007).
Тем не менее, недостатком этих раскрытых методик барьерного разряда и импульсного разряда может быть низкая эффективность процесса преобразования.
Одна из неполадок неравновесной плазмы состоит в том, что при всех типах потеря энергии электронами (в том числе столкновения, вибрационное возбуждение молекул и т.д.), которая приводит к нагреванию газа, является необратимой. К сожалению, обычно эти типы потери энергии значительно превышают энергию диссоциации молекулы и, таким образом, даже больше эффекта нагревания (энтальпии) реакции. По этой причине энергетическая эффективность неравновесной плазмы (доля эффекта нагревания в общих потерях энергии процесса) обычно низка - около 10-20%.
Альтернатива состоит в подогреве молекул газа в специальной реакционной камере до температуры, достаточной для преодоления ими активационного барьера реакции. В этом случае подогрев является полезным процессом, и любые процессы, приводящие в результате к большему генерированию теплоты, не являются потерями.
Тем не менее, при нагревании реакционной камеры существует другая неполадка: все молекулы нагреваются, и энергия тратится не только на нагревание и диссоциацию реактивов, которые необходимы, но также на нагревание и диссоциацию конечных продуктов реакции. В этом случае значимая неполадка возникает в результате обратных реакций, которые уменьшают скорость преобразования и энергетическую эффективность процесса.
Одно из решений для разрешения этого вопроса состоит в извлечении продуктов реакции из горячей области после их образования (например, в некоторых случаях как можно быстрее после образования). Благодаря этому способу подавления обратных реакций можно увеличить выход требуемых продуктов и энергетическую эффективность плазмохимических процессов. Этот подход может называться гашением продуктов плазмохимических реакций.
Технология проведения плазмохимических реакций раскрыта в публикации патента США 2012/0090985 A1, опубликованной 19 апреля 2012 г. В ней задействован специальный плазмохимический реактор, в котором используется скользящая дуга, которая перемещается через поток газа, организованный в виде обратного вихря. Геометрия скользящего дугового разряда показана на ФИГ. 1. Дуговые плазменные шнуры, созданные после первого пробоя, начинают двигаться и растягиваться потоком газа и растягиванием дуги и вызывают увеличение рабочего напряжения и энергопотребления реактора. В настоящем документе (100) представляет собой плазмохимический реактор, 100a представляет собой заземляющий электрод, 100b представляет собой электрод высокого напряжения, 101 изображает точку общей экстинкции, 102 изображает точку развития скользящей дуги при переносе максимальной энергии, 103 изображает точку воспламенения скользящей дуги, 104 изображает Блок питания постоянного тока, 105 изображает ввод газа, 106 изображает реактор, и 107 изображает растягивание плазменного шнура потоком газа.
После приложения напряжения к электродам происходит электрический пробой в самом узком промежутке. Затем электрическая дуга, возникающая после пробоя, начинает двигаться в потоке газа от точки с самым узким промежутком, так что шнур дуги удлиняется. Напряжение, прилагаемое к этому дуговому шнуру, увеличивается в связи с увеличением длины шнура. В момент, когда это напряжение становится достаточным в точке с самым узким промежутком, происходит второй пробой, и процесс продолжается снова и снова. Этот повторяющийся режим характерен для различных типов скользящих дуг, таких как вращающаяся скользящая дуга, см. Angjian Wu, Xiaodong Li, Jianhua Yan, Jian Yang, Changming Du, Fengsen Zhu, Jinyuan Qian, CO-generation of hydrogen and carbon aerosol from coalbed methane surrogate using rotating gliding arc plasma (Applied Energy, Vol. 195, 1 June 2017, pp 67-79). Формы сигналов напряжения и тока вращающейся скользящей дуги показаны на ФИГ. 2. Следует отметить, что вращающаяся скользящая дуга также может функционировать в режиме стационарной длины дуги.
Плазменные реакторы со скользящей дугой могут частично решить проблему гашения продуктов, заставляя их двигаться через плазменный канал, но это решение также имеет несколько недостатков, проистекающих из того факта, что скорость плазменного канала относительно газа (скорость скольжения) относительно низка, около 1 метра в секунду. Таким образом, по меньшей мере некоторые из продуктов реакции способны подвергаться вторичной обработке, что приводит к значимому вкладу обратных реакций и снижает скорость преобразования и энергетическую эффективность процесса.
Существует потребность в системах, которые, с одной стороны, обеспечивают подходящие условия преобразования газа в горячей зоне, при этом в то же время дают возможность эффективного гашения продуктов реакции. Такие системы могут значимо увеличивать эффективность преобразования и энергетическую эффективность. Одна из таких систем раскрыта в PCT/RU2019/000696. Одна из целей этой раскрытой системы состоит в увеличении эффективности процесса преобразования газа/газовой смеси в требуемые продукты путем стимуляции прямых реакций и сведения к минимуму обратных реакций.
Для достижения этого эффекта в изобретении описан процесс преобразования плазмохимического газа/газовой смеси, в котором задействовано создание импульсного электрического разряда в потоке газа/газовой смеси, перемещающегося в реакционной камере с определенной скоростью, которая создает плазменный канал, соединяющий электроды, расположенные внутри реакционной камеры.
Способ по описанию изобретения уменьшает гашение продуктов реакции, генерируемое в горячем плазменном канале. Поток газа/газовой смеси, перемещающийся с определенной скоростью в реакционной камере, поставляет новые порции реактивов для преобразования, при этом также помогая быстро потушить только что образовавшийся плазменный канал, тем самым ограничивая его продолжительность.
Блок питания высокого напряжения создает импульсный электрический разряд между электродами в форме горячего плазменного канала, который длится около 10-500 нс и имеет частоту около 20-300 кГц.
Это решение достаточно эффективно, но все же требуются дальнейшие усовершенствования. Например, раскрытые в настоящем документе системы и методики, которые могут удовлетворить эту потребность, также дают возможность для различных усовершенствований с точки зрения энергетической эффективности, в том числе, среди прочего, энергетической эффективности переноса энергии от блока питания к плазме, срока службы электрода и масштабируемости системы. Эти проблемы можно разрешить, например, путем усовершенствования конструкции реактора и путем управления аспектами скорости потока газа и управления направлениями внутри реактора.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В изобретении описаны способы и аппарат, нацеленные на стабилизацию импульсного электрического разряда в потоке газа, увеличивающую энергетическую эффективность, в том числе эффективность переноса энергии от блока питания в плазму, а также масштабируемость плазмохимических реакторов. Управление параметрами плазмы посредством управления скоростью и направлением потока газа внутри реактора представляет несколько значимых проблем. В отличие от скользящего дугового разряда, где плазменный шнур растягивается потоком газа с увеличением напряжения и уменьшением тока, в системах импульсного наносекундного разряда поток газа оказывает небольшое или не оказывает никакого влияния на плазменные шнуры, поскольку эти плазменные шнуры существуют лишь в течение около 100 нс, а в период времени между импульсами плазменные шнуры отсутствуют (ФИГ. 2, ФИГ. 3). На ФИГ. 2, 201 соответствует постоянно существующему плазменному шнуру, растягиваемому потоком газа, 202 соответствует моменту, когда прежний плазменный шнур потухает, и создается новый, 203 соответствует точкам пробоя, 204 соответствует новым дугам, 205 соответствует удлинению. На ФИГ. 3, 301 соответствует времени, когда плазма не существует. Плазменный шнур существует только во время наносекундного пробоя, как, например, 302. Смещение молекул газа в течение этого времени за счет скорости потока газа может быть пренебрежимо мало. В этом случае одно решение состоит в том, что скорее перемещается след горячего и возбужденного газа после потухания плазменного шнура, чем сам плазменный шнур. Местоположения следующих пробоев в наносекундном электрическом разряде в горячей плазме определяют (или по меньшей мере оказывают на него влияние) остаточные следы горячих и возбужденных газов, остающиеся после предыдущего импульса. Путем перемещения таких следов можно управлять местоположением последующих пробоев (ФИГ. 4). На ФИГ. 4 показана часть плазменной реакционной системы. Эта система включает в себя анод 401 и катод 402. В раскрытых системах газ может течь вдоль направления 403 в качестве осевого потока газа, и может происходить первый пробой 404, результатом которого может быть след горячего и возбужденного газа 405. В раскрытых системах газ может течь вдоль направления 406 в качестве тангенциального потока газа. След горячего и возбужденного потока газа (405, 407, 409) может мигрировать под влиянием тангенциального потока газа (406, 408, 410), и второй пробой 411 может происходить в новом месте.
Если разрядный промежуток в разных местах будет различаться, напряжением пробоя можно управлять посредством перемещения следа предыдущего импульса в направлении местоположения более длинного промежутка (ФИГ. 5). На ФИГ. 5 показана часть плазменной реакционной системы. Эта система включает в себя анод (501) и катод (502). В раскрытых системах газ может течь вдоль направления 503 в качестве осевого потока газа, и может происходить первый пробой 504, результатом которого может быть след горячего и возбужденного газа 505. В раскрытых системах газ может течь вдоль направления 506 в качестве тангенциального потока газа. След горячего и возбужденного потока газа (505, 507, 509) может мигрировать под влиянием тангенциального потока газа (506, 508, 510), и второй пробой 511 может происходить в новом месте.
Чтобы достичь такого управления, некоторые варианты осуществления по описанию изобретения могут включать в себя элементы конструкции плазменного реактора, которые могут обеспечить тангенциальную скорость газа в определенных областях внутри реактора. Эта тангенциальная скорость газа может быть использована, чтобы вызвать смещение следов горячего и возбужденного газа и управлять им в целях управления местоположением последующих пробоев. Варианты осуществления по описанию изобретения могут также включать в себя конструкцию плазменного канала, включающую устройства, предназначенные. чтобы вызывать вихревое движение газа и/или управлять им в областях внутри плазменного канала.
Варианты осуществления по описанию изобретения могут также включать в себя многоканальные конструкции, чтобы способствовать масштабируемости и увеличению электрической эффективности системы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 показана геометрия скользящей дуги и механизм растягивания плазменных шнуров.
На Фиг. 2 показаны формы сигналов напряжения и тока скользящей дуги.
На Фиг. 3 показан импульсный наносекундный электрический разряд в горячей плазме в потоке газа.
Фиг. 4 иллюстрирует аспекты управления местоположением пробоев импульсного наносекундного электрического разряда в горячей плазме с использованием тангенциального потока газа.
Фиг. 5 иллюстрирует аспекты управления напряжением пробоя импульсного наносекундного электрического разряда в горячей плазме с использованием тангенциального потока газа.
На Фиг. 6 показана картина нескольких серийных импульсов импульсного наносекундного электрического разряда в горячей плазме под влиянием тангенциального потока газа.
На Фиг. 7 показана конструкция анода с буравчатым изолятором импульсного наносекундного электрического разряда в горячей плазме с тангенциальным потоком газа, в соответствии с иллюстративными вариантами осуществления по описанию изобретения.
На Фиг. 8 показана конструкция катода со штифтами регулируемой длины и буравчатым изолятором импульсного наносекундного электрического разряда в горячей плазме с тангенциальным потоком газа, в соответствии с иллюстративными вариантами осуществления по описанию изобретения.
На Фиг. 9 показан плазменный канал импульсного наносекундного электрического разряда в горячей плазме с тангенциальным потоком газа с анодом и катодом в сборке, в соответствии с иллюстративными вариантами осуществления по описанию изобретения.
На Фиг. 10 показан плазменный реактор с четырьмя каналами импульсного наносекундного электрического разряда в горячей плазме с тангенциальным потоком газа, в соответствии с иллюстративными вариантами осуществления по описанию изобретения.
На Фиг. 11 показан плазменный реактор с 97 каналами импульсного наносекундного электрического разряда в горячей плазме с тангенциальным потоком газа, в соответствии с иллюстративными вариантами осуществления по описанию изобретения.
На Фиг. 12 показано схематическое изображение плазменного реактора с одним каналом импульсного наносекундного электрического разряда в горячей плазме, в соответствии с иллюстративными вариантами осуществления по описанию изобретения.
На Фиг. 13 показано схематическое изображение плазменного реактора с четырьмя каналами импульсного наносекундного электрического разряда в горячей плазме, в соответствии с иллюстративными вариантами осуществления по описанию изобретения.
На Фиг. 14 показаны формы сигналов анодного, катодного и общего напряжения для иллюстративных вариантов осуществления по описанию изобретения.
На Фиг. 15 показана форма сигнала общего напряжения для конструкций с буравчатыми электродами, дополнительной системой вихревого движения газа и штифты катода регулируемой длины, в соответствии с иллюстративными вариантами осуществления по описанию изобретения, и показана форма кривой общего напряжения для конструкции без этих модификаций.
На Фиг. 16 изображен плазмохимический реактор в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения.
На Фиг. 17 изображены иллюстративные конфигурации электродов.
На Фиг. 18 изображен вид электрического разряда в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения.
На Фиг. 19 изображены результаты эксперимента по диссоциации CO2 в иллюстративном плазменном преобразователе.
ПОДРОБНОЕ РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Дальнейшая разработка плазмохимических реакторов, основанных на импульсном электрическом разряде в горячей плазме в потоке газа, влечет за собой несколько проблем, связанных с энергетической эффективностью, в том числе энергетической эффективностью переноса энергии от блока питания в плазму, сроком службы электрода и масштабируемостью системы. Варианты осуществления и методики по описанию изобретения могут обеспечить, среди прочих потенциальных признаков изобретения, способность вызывать быстрый переход плазменного шнура с одной точки электрода на другую при каждом импульсе, стабилизировать напряжение пробоев на целесообразном достаточно высоком уровне, обеспечивать эффективный перенос энергии от блока питания в плазму и/или масштабировать плазменные реакторы до любой требуемой производительности. Варианты осуществления по описанию изобретения могут также дать возможность значимо улучшить сроки службы электродов.
Чтобы стимулировать смещение новых плазменных шнуров в новые местоположения (относительно предыдущих положений плазменных шнуров), варианты осуществления по описанию изобретения могут обеспечивать перемещение следов горячего и возбужденного газа после потухания плазменных шнуров. Положение и параметры, связанные со следом от предыдущего плазменного шнура, определяют положение (или влияют на него) и напряжение пробоя, связанного со следующим плазменным шнуром. Например, если первый пробой происходит с холодным газом при напряжении около 30 кВ, следующий пробой может происходить при напряжении в три раза меньше (около 10 кВ) из-за наличия следа горячего и возбужденного газа. Таким образом, управление следами горячего и возбужденного газа от предыдущих импульсов может быть важно для управления параметрами и положением последующего плазменного шнура. Такое управление может обеспечивать быстрый переход плазменного шнура с одной точки электрода на другую при каждом импульсе, что предотвращает перегрев и плавление определенных точек электрода и может значимо увеличивать срок службы электрода. Такое управление может быть также важно для стабилизации напряжения пробоя, поскольку локальный перегрев газа может привести в результате к варьирующим (например, пониженным) значениям напряжения пробоя, связанным с местоположением, в котором происходит такой локальный перегрев газа. Пример такого поведения плазменных шнуров показано на ФИГ. 6.
Одним из факторов для управления новым местоположением пробоя в наносекундном электрическом разряде в горячей плазме, на которое влияет остаточный след горячего и возбужденного газа, является перемещение этого следа на определенное расстояние, прежде чем произойдет следующий пробой. В некоторых случаях это перемещение может включать в себя переведение в перпендикулярное направление относительно предыдущего шнура. Чтобы обеспечить такое перемещение, в вариантах осуществления по описанию изобретения может быть обеспечена перпендикулярная тангенциальная скорость газа в определенной области плазменного канала. В некоторых случаях эта тангенциальная скорость Vtang может быть больше, чем Vtang.> f*10-3 м/с, в которой f представляет собой частоту импульсов электрического разряда, а смещение 10-3 м представляет собой характеристическое расстояние между соседними штифтами электродов. При типовой частоте 50 кГц в описываемых вариантах осуществления по описанию изобретения может быть обеспечена тангенциальная скорость 50 м/с. Чтобы обеспечить эту скорость, варианты осуществления по описанию изобретения могут включать в себя устройства вихревого движения в плазменном канале. В некоторых случаях системы вихревого движения газа могут быть добавлены на входе и выходе канала. Варианты осуществления по описанию изобретения могут включать в себя любую подходящую конструкцию для обеспечения раскрытой тангенциальной скорости потока газа. В некоторых случаях в качестве изоляторов анода и катода можно использовать изолятор электродов, имеющий буравчатую форму (см. ФИГ. 7 и ФИГ. 8).
Другие конфигурации для обеспечения вихревого движения газа и управления им в плазменном канале могут включать в себя тангенциально расположенные отверстия (701) в самих анодных электродах, как показано на ФИГ. 7. Такие конфигурации могут обеспечить требуемую тангенциальную скорость в таких местоположениях, которые приближены к концам электродов, что может быть важно при управлении перемещением местоположения плазменного шнура от одного импульса к другому.
Некоторые варианты осуществления по описанию изобретения могут также включать в себя конфигурации электродов, обеспечивающие управление (например, поддержание определенных минимальных уровней напряжения пробоя, позволяющее избежать значимого снижения напряжений пробоя и т.д.) и стабилизацию напряжения. В некоторых случаях такие конфигурации могут включать в себя штифты электродов регулируемой длины. Иллюстративный катод (801), включающий в себя штифты электрода регулируемой длины, показан на ФИГ. 8. Иллюстративные анод (902), включающий в себя тангенциально расположенные отверстия, и катод (901), включающий в себя штифты электрода регулируемой длины, в сборке на буравчатых изоляторах в цилиндрическом плазменном канале (900) показаны на ФИГ. 9. Такие конфигурации могут обеспечивать стабильное напряжение среди прочих характеристик работоспособности, предпочтительных для стимуляции плазмохимических реакций.
Признаки вариантов осуществления по описанию изобретения, включающие в себя, среди прочего, многоканальный реактор, могут обеспечивать масштабирование до любой требуемой производительности. Такой многоканальный реактор может включать в себя любой из требуемых признаков и характеристик работоспособности, раскрытых в настоящем документе для одного или более из каналов в многоканальном реакторе. В некоторых случаях для обеспечения любой требуемой производительности реактора может использоваться несколько аналогичных параллельных каналов с общим входом и выходом потока. Пример четырехканального реактора показан на ФИГ. 10. Каждый канал имеет систему входа газа с тангенциально расположенными отверстиями, выполненными с возможностью стимулировать выравнивание потока газа через каждый канал.
Количество каналов, включенных в многоканальный реактор, может быть увеличено, чтобы обеспечить модуль реактора с любой подходящей/требуемой производительностью. Дальнейшее масштабирование может быть достигнуто путем увеличения количества используемых модулей, образующих реактор. Один из примеров конфигурации модуля плазменного реактора, имеющего 97 плазменных каналов, показан на ФИГ. 11.
Стабилизация напряжений пробоя, обеспечиваемая в ходе работы плазмохимических реакторов по описанию изобретения, например, элементами вихревого движения газа, связанными с плазменным каналом (например, установленными внутри него), может иметь несколько преимуществ. В некоторых случаях такая стабилизация может значимо увеличивать энергетическую эффективность, в том числе энергетическую эффективность переноса энергии от блока питания в плазму. В некоторых случаях, в дополнение к другим раскрытым в настоящем документе методикам, напряжение пробоя можно по меньшей мере частично стабилизировать, используя согласующую зарядную цепь, обеспечиваемую между трансформатором высокого напряжения и электродами. Такая цепь схематически изображена на ФИГ. 12. На ФИГ. 12, 1201 изображает формирователь, 1202 изображает регулируемый трансформатор (110 В, 20 А), 1203 изображает сигналы формирователя, 1204 изображает диодный мост (4X60EPF12), 1205 изображает конденсатор (6×820 мкФ, 200 В), 1206 представляет собой +500 В, 1207 изображает главную обмотку из трех оборотов, 1208 изображает модуль питания, 1209 изображает вторичную обмотку из 220 оборотов, 1210 изображает катушку индуктивности (5,5 мГн), 1211 изображает конденсатор (550 пФ), 1212 изображает конденсатор (500 пФ каждый), 1213 изображает плазменный канал, 12014 изображает выпрямитель/стабилизатор тока высокого напряжения, 1215 изображает модуль биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ) (CM200DU - 24NFH), 1216 изображает модуль БТИЗ (CM200DU - 24NFH). Как проиллюстрировано, данная цепь может включать в себя катушку индуктивности и конденсатор, соединенные в серию и встроенные на двух однополупериодных выпрямителях, каждый из которых включает в себя диод высокого напряжения и конденсатор. В некоторых случаях один выпрямитель может включать в себя положительно заряженный анод, а другой выпрямитель может включать в себя отрицательно заряженный катод. Зарядка такой согласующей цепи может обеспечивать колебание напряжения на плоской части прямоугольного импульса напряжения, генерируемого трансформатором высокого напряжения. Такие колебания могут обеспечивать квазинепрерывную зарядку небольшими шагами при характеристической частоте, превышающей (например, превышающей в десять или более раз) частоту сигнала напряжения на трансформаторе высокого напряжения. Эта квазинепрерывная зарядка может снижать или предотвращать потери энергии зарядки (ФИГ. 14). На ФИГ. 14, 1400 представляет собой график напряжения и времени, 1401 соответствует общему напряжению, 1402 соответствует анодному напряжению, а 1403 соответствует катодному напряжению. В некоторых случаях может требоваться достижение частоты пробоя электрического разряда, по меньшей мере в два раза превышающей рабочую частоту трансформатора. Как показано на ФИГ. 14, рабочая частота трансформатора составляет около 25 кГц, но пробои электрического разряда стабилизированы при частоте около 50 кГц. Раскрытый процесс квазинепрерывной зарядки может уменьшить или свести к минимуму потери энергии зарядки. На схеме, показанной на ФИГ. 14, использован трансформатор высокого напряжения с питанием от моста БТИЗ. Тем не менее, другие примеры могут включать в себя преобразователь и/или двухтактную полумостовую конфигурацию. Дополнительно можно также использовать другие типы транзисторов.
Раскрытую согласующую цепь между трансформатором высокого напряжения и электродами можно также использовать для разделения питания от одного трансформатора высокого напряжения и инвертора на требуемое количество каналов. Пример такого раздельного расположения (например, разделение на четыре канала) показан на ФИГ. 15. На ФИГ. 15, 1501 изображает график изменения напряжения со временем, соответствующий конструкции без модифицированной системы вихревого движения газа и увеличения напряжения, 1502 изображает график изменения напряжения со временем, соответствующий конструкции с буравчатыми электродами, дополнительной системой вихревого движения газа и штифтами катода регулируемой длины. Хотя пример, показанный на ФИГ. 15, включает в себя разделение на четыре канала, аналогичным образом можно обеспечить другие количества каналов. Раскрытые стабилизация и управление напряжением пробоя плазменных каналов, связанных с раскрытыми конфигурациями для стимуляции вихревого движения газа внутри плазменных каналов могут значимо увеличить рабочую эффективность (среди прочих преимуществ) одновременной работы нескольких различных плазменных каналов, питание которых осуществляется одним трансформатором высокого напряжения и инвертором. Кроме того, раскрытые конфигурации и методики могут способствовать стабилизации напряжения пробоя, уменьшать или сводить к минимуму потери энергии зарядки, обеспечивать масштабируемость производительности системы до любого требуемого количества плазменных каналов и увеличивать эффективность плазмохимических реакторов.
Варианты осуществления по описанию данного изобретения могут также включать в себя один или более признаков или могут использоваться в одном или более процессов, как раскрыто в приведенных ниже разделах.
Плазма может обеспечивать инструмент с высоким энергопотреблением для осуществления химических реакций с высокой энергией активации, таких как, например, получение синтез-газа, диссоциация CO2, диссоциация H2S и т. д. Но регулярные плазменные технологии, такие как электродуговой или микроволновой электрический разряд, могут иметь несколько недостатков в области применения плазмохимии. Например, системы такого типа могут создавать проблемы при поддержании условий протекания прямых химических реакций (например, химических реакций, которые переводят исходные реактивы в вещества), при этом избегая обратных химических реакций. В плазмохимии это может называться гашением, которое включает в себя быстрое извлечение продуктов реакции из высокотемпературной зоны реакции.
Подход по описанию изобретения может обеспечивать эффективное решение для гашения. Электрический разряд данного типа может включать в себя серию электрических пробоев газа, которые могут наблюдаться в виде тонких игл, которые появляются и потухают, например, каждый раз в новом месте. Таким образом, исходные реактивы можно обрабатывать с целью создания требуемых продуктов и практически избегать обратных химических реакций путем быстрого тушения плазменных каналов. Частота таких пробоев может составлять до 100 кГц, обеспечивая эффективную обработку высокоскоростных потоков газа.
На Фиг. 16 изображен иллюстративный плазмохимический реактор, основанный на принципе генерирования и тушения горячего плазменного канала между анодом и катодом с высокой частотой. На Фиг. 16 изображены модуль (1) входа газа, анод (2), анодный соединитель (3) высокого напряжения, разрядная камера (4), катод (5), катодный соединитель (6) высокого напряжения, модуль (7) выхода газа и блок питания высокого напряжения со специальными электрическими характеристиками.
Один или оба из катода и анода может иметь форму диска, как изображено на Фиг. 17 (9). В некоторых случаях аноды и катоды могут иметь форму диска с острым концом или форму диска с несколькими иглами.
Плазмохимический реактор, основанный на принципе генерирования и тушения горячего плазменного канала между анодом и катодом с высокой частотой, может включать в себя модуль (1) входа газа Фиг. 16, анод (2) Фиг. 16, анодный соединитель (3) высокого напряжения Фиг. 16, разрядную камеру (4) Фиг. 16, катод (5) Фиг. 16, катодный соединитель (6) высокого напряжения Фиг. 16, модуль (7) выхода газа Фиг. 16 и блок питания высокого напряжения с выходным конденсатором C с емкостью не менее: емкость (нФ) > средний ток (A) * 100.
Дополнительно иллюстративная система по описанию изобретения может осуществлять рециркуляцию газа с помощью дополнительного газового насоса для увеличения скорости потока газа через зону разряда, независимо от скорости потока подаваемого газа.
Система по описанию изобретения может включать в себя дополнительный конденсатор высокого напряжения, установленный параллельно с выходными разъемами блока питания Фиг. 16 (8).
Иллюстративная система по описанию изобретения может направлять поток рабочего газа от анода к катоду (или наоборот).
На Фиг. 18 изображен вид электрического разряда в соответствии с иллюстративными вариантами осуществления по описанию изобретения.
В иллюстративной системе по описанию изобретения любая форма и материал катода и анода может включать в себя одно или более из:
- диска;
- диска с острыми краями;
- диска с несколькими иглами; и
- конуса со сквозными отверстиями; в разнообразных комбинациях.
В некоторых вариантах осуществления в качестве материалом электродов можно использовать бронзу БрХ, вольфрам, титан и молибден.
Установка иллюстративных систем по описанию изобретения может включать в себя любую комбинацию из:
- настройки скорости потока рабочего газа через искровой разрядник;
- доведения давления рабочего газа в разряднике;
- изменение расстояния между электродами; и
- изменение напряжения разряда между электродами.
Иллюстративные отличительные признаки плазменных реакторов по описанию изобретения включают в себя: высокую электрическую эффективность, улучшенную энергетическую эффективность плазмохимических процессов (минимальные затраты энергии), робастную и надежную конструкцию электродов, обеспечивающую продленный срок службы, который может уменьшить потребность в замене деталей, и крайне компактный дизайн плазменного реактора.
Иллюстративные виды применения систем по описанию изобретения включают диссоциацию CO2. На Фиг. 19 изображены результаты диссоциации CO2 в иллюстративном плазменном преобразователе. Иллюстративный процесс диссоциации CO2 может быть использован для: восстановления CO2 в отработавших газах (например, восстановление CO2 из выбросов), преобразования CO2 в жидкое топливо (например, восстановление CO2 из выбросов), генерирования кислорода из CO2 для космических областей применения и получения водорода (замена процесса электролиза).
В изобретении также описаны способы получения синтез-газа (например, из смеси CH4/CO2). Иллюстративные процессы могут быть использованы для: преобразования CO2/CH4 для получения водорода и/или преобразования CO2 в жидкое топливо с использованием электроэнергии и метана. Синтез-газ может быть получен из смеси CH4/CO2.
В изобретении также описаны способы диссоциации сульфида водорода (H2S). Преобразование H2S является одним из ключевых процессов нефтеперерабатывающих заводов. Технология, основанная на традиционном Клаус-процессе, имеет несколько недостатков (основной состоит в том, что генерируемый для процесса водород преобразуется в H2O и поэтому теряется). В противоположность этому, иллюстративный плазменный процесс диссоциации H2S до водорода и серы может быть более эффективным, если затраты энергии на диссоциацию составляют около 1 эВ/молекула H2S. В некоторых вариантах осуществления плазменный процесс преобразует H2S в два полезных продукта - водород (который может быть извлечен) и твердую серу. После диссоциации сульфида водорода (H2S) твердую серу можно снять со стенок реактора путем плавления. Серу можно извлечь из потока газа путем электростатического осаждения.
Технология плазменного преобразования газовых смесей может обеспечить эффективный инструмент для множества потенциальных областей применения, в том числе утилизацию CO2 (такую как восстановление CO2 из выбросов) и получение водорода. Иллюстративная система по описанию изобретения может обеспечить следующие преимущества:
- энергетическая эффективность
- затраты на эксплуатацию
- простой, надежный и компактный дизайн.
Иллюстративная система по описанию изобретения может быть также использована для преобразования этана в этилен или пропана в пропилен в соответствии, например, с формулой: C2H6 → C2H4 + H2 и C3H8 → C3H6 + H2.
Кроме того, иллюстративные системы по описанию изобретения могут использоваться для преобразования бутана и/или изобутена в бутилен и изобутилен. Например, C4H10 → C4H8 + H2.
Дополнительные системы по описанию изобретения могут быть использованы для синтеза ацетилена. Например, CH4 (CxH2x+2 в целом) → C2H2 + 2H2.
В некоторых вариантах осуществления система по описанию изобретения может быть использована для получения газа водорода (например, для использования при пополнении запаса топлива в водородных топливных элементах).
Описываемые в настоящем документе плазменные реакторы могут иметь разнообразные конфигурации. В некоторых вариантах осуществления плазменный реактор может быть связан с различными компонентами или включать их в себя для обеспечения одного или более аспектов функциональности плазменного реактора. Такие компоненты могут включать в себя без ограничений один или более блок питания, электрическую схему блока питания, регуляторы потока газа, датчики и т. д. Такие компоненты могут также включать в себя один или более процессоров (например, микроконтроллер или логическое устройство другого типа) для автоматического управления одной или более функций плазменного реактора или ее реализации. Такие процессоры могут управлять генерированием плазменного шнура и/или синхронизацией плазменного шнура посредством автоматического управления различными компонентами блока питания (например, на основе механизма обратной связи, полученной от управляющего устройства), элементами цепи, устройствами регулирования потока газа и т. д. Хотя плазменные реакторы по описанию изобретения могут управляться автоматически посредством использования одного или более контроллера на логической основе, в некоторых вариантах осуществления описываемые плазменные реакторы могут быть реализованы с использованием аналоговых электронных компонентов.
В раскрытых выше плазменном реакторе и связанных электронных компонентах могут использоваться любые значения напряжения и сопротивления. Например, экспериментальная установка включала использование напряжения выхода 60 кВ, прилагаемого к конденсатору выпрямителя. Резистор высокого напряжения имел сопротивление 100 кОм. Конденсатор на выходе импульса имел емкость 350 пФ. С этими компонентами полученная в результате частота цикла генерирования/потухания плазменного шнура составляла около 60 кГц. Эффективная индуктивность цепи для разряда конденсатора на выходе импульса через плазмохимический реактор составляла 0,5 мкГн. Продолжительность импульса тока и срок существования плазменного шнура составляли около 150 нс.
Трансформатор высокого напряжения и схема умножителя напряжения, основанная на диодах и конденсаторах, может обеспечить требуемый ток нагрузки конденсатора на выходе импульса. После зарядки до напряжения, достаточного для пробоя, конденсатор на выходе импульса плазмохимического реактора может разряжаться через плазменный канал с образованием плазменного шнура. В момент изменения полярности (или через некоторое время после изменения полярности сигнала) плазменный шнур может быть потушен потоком газа. Этот процесс может повторяться непрерывно.
В одном примере экспериментальная установка включала в себя конденсаторы умножителя на 100 пФ. Высокочастотный трансформатор высокого напряжения работал при частоте 30 кГц и 60 Гц соответственно. Конденсатор на выходе импульса имел емкость 300 пФ. В результате частота плазменных импульсов составляла 30 кГц и 60 кГц соответственно. Эффективная индуктивность цепи для разряда конденсатора на выходе импульса через плазмохимический реактор составляла 0,5 мкГн, 0, 125 и 0,03 мкГн соответственно. Продолжительность импульса тока и срок существования плазменного шнура составляли 180 нс, 80 нс и 30 нс соответственно.
Некоторые дополнительные иллюстративные варианты осуществления изобретения включают описанные ниже.
Иллюстративный реактор, имеющий более длительное время выключения, чем время включения
В некоторых вариантах осуществления плазменный реактор может генерировать и тушить плазменные шнуры повторяющимся образом так, что время выдержки, в течение которого плазменный шнур отсутствует (время отключения), является значимо более длительным, чем интервал плазменного разряда, когда плазменный шнур присутствует (время включения). В некоторых вариантах осуществления более длительное время отключения может быть важным, так как дает возможность последующим шнурам следовать путями, отличающимися от их предшественников (что приводит к повышенной эффективности).
В некоторых вариантах осуществления представлен плазменный реактор для преобразования по меньшей мере одного химического соединения в один или более продуктов реакции, содержащий: пару электродов; ввод газа, выполненный с возможностью доставлять газ в местоположение пары электродов; и блок питания, выполненный с возможностью вызывать изменяющееся по времени напряжение через пару электродов, в котором изменяющееся по времени напряжение выполнено с возможностью вызывать генерирование плазменного шнура между парой электродов во время каждого из множества последовательных интервалов разряда так, что каждый интервал разряда из этого множества отделен по времени от другого интервала разряда из этого множества интервалом выдержки, в течение которого плазменный шнур между парами электродов отсутствует, и в котором среднее время интервала выдержки является по меньшей мере в десять раз более длительным, чем среднее время интервала разряда.
В некоторых вариантах осуществления представлен плазменный реактор для преобразования по меньшей мере одного химического соединения в один или более продуктов реакции, содержащий: пару электродов; ввод газа, выполненный с возможностью доставлять газ в местоположение пары электродов; блок питания, выполненный с возможностью вызывать изменяющееся по времени напряжение через пару электродов; и по меньшей мере один процессор, выполненный с возможностью: управлять блоком питания для генерирования плазменного шнура между парой электродов во время каждого из множества последовательных интервалов разряда так, что каждый интервал разряда из этого множества отделен по времени от другого интервала разряда из этого множества интервалом выдержки, в течение которого плазменный шнур между парами электродов отсутствует, и в котором среднее время интервала выдержки является по меньшей мере в десять раз более длительным, чем среднее время интервала разряда.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один процессор выполнен с возможностью управления подачей энергии на пару электродов, чтобы вызвать воспламенение и тушение плазменных шнуров по меньшей мере 50 000 раз в секунду за период по меньшей мере 10 минут.
В некоторых вариантах осуществления продолжительность каждого из множества интервалов разряда по существу одинакова.
В некоторых вариантах осуществления отношение средней продолжительности интервалов выдержки к средней продолжительности интервалов разряда составляет по меньшей мере 50.
В некоторых вариантах осуществления отношение средней продолжительности интервалов выдержки к средней продолжительности интервалов разряда составляет по меньшей мере 100.
В некоторых вариантах осуществления продолжительность по меньшей мере одного из множества интервалов разряда отличается от продолжительности другого из этого множества интервалов разряда.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один процессор выполнен с возможностью управления блоком питания, чтобы средняя продолжительность множества интервалов разряда составляла от 50 наносекунд до 200 наносекунд, и чтобы средняя продолжительность интервалов выдержки составляла от 500 наносекунд до 15 000 наносекунд.
В некоторых вариантах осуществления расстояние между парами электродов составляет от около 2 см до 10 см.
В некоторых вариантах осуществления расстояние между парами электродов составляет от около 5 см до 7 см.
В некоторых вариантах осуществления средний диаметр плазменного шнура, генерируемого во время каждого интервала разряда, составляет от около 50 микрометров до 1000 микрометров.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один электрод из пары электродов включает в себя одну или более игольчатых структур, выходящих из поверхности его дистального конца.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один электрод включает в себя гафний.
Иллюстративная деактивация плазменного шнура с целью уменьшения обратных реакций
В некоторых вариантах осуществления после того, как плазменный шнур вызывает протекание химической реакции, плазменный шнур потухает в течение достаточного периода времени, чтобы обратная реакция не происходила.
В некоторых вариантах осуществления, в том числе генератор плазмы с целью способствовать химическим реакциям, этот генератор плазмы может включать в себя: реакционную камеру; анод и катод в реакционной камере, подключенные к цепи для доставки энергии через анод и катод; ввод потока газа для подачи по меньшей мере одного реакционного газа в область анода и катода; клапан для управления потоком реакционного газа через ввод потока газа, в котором клапан выполнен с возможностью регулирования количества реакционного газа, поступающего в область анода и катода; блок питания, выполненный с возможностью доставки энергии в цепь и регулирования доставки энергии в циклы так, чтобы первое среднее время цикла, когда энергия не доставляется в цепь, значимо превышает второе среднее время цикла, когда энергия доставляется в цепь, с целью ограничения обратных реакций, следующих за химическими реакциями.
В некоторых вариантах осуществления, в том числе генератор плазмы, чтобы способствовать химическим реакциям, этот генератор плазмы может включать в себя: реакционную камеру; анод и катод в реакционной камере, подключенные к цепи для доставки энергии через анод и катод; ввод потока газа для подачи по меньшей мере одного реакционного газа в область анода и катода; клапан для управления потоком реакционного газа через ввод потока газа; блок питания, выполненный с возможностью доставки энергии в цепь; и по меньшей мере один процессор, выполненный с возможностью: управления клапаном для регулирования количества реакционного газа, поступающего в область анода и катода; регулирования доставки энергии в циклах от блока питания в цепь так, чтобы первое среднее время цикла, когда энергия не доставляется в цепь, значимо превышает второе среднее время цикла, когда энергия доставляется в цепь, с целью ограничения обратных реакций, следующих за химическими реакциями.
В некоторых вариантах осуществления первое среднее время цикла по меньшей мере в 50 раз превышает второе среднее время цикла.
В некоторых вариантах осуществления второе среднее время цикла составляет менее, чем около 200 нс.
Иллюстративный высокочастотный плазменный разряд с чередующимся временем выдержки
В некоторых вариантах осуществления плазменный реактор по описанию изобретения может повторяющимся образом генерировать и тушить плазменные шнуры с высокой частотой (например, более 50 кГц или 100 кГц), но с чередующимися временами выдержки между генерируемыми событиями образования плазменного шнура. В некоторых вариантах осуществления высокочастотная работа и чередующие времена выдержки могут быть важными факторами улучшенной производительности по сравнению с другими системами (например, микроволновыми плазменными системами), которые непрерывно поддерживают плазменный разряд. Например, высокая частота и относительно длительное время выдержки может обеспечить быстрое гашение газообразных продуктов реакции, что может приводить улучшенной эффективности.
В некоторых вариантах осуществления представлен плазменный реактор для преобразования по меньшей мере одного химического соединения в один или более продуктов реакции, содержащий: пару электродов; ввод газа, выполненный с возможностью доставлять газ в местоположение пары электродов; и блок питания, выполненный с возможностью: вызывать изменяющееся по времени напряжение через пару электродов с целью генерирования серии периодических событий разряда плазмы между парами электродов, причем периодические события разряда плазмы отделены друг от друга по времени временем выдержки, в течение которого разряд плазмы между парами электродов не происходит; и вызывать периодические события плазменного разряда, происходящие с частотой по меньшей мере 50 кГц.
В некоторых вариантах осуществления представлен плазменный реактор для преобразования по меньшей мере одного химического соединения в один или более продуктов реакции, содержащий: пару электродов; ввод газа, выполненный с возможностью доставлять газ в местоположение пары электродов; блок питания; по меньшей мере один процессор, выполненный с возможностью: вызывать изменяющееся по времени напряжение через пару электродов с целью генерирования серии периодических событий разряда плазмы между парами электродов, причем периодические события плазменного разряда отделены друг от друга по времени временем выдержки, в течение которого разряд плазмы между парами электродов не происходит; и вызывать периодические события плазменного разряда, происходящие с частотой по меньшей мере 50 кГц.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один процессор выполнен с возможностью вызывать периодические события плазменного разряда, происходящие с частотой по меньшей мере 100 кГц.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один процессор выполнен с возможностью вызывать продолжительность времени выдержки, по меньшей мере в десять раз превышающую среднюю продолжительность каждого события плазменного разряда.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один процессор выполнен с возможностью вызывать продолжительность времени выдержки, по меньшей мере в 100 раз превышающую среднюю продолжительность каждого события плазменного разряда.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один процессор выполнен с возможностью вызывать каждое событие плазменного разряда так, чтобы его продолжительность составляла от около 50 наносекунд до около 150 наносекунд, а продолжительность времени выдержки составляла по меньшей мере 1500 наносекунд.
В некоторых вариантах осуществления каждого события плазменного разряда, составляющую от около 50 наносекунд до около 150 наносекунд, и продолжительность времени выдержки, составляющую по меньшей мере 10 000 наносекунд.
В некоторых вариантах осуществления расстояние между парами электродов составляет от около 2 см до 10 см.
В некоторых вариантах осуществления расстояние между парами электродов составляет от около 5 см до 7 см.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один процессор выполнен с возможностью вызывать каждое событие плазменного разряда, приводящее в результате к генерированию плазменного шнура, и вызывать плазменный шнур так, чтобы его средний радиус составлял от около 50 микрометров до 1000 микрометров.
Иллюстративная управляемая нестабильность шнура для обеспечения чередующегося времени выдержки
В некоторых вариантах осуществления в плазменных реакторах по описанию изобретения может быть внедрена периодическая нестабильность, чтобы вызвать потухание плазменных шнуров. Нестабильность обеспечивается изменениями полярности сигнала напряжения, прилагаемого к паре электродов, что обеспечивает потухание шнура, например, посредством прохождения потока газа через реакционную камеру.
В некоторых вариантах осуществления представлен плазменный реактор для преобразования по меньшей мере одного химического соединения в один или более продуктов реакции, содержащий: реакционную камеру; пару электродов в реакционной камере; блок питания, выполненный с возможностью вызывать изменение между положительной и отрицательной полярностью по меньшей мере одного из напряжения и тока через пару электродов, чтобы инициировать воспламенение плазмы в течение периодов положительной полярности и создавать нестабильность в генерируемых плазменных шнурах в течение соответствующих периодов отрицательной полярности; и по меньшей мере один трубопровод потока газа, выполненный с возможностью направлять газ в область генерируемых плазменных шнуров таким образом, чтобы генерируемые плазменные шнуры поддерживались в течение соответствующих периодов положительной полярности прилагаемого напряжения и прекращали существование в течение соответствующих периодов отрицательной полярности и после начала нестабильности в генерируемых плазменных шнурах.
В некоторых вариантах осуществления представлен плазменный реактор для преобразования по меньшей мере одного химического соединения в один или более продуктов реакции, содержащий: реакционную камеру; пару электродов в реакционной камере; блок питания; по меньшей мере один процессор, выполненный с возможностью вызывать изменение между положительной и отрицательной полярностью по меньшей мере одного из напряжения и тока через пару электродов, чтобы инициировать воспламенение плазмы в течение периодов положительной полярности и создавать нестабильность в генерируемых плазменных шнурах в течение соответствующих периодов отрицательной полярности; и по меньшей мере один трубопровод потока газа, выполненный с возможностью направлять газ в область генерируемых плазменных шнуров таким образом, чтобы генерируемые плазменные шнуры поддерживались в течение соответствующих периодов положительной полярности прилагаемого напряжения и прекращали существование в течение соответствующих периодов отрицательной полярности и после начала нестабильности в генерируемых плазменных шнурах.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один процессор выполнен с возможностью вызывать нестабильность в генерируемых плазменных шнурах таким образом, чтобы начались изменения напряжения через пару электродов с положительной полярности на отрицательную.
В некоторых вариантах осуществления изменение напряжения является периодическим, и при этом один цикл изменения напряжения включает в себя часть с положительной полярностью и часть с отрицательной полярностью.
В некоторых вариантах осуществления генерируемый плазменный шнур поддерживается в течение времени разряда, которое по меньшей мере частично попадала в пределы части с положительной полярностью, и в котором плазменный шнур между парой электродов не существует в течение времени выдержки, которое включает в себя часть с отрицательной полярностью и часть с положительной полярностью, и в котором время выдержки является более длительным, чем время разряда.
В некоторых вариантах осуществления генерируемый плазменный шнур поддерживается в течение времени разряда, имеющего более короткую продолжительность, чем время выдержки, в течение которого существует плазменный шнур между парой электродов.
В некоторых вариантах осуществления время выдержки является по меньшей мере в десять раз более длительным, чем время разряда.
В некоторых вариантах осуществления время выдержки является по меньшей мере в 100 раз более длительным, чем время разряда.
В некоторых вариантах осуществления переменное напряжение имеет пилообразную форму сигнала.
В некоторых вариантах осуществления газ, направленный в область генерируемых плазменных шнуров, имеет скорость потока от 0,1 до 50 литров в минуту.
Иллюстративная скорость потока газа управляет воспламенением и прекращением существования шнура
В некоторых вариантах осуществления по описанию изобретения скорость потока газа может быть важна при обеспечении повторного воспламенения и прекращения существования плазменного шнура. В некоторых вариантах осуществления, если скорость потока газа слишком высока, шнур не будет воспламеняться, а если скорость потока газа слишком низка, шнур не будет потухать. Таким образом, потоком газа можно управлять.
В некоторых вариантах осуществления представлен плазменный реактор для преобразования по меньшей мере одного химического соединения в один или более продуктов реакции, содержащий: реакционную камеру; пару электродов; блок питания, выполненный с возможностью вызывать изменяющееся по времени напряжение через пару электродов, причем изменяющееся по времени напряжение периодически изменяется от локальных максимумов до минимумов; и по меньшей мере один газовый трубопровод, управляемый таким образом, чтобы направлять газ в область пары электродов со скоростью, выбранной так, чтобы обеспечивать как генерирование плазменного шнура, так и прекращение существования генерируемого плазменного шнура, между последовательными локальными максимумами изменяющегося по времени напряжения.
В некоторых вариантах осуществления представлен плазменный реактор для преобразования по меньшей мере одного химического соединения в один или более продуктов реакции, содержащий: реакционную камеру; пару электродов; по меньшей мере один процессор, выполненный с возможностью управлять блоком питания таким образом, чтобы он вызывал изменяющееся по времени напряжение через пару электродов, причем изменяющееся по времени напряжение, периодически изменяющееся от локальных максимумов до минимумов; и по меньшей мере один газовый трубопровод, управляемый таким образом, чтобы направлять газ в область пары электродов со скоростью, выбранной так, чтобы обеспечивать как генерирование плазменного шнура, так и прекращение существования генерируемого плазменного шнура, между последовательными локальными максимумами изменяющегося по времени напряжения.
В некоторых вариантах осуществления реактор дополнительно содержит газовый клапан, связанный с трубопроводом потока газа, и в котором по меньшей мере один процессор выполнен с возможностью управлять газовым клапаном таким образом, чтобы доставлять газ со скоростью, вызывающей повторное генерирование и прекращение существования плазменного шнура.
В некоторых вариантах осуществления реактор дополнительно содержит датчик, который определяет по меньшей мере одно из генерирования и прекращения существования плазменного шнура и который обеспечивает вывод данных на процессор для регулирования клапана.
В некоторых вариантах осуществления реактор дополнительно содержит датчик, который определяет скорость потока газа и который обеспечивает вывод данных на процессор для регулирования клапана.
В некоторых вариантах осуществления газ, направленный в область генерируемых плазменных шнуров, имеет скорость потока от 0,1 до 50 литров в минуту.
В некоторых вариантах осуществления изменяющееся по времени напряжение имеет частоту по меньшей мере 50 кГц.
В некоторых вариантах осуществления генерирование плазменного шнура происходит с частотой по меньшей мере 50 кГц.
В некоторых вариантах осуществления изменяющееся по времени напряжение имеет частоту по меньшей мере 100 кГц.
В некоторых вариантах осуществления генерирование плазменного шнура происходит с частотой по меньшей мере 100 кГц.
Иллюстративный ротационный поток газа для повышения эффективности
В некоторых вариантах осуществления поток газа может иметь ротационную составляющую движения потока в дополнение к главной осевой составляющей движения потока. Этот ротационный поток может быть важен для эффективности системы и может приводить к возврату эффективности, превышающему до пятикратного (или большего) уровня, чем системы трубчатых реакторов, основанных только на ламинарном потоке.
В некоторых вариантах осуществления представлен плазменный реактор для преобразования по меньшей мере одного химического соединения в один или более продуктов реакции, содержащий: реакционную камеру; пару электродов; блок питания, электрически подключенный к паре электродов, причем блок питания выполнен с возможностью вызывать периодические события плазменного разряда между парой электродов в ответ на изменяющееся по времени напряжение, прилагаемое через пару электродов, в котором периодические события плазменного разряда разделены по времени периодами выдержки, во время которых плазменный разряд не происходит; и по меньшей мере один газовый трубопровод, выполненный с возможностью направлять поток газа в область пары электродов так, что поток газа включает в себя как продольную, так и ротационную составляющую движения относительно оси через пару электродов.
В некоторых вариантах осуществления представлен плазменный реактор для преобразования по меньшей мере одного химического соединения в один или более продуктов реакции, содержащий: реакционную камеру; пару электродов в реакционной камере; блок питания, электрически подключенный к паре электродов; по меньшей мере один процессор, выполненный с возможностью управлять блоком питания так, чтобы он вызывал периодические события плазменного разряда между парой электродов в ответ на изменяющееся по времени напряжение, прилагаемое через пару электродов, в котором периодические события плазменного разряда разделены по времени периодами выдержки, во время которых плазменный разряд не происходит; и по меньшей мере один газовый трубопровод, выполненный с возможностью направлять поток газа в область пары электродов так, что поток газа включает в себя как продольную, так и ротационную составляющую движения относительно оси через пару электродов.
В некоторых вариантах осуществления реактор дополнительно содержит по меньшей мере один клапан, связанный с газовым трубопроводом, для регулирования объема газового потока.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один процессор выполнен с возможностью управлять по меньшей мере одним клапаном так, чтобы вызывать поток газа со скоростью продольного потока от 0,1 литра в минуту до 50 литров в минуту.
В некоторых вариантах осуществления ротационная составляющая движения достаточна для смещения молекулы в газовом потоке на расстояние, большее или равное среднему диаметру плазменных шнуров, генерируемых во время периодических событий плазменного разряда.
В некоторых вариантах осуществления ротационная составляющая движения потока газа вызывает генерирование плазменных шнуров во время периодических событий плазменного разряда так, что путь их следования имеет форму сплайна.
В некоторых вариантах осуществления периоды времени выдержки является по меньшей мере в десять раз более длительными, чем времена разряда, связанные с периодическими событиями плазменного разряда.
В некоторых вариантах осуществления периоды времени выдержки является по меньшей мере в 100 раз более длительными, чем времена разряда, связанные с периодическими событиями плазменного разряда.
В некоторых вариантах осуществления периодические события плазменного разряда происходят с частотой по меньшей мере 50 кГц.
В некоторых вариантах осуществления периодические события плазменного разряда происходят с частотой по меньшей мере 100 кГц.
Иллюстративный последующий шнур следует новым путем
В некоторых вариантах осуществления в результате более длительного времени отключения по сравнению с временем включения каждый новый плазменный шнур может следовать путем, отличным от предыдущего шнура. Этот признак может способствовать тому, чтобы обеспечить, что каждый генерируемый шнур подвергается воздействию большего количества не прореагировавших реактивов, чем продуктов гашения реакции, что может увеличить эффективность реактора.
В некоторых вариантах осуществления представлен плазменный реактор для преобразования по меньшей мере одного химического соединения в один или более продуктов реакции, содержащий: реакционную камеру; пару электродов в реакционной камере; и блок питания, выполненный с возможностью вызывать изменяющееся по времени напряжение через пару электродов, в котором изменяющееся по времени напряжение выполнено с возможностью обеспечивать генерирование плазменного шнура между парой электродов во время каждого из множества интервалов разряда так, что каждый интервал разряда из этого множества отделен по времени от другого интервала разряда из этого множества интервалом выдержки, в течение которого плазменный шнур между парами электродов отсутствует, а продолжительность интервала выдержки достаточна, чтобы вызвать последующее генерирование плазменного разряда в течение последующего интервала разряда так, что он следует путем, отличающимся от пути, которым следовал предыдущий плазменный шнур, генерируемый в течение предыдущего интервала разряда.
В некоторых вариантах осуществления представлен плазменный реактор для преобразования по меньшей мере одного химического соединения в один или более продуктов реакции, содержащий: реакционную камеру; пару электродов в реакционной камере; блок питания; по меньшей мере один процессор, выполненный с возможностью: управлять блоком питания так, чтобы он вызывал изменяющееся по времени напряжение через пару электродов, в котором изменяющееся по времени напряжение выполнено с возможностью обеспечивать генерирование плазменного шнура между парой электродов во время каждого из множества интервалов разряда, управлять блоком питания так, что каждый интервал разряда из этого множества отделен по времени от другого интервала разряда из этого множества интервалом выдержки, в течение которого плазменный шнур между парами электродов отсутствует, и управлять блоком питания так, что продолжительность интервала выдержки достаточна, чтобы вызвать последующее генерирование плазменного разряда в течение последующего интервала разряда так, что он следует путем, отличающимся от пути, которым следовал предыдущий плазменный шнур, генерируемый в течение предыдущего интервала разряда.
В некоторых вариантах осуществления средний интервал выдержки является по меньшей мере в десять раз более длительным, чем средний интервал разряда.
В некоторых вариантах осуществления средний интервал выдержки является по меньшей мере в 50 раз более длительным, чем средний интервал разряда.
В некоторых вариантах осуществления средний интервал выдержки является по меньшей мере в 100 раз более длительным, чем средний интервал разряда.
В некоторых вариантах осуществления средний интервал выдержки составляет от 50 наносекунд до 150 наносекунд по продолжительности, и в которых средний интервал выдержки составляет по меньшей мере 2500 наносекунд по продолжительности.
В некоторых вариантах осуществления средний интервал выдержки составляет по меньшей мере 10 000 наносекунд по продолжительности.
В некоторых вариантах осуществления средний интервал выдержки составляет по меньшей мере 15 000 наносекунд по продолжительности.
В некоторых вариантах осуществления интервалы разряда происходят с частотой по меньшей мере 50 кГц.
В некоторых вариантах осуществления интервалы разряда происходят с частотой по меньшей мере 100 кГц.
Иллюстративное наблюдение за потоком газа и корректирующее действие
В некоторых вариантах осуществления скорость потока газа может быть параметром, важным для нескольких аспектов реакторов по описанию изобретения. Таким образом, управляющая система для наблюдения за скоростью потока газа и принятия одного или более корректирующего действия, если скорость потока выходит за пределы заданного диапазона, может быть важна для работы и производительности реактора.
В некоторых вариантах осуществления управляющая система для плазменного реактора выполнена с возможностью периодического воспламенения и тушения плазменных шнуров в сочетании с потоком газа через плазменный реактор, содержащая: по меньшей мере один процессор, выполненный с возможностью: приема индикации скорости потока газа через плазменный реактор; определения того, не показывает ли полученная индикация скорость потока газа ниже порогового значения, достаточного для обеспечения периодического воспламенения плазменных шнуров; и инициации по меньшей мере одного корректирующего действия, если определено, что текущая скорость потока газа ниже порогового значения.
В некоторых вариантах осуществления резервное действие включает в себя издание предупреждающего сигнала.
В некоторых вариантах осуществления предупреждающий сигнал включает в себя по меньшей мере одно из звукового предупреждающего сигнала или визуального предупреждающего сигнала.
В некоторых вариантах осуществления корректирующее действие включает в себя действие, вызывающее увеличение потока газа через плазменный реактор.
В некоторых вариантах осуществления корректирующее действие включает в себя действие, увеличивает скорость работы по меньшей мере одного насоса.
В некоторых вариантах осуществления корректирующее действие включает в себя действие, вызывающее остановку плазменного реактора.
Иллюстративный реактор с распределением потоков по параллельным путям
В некоторых вариантах осуществления плазменный реактор, имеющий несколько параллельных путей потока газа, с по меньшей мере одной парой электродов, расположенной внутри каждого пути потока, может обеспечить значимо повышенную стабильность по сравнению с однопоточными реакторами. Такие реакторы, например, могут быть менее подвержены нежелательным явлениям, вызванным изменениями потока газа.
В некоторых вариантах осуществления представлен плазменный реактор для преобразования по меньшей мере одного химического соединения в один или более продуктов реакции, содержащий: реактор, через который проходит путь потока реактора; первую камеру потока газа в пути потока газа, причем первая камера потока газа ограничивает первый путь подпотока внутри пути потока реактора; первую пару электродов, размещенную внутри первой камеры потока газа; по меньшей мере вторую камеру потока газа в пути потока реактора, причем вторая камера потока газа ограничивает второй путь подпотока внутри пути потока реактора, при этом первый путь подпотока и второй путь подпотока по существу параллельны; по меньшей мере вторую пару электродов, размещенную внутри по меньшей мере второй камеры потока газа; и по меньшей мере один блок питания, выполненный с возможностью вызывать по меньшей мере одно изменяющееся по времени напряжение через каждую из первой пары электродов и второй пары электродов, что обеспечивает последовательное генерирование и прекращение существования плазменных шнуров внутри каждой из первой камеры потока газа и по меньшей мере второй камеры потока газа.
В некоторых вариантах осуществления представлен плазменный реактор для преобразования по меньшей мере одного химического соединения в один или более продуктов реакции, содержащий: реактор, через который проходит путь потока реактора; первую камеру потока газа в пути потока газа, причем первая камера потока газа ограничивает первый путь подпотока внутри пути потока реактора; первую пару электродов, размещенную внутри первой камеры потока газа; по меньшей мере вторую камеру потока газа в пути потока реактора, причем вторая камера потока газа ограничивает второй путь подпотока внутри пути потока реактора, при этом первый путь подпотока и второй путь подпотока по существу параллельны; по меньшей мере вторую пару электродов, размещенную внутри по меньшей мере второй камеры потока газа; по меньшей мере один блок питания; и по меньшей мере один процессор, выполненный с возможностью вызывать по меньшей мере одно изменяющееся по времени напряжение через каждую из первой пары электродов и второй пары электродов, что обеспечивает последовательное генерирование и прекращение существования плазменных шнуров внутри каждой из первой камеры потока газа и по меньшей мере второй камеры потока газа.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере одна из первой пары электродов или второй пары электродов ориентированы относительно своей соответствующей камеры потока газа так, что ось поля между первой парой электродов или второй парой электродов располагается параллельно пути потока соответствующей камеры потока газа.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере одна из первой пары электродов или второй пары электродов ориентированы относительно своей соответствующей камеры потока газа так, что ось поля между первой парой электродов или второй парой электродов располагается под ненулевым углом относительно пути потока соответствующей камеры потока газа.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере одна из первой пары электродов или второй пары электродов ориентированы относительно своей соответствующей камеры потока газа так, что ось поля между первой парой электродов или второй парой электродов располагается под углом около 90 градусов относительно пути потока соответствующей камеры потока газа.
В некоторых вариантах осуществления плазменный реактор включает в себя по меньшей мере три камеры потока газа, продольные оси которых по существу параллельны и лежат на вершинах треугольника.
В некоторых вариантах осуществления плазменный реактор включает в себя множество камер потока газа в гексагональном, плотно упакованном расположении, и их продольные оси по существу параллельны друг другу.
Иллюстративный CO2 диссоциатор
В некоторых вариантах осуществления случаи потенциально важного применения плазменных реакторов по описанию изобретения могут включать в себя диссоциацию диоксида углерода, который является хорошо известным промышленным загрязняющим веществом и тепличным газом. Для восстановления диоксида углерода из выбросов из различных источников можно использовать не только реактор по описанию изобретения, но эта система может обеспечивать эффективность менее 4 эВ/моль, что невозможно при текущих методиках.
В некоторых вариантах осуществления представлен плазменный реактор для диссоциации диоксида углерода до монооксида углерода и кислорода, содержащий: реакционную камеру для диоксида углерода, ограничивающую путь потока газа через нее; ввод в реакционную камеру, причем ввод выполнен с возможностью подачи диоксида углерода в путь потока газа; пару электродов, размещенную внутри пути потока газа; блок питания, выполненный с возможностью вызывать напряжение через пару электродов, обеспечивающее генерирование плазменных шнуров между парой электродов, в котором блок питания также выполнен с возможностью такого управления напряжением, доставляемым через пару электродов, чтобы оно изменялось по времени, чтобы вызвать образование и потухание шнуров между электродами повторяющимся образом так, что при присутствии плазменных шнуров между парой электродов плазменные шнуры взаимодействуют с диоксидом углерода и обеспечивают протекание диссоциации диоксида углерода до монооксида углерода и кислорода; и по меньшей мере один вывод из реакционной камеры, выполненный с возможностью эвакуации монооксида углерода и кислорода из реакционной камеры.
В некоторых вариантах осуществления представлен плазменный реактор для диссоциации диоксида углерода до монооксида углерода и кислорода, содержащий: реакционную камеру для диоксида углерода, ограничивающую путь потока газа через нее; ввод в реакционную камеру, причем ввод выполнен с возможностью подачи диоксида углерода в путь потока газа; пару электродов, размещенную внутри пути потока газа; блок питания; по меньшей мере один процессор, выполненный с возможностью: вызывать напряжение через пару электродов, обеспечивающее генерирование плазменных шнуров между парой электродов, в котором блок питания также выполнен с возможностью такого управления напряжением, доставляемым через пару электродов, чтобы оно изменялось по времени, чтобы вызвать образование и потухание шнуров между электродами повторяющимся образом так, что при присутствии плазменных шнуров между парой электродов плазменные шнуры взаимодействуют с диоксидом углерода и обеспечивают протекание диссоциации диоксида углерода до монооксида углерода и кислорода; и по меньшей мере один вывод из реакционной камеры, выполненный с возможностью эвакуации монооксида углерода и кислорода из реакционной камеры.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один процессор выполнен с возможностью такого управления образованием шнура и потуханием шнура, что периоды, где шнуры между парой электродов отсутствуют, являются более длительными, чем периоды, в течение которых присутствуют шнуры между парой электродов.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один процессор дополнительно выполнен с возможностью вызывать последовательные интервалы разряда шнура так, чтобы они были разделены по времени чередующимися интервалами выдержки, в течение которых плазменный шнур между парой электродов отсутствует, и в котором средняя длительность чередующихся интервалов выдержки по меньшей мере в десять раз больше, чем средняя продолжительность множества интервалов разряда.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один процессор выполнен с возможностью управлять подачей диоксида углерода так, чтобы скорость продольного потока составляла от 0,1 литра в минуту до 50 литров в минуту.
В некоторых вариантах осуществления реактор дополнительно включает в себя по меньшей мере один управляющий элемент потока газа, выполненный с возможностью придавать движению ротационную составляющую для подачи диоксида углерода, в котором ротационная составляющая движения достаточна для смещения молекулы диоксида углерода при подаче диоксида углерода на расстояние, большее или равное среднему диаметру плазменных шнуров, генерируемых во время множества интервалов плазменного разряда.
В некоторых вариантах осуществления средняя длительность чередующихся интервалов выдержки по меньшей мере в 50 раз больше средней продолжительности интервалов образования шнура.
В некоторых вариантах осуществления средняя длительность чередующихся интервалов выдержки по меньшей мере в 100 раз больше средней продолжительности множества интервалов образования шнура.
В некоторых вариантах осуществления генерирование плазменных шнуров происходит с частотой по меньшей мере 50 кГц.
В некоторых вариантах осуществления генерирование плазменных шнуров происходит с частотой по меньшей мере 100 кГц.
Иллюстративная переработка избыточной энергии для восстановления CO2 из выбросов
В некоторых вариантах осуществления плазменный генератор может быть установлен на выводах промышленных предприятий, чтобы использовать избыточную энергию из промышленного предприятия для питания плазменного генератора, который расщепляет CO2.
В некоторых вариантах осуществления представлена система для использования избыточной энергии в промышленном процессе для восстановления диоксида углерода из выбросов, генерируемых промышленным процессом, содержащая: плазменный генератор, выполненный с возможностью подключения к источнику избыточной энергии, причем плазменный генератор включает в себя пару электродов, электрически подключенную к блоку питания; ввод для связывания плазменного генератора с выводом диоксида углерода из промышленного процесса, чтобы обеспечить поток выбросов диоксида углерода из промышленного процесса в область пары электродов; и блок питания, выполненный с возможностью обеспечения энергией плазменного генератора, чтобы вызвать последовательное образование плазменных шнуров, прерываемое потуханием каждого шнура перед образованием другого шнура, чтобы тем самым преобразовывать диоксид углерода в области пары электродов для диссоциации на углерод и кислород.
В некоторых вариантах осуществления представлена система для использования избыточной энергии в промышленном процессе для восстановления диоксида углерода из выбросов, генерируемых промышленным процессом, содержащая: плазменный генератор, выполненный с возможностью подключения к источнику избыточной энергии, причем плазменный генератор включает в себя пару электродов, электрически подключенную к блоку питания; ввод для связывания плазменного генератора с выводом диоксида углерода из промышленного процесса, чтобы обеспечить поток выбросов диоксида углерода из промышленного процесса в область пары электродов; и по меньшей мере один процессор для управления подачи энергии на плазменный генератор, чтобы вызвать последовательное образование плазменных шнуров, прерываемое потуханием каждого шнура перед образованием другого шнура, чтобы тем самым преобразовывать диоксид углерода в области пары электродов для диссоциации на углерод и кислород.
В некоторых вариантах осуществления время между потуханием первого шнура и образованием следующего, второго шнура по меньшей мере в 50 раз больше, чем время, в течение которого сохраняется первый или второй шнур.
Иллюстративный генерируемый плазмой XeF2
В некоторых вариантах осуществления случаем потенциально важного применения плазменного реактора по описанию изобретения является генерирование фторида ксенона посредством метана и ксенона с помощью плазмы.
В некоторых вариантах осуществления плазменный реактор для генерирования фторида ксенона содержит: реакционную камеру для фторида ксенона, ограничивающую путь потока газа через нее; по меньшей мере один ввод в реакционную камеру, причем по меньшей мере один ввод выполнен с возможностью подачи газа в путь потока газа с подачей газа фторида углерода и газа ксенона; пару электродов, размещенную внутри пути потока газа; блок питания, выполненный с возможностью: вызывать изменяющееся по времени напряжение через пару электродов, в котором изменяющееся по времени напряжение через пару электродов выполнено с возможностью обеспечивать генерирование плазменного шнура между парой электродов, и управлять напряжением, доставляемым через пару электродов, изменяющимся по времени образом, чтобы вызывать образование и потухание шнуров между электродами повторяющимся образом так, что при присутствии плазменных шнуров между парой электродов плазменные шнуры взаимодействуют с газом ксеноном и газом фторидом углерода, и взаимодействие вызывает образование фторида ксенона; и по меньшей мере один вывод из реакционной камеры, выполненный с возможностью эвакуации фторида ксенона из реакционной камеры.
В некоторых вариантах осуществления плазменный реактор для генерирования фторида ксенона содержит: реакционную камеру для фторида ксенона, ограничивающую путь потока газа через нее; по меньшей мере один ввод в реакционную камеру, причем по меньшей мере один ввод выполнен с возможностью подачи газа в путь потока газа с подачей газа фторида углерода и газа ксенона; пару электродов, размещенную внутри пути потока газа; блок питания; по меньшей мере один процессор, выполненный с возможностью: вызывать изменяющееся по времени напряжение через пару электродов, в котором изменяющееся по времени напряжение через пару электродов выполнено с возможностью обеспечивать генерирование плазменного шнура между парой электродов, и управлять напряжением, доставляемым через пару электродов, изменяющимся по времени образом, чтобы вызывать образование и потухание шнуров между электродами повторяющимся образом так, что при присутствии плазменных шнуров между парой электродов плазменные шнуры взаимодействуют с газом ксеноном и газом фторидом углерода, и взаимодействие вызывает образование фторида ксенона; и по меньшей мере один вывод из реакционной камеры, выполненный с возможностью эвакуации фторида ксенона из реакционной камеры.
В некоторых вариантах осуществления генерируемый фторид ксенона включает в себя XeF2.
В некоторых вариантах осуществления подача газа фторида углерода включает в себя CF4 (тетрафторуглерод).
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один процессор дополнительно выполнен с возможностью управлять потоком газовой смеси, в том числе подачей газа ксенона и подачей газа фторида углерода со скоростью продольного потока вдоль пути потока газа от 0,1 литра в минуту до 50 литров в минуту.
В некоторых вариантах осуществления реактор дополнительно включает в себя по меньшей мере один управляющий элемент потока газа, выполненный с возможностью придавать движение газовой смеси, в том числе подачу газа ксенона и подачу газа фторида углерода, ротационную составляющую, в котором ротационная составляющая движения достаточна для смещения молекулы в газовой смеси на расстояние, большее или равное среднему диаметру плазменных шнуров, генерируемых во время множества интервалов плазменного разряда.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один процессор дополнительно выполнен с возможностью вызывать последовательные интервалы образования шнура так, чтобы они были разделены по времени чередующимися интервалами выдержки, в течение которых плазменный шнур между парой электродов отсутствует, и в котором средняя длительность чередующихся интервалов выдержки по меньшей мере в десять раз больше, чем средняя продолжительность множества интервалов образования шнура.
В некоторых вариантах осуществления средняя длительность чередующихся интервалов выдержки по меньшей мере в 50 раз больше средней продолжительности множества интервалов разряда.
В некоторых вариантах осуществления средняя длительность чередующихся интервалов выдержки по меньшей мере в 100 раз больше средней продолжительности интервалов разряда.
В некоторых вариантах осуществления генерирование плазменных шнуров происходит с частотой по меньшей мере 50 кГц.
В некоторых вариантах осуществления генерирование плазменных шнуров происходит с частотой по меньшей мере 100 кГц.
Иллюстративный генерируемый плазмой синтез-газ
В некоторых вариантах осуществления следующим случаем потенциально важного применения плазменного реактора по описанию изобретения является генерирование синтез-газа, использующее около половины количества энергии, используемого современными микроволновыми системами.
В некоторых вариантах осуществления плазменный реактор для генерирования синтез-газа содержит: реакционную камеру для синтез-газа, ограничивающую путь потока газа через нее; по меньшей мере один ввод в реакционную камеру, причем по меньшей мере один ввод выполнен с возможностью подачи газа в путь потока газа с подачей первого газа, содержащего углерод и кислород, и второго газа, содержащего водород; пару электродов, размещенную внутри пути потока газа; блок питания, выполненный с возможностью вызывать напряжение через пару электродов и менять напряжение через электроды изменяющимся по времени образом, чтобы вызвать образование плазменного шнура между электродами повторяющимся образом так, что при присутствии плазменных шнуров между парой электродов плазменные шнуры взаимодействуют с первым газом и со вторым газом, и взаимодействие вызывает образование синтез-газа; и по меньшей мере один вывод из реакционной камеры, выполненный с возможностью эвакуации синтез-газа из реакционной камеры.
В некоторых вариантах осуществления плазменный реактор для генерирования синтез-газа содержит: реакционную камеру для синтез-газа, ограничивающую путь потока газа через нее; по меньшей мере один ввод в реакционную камеру, причем по меньшей мере один ввод выполнен с возможностью подачи газа в путь потока газа с подачей первого газа, содержащего углерод и кислород, и второго газа, содержащего водород; пару электродов, размещенную внутри пути потока газа; блок питания; процессор, выполненный с возможностью вызывать напряжение через пару электродов и менять напряжение через электроды изменяющимся по времени образом, чтобы вызвать образование плазменного шнура между электродами повторяющимся образом так, что при присутствии плазменных шнуров между парой электродов плазменные шнуры взаимодействуют с первым газом и со вторым газом, и взаимодействие вызывает образование синтез-газа; и по меньшей мере один вывод из реакционной камеры, выполненный с возможностью эвакуации синтез-газа из реакционной камеры.
В некоторых вариантах осуществления первый газ включает в себя CO2.
В некоторых вариантах осуществления второй газ включает в себя CH4.
В некоторых вариантах осуществления синтез-газ включает в себя смесь монооксида углерода и водорода.
В некоторых вариантах осуществления смесь первого газа и второго газа имеет скорость продольного потока вдоль пути потока газа от 0,1 литра в минуту до 50 литров в минуту.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один процессор дополнительно выполнен с возможностью вызывать последовательные интервалы образования шнура так, чтобы они были разделены по времени чередующимися интервалами выдержки, в течение которых плазменный шнур между парой электродов отсутствует, и в котором средняя длительность чередующихся интервалов выдержки по меньшей мере в десять раз больше, чем средняя продолжительность множества интервалов образования шнура.
В некоторых вариантах осуществления реактор дополнительно включает в себя по меньшей мере один управляющий элемент потока газа, выполненный с возможностью придавать движению газовой смеси, в том числе первый газ и второй газ, в котором ротационная составляющая движения достаточна для смещения молекулы в газовой смеси на расстояние, большее или равное среднему диаметру плазменных шнуров, генерируемых во время множества интервалов плазменного разряда.
В некоторых вариантах осуществления средняя длительность чередующихся интервалов выдержки по меньшей мере в 50 раз больше средней продолжительности множества интервалов образования шнура.
В некоторых вариантах осуществления средняя длительность чередующихся интервалов выдержки по меньшей мере в 100 раз больше средней продолжительности множества интервалов образования шнура.
В некоторых вариантах осуществления генерирование плазменных шнуров происходит с частотой по меньшей мере 50 кГц.
В некоторых вариантах осуществления генерирование плазменных шнуров происходит с частотой по меньшей мере 100 кГц.
В последующем раскрытии предлагается несколько дополнительных примеров, согласующихся с вариантами осуществления по описанию изобретения.
Пример 1
Продемонстрирован иллюстративный процесс преобразования CO2 в CO и кислород, например посредством CO2 -> CO + 1/2O2 с использованием импульсного плазмохимического реактора. Исходный CO2 вводили в плазменный реактор, имеющий два электрода (анод и катод), встроенные коаксиально в кварцевый цилиндр. Оба электрода имеют форму, продемонстрированную на Фиг. 17 (11). Каждый электрод был выполнен в виде медного цилиндра с вольфрамовыми стержнями. В обоих электродах поток газа проходит через центральное отверстие в медной части.
Выходы блока питания были подключены к электродам. Конденсатор на выходе имел емкость 300 пФ. Таким образом, было получено повторяющееся создание и тушение горячих плазменных шнуров. Время жизни плазменного шнура составляло около 300 нс. Частота повторения составляла 60 кГц. Требуемая скорость газа в реакторе была достигнута путем использования насоса для рециркуляции газа.
Параметры эксперимента были следующими:
Скорость входа потока CO2: 1,2 м3/ч
Выходная мощность блока питания: 900 Вт
Скорость потока рециркуляции, обеспечиваемая насосом: 30 м3/ч
Внутренний диаметр кварцевой камеры: 40 мм
Концентрации газов в продукте были следующими:
CO: 15%
O2: 7,5%
Пример 2
Продемонстрирован иллюстративный процесс преобразования CO2 в CO и кислород в реакции, такой как CO2 -> CO + 1/2O2, с использованием импульсного плазмохимического реактора. Исходный CO2 вводили в плазменный реактор, имеющий два электрода (анод и катод), встроенные коаксиально в кварцевый цилиндр. Оба электрода имеют форму, продемонстрированную на Фиг. 17 (10). Каждый электрод был выполнен из меди. В обоих электродах поток газа проходил через центральное отверстие в медной части. Выходы блока питания были подключены к электродам. Конденсатор на выходе имел емкость 300 пФ. Таким образом, было получено повторяющееся создание и тушение горячих плазменных шнуров. Время жизни плазменного шнура составляло около 300 нс. Частота повторения составляла 60 кГц. Требуемая скорость газа в реакторе была достигнута путем использования насоса для рециркуляции газа.
Параметры эксперимента были следующими:
Скорость входа потока CO2: 1,2 м3/ч
Выходная мощность блока питания: 1200 Вт
Скорость потока рециркуляции, обеспечиваемая насосом: 30 м3/ч
Внутренний диаметр кварцевой камеры: 40 мм
Концентрации газов в продукте были следующими:
CO: 13%
O2: 6,5%
Пример 3
Продемонстрирован процесс преобразования CO2 в CO и кислород в реакции CO2 -> CO + 1/2O2 с использованием импульсного плазмохимического реактора. Исходный CO2 вводили в плазменный реактор, имеющий два электрода (анод и катод), встроенные коаксиально в кварцевый цилиндр. Катодный электрод имеет форму, продемонстрированную на Фиг. 17 (10). Каждый электрод был выполнен из меди. Анод имеет форму, продемонстрированную на Фиг. 17 (11). Анод был выполнен в виде медного цилиндра с вольфрамовыми стержнями. В обоих электродах поток газа проходит через центральное отверстие в медной части. Выходы блока питания были подключены к электродам. Конденсатор на выходе имел емкость 300 пФ. Таким образом, было получено повторяющееся создание и тушение горячих плазменных шнуров. Время жизни плазменного шнура составляло около 300 нс. Частота повторения составляла 60 кГц. Требуемая скорость газа в реакторе была достигнута путем использования насоса для рециркуляции газа.
Параметры эксперимента:
Скорость входа потока CO2: 1,2 м3/ч
Выходная мощность блока питания: 950 Вт
Скорость потока рециркуляции, обеспечиваемая насосом: 30 м3/ч
Внутренний диаметр кварцевой камеры: 40 мм
Концентрации газов в продукте:
CO: 14%
O2: 7%
Пример 4
Продемонстрирован процесс преобразования CO2 в CO и кислород в реакции CO2 -> CO + 1/2O2 с использованием импульсного плазмохимического реактора. Исходный CO2 вводили в плазменный реактор, имеющий два электрода (анод и катод), встроенные коаксиально в кварцевый цилиндр. Оба электрода имеют форму, продемонстрированную на Фиг. 17 (11). Каждый электрод был выполнен в виде медного цилиндра с вольфрамовыми стержнями. В обоих электродах поток газа проходит через центральное отверстие в медной части. Выход блока питания был подключен к электродам. Конденсатор на выходе имел емкость 300 пФ. Таким образом, было получено повторяющееся создание и тушение горячих плазменных шнуров. Время жизни плазменного шнура составляло около 300 нс. Частота повторения составляла 60 кГц. Требуемая скорость газа в реакторе была достигнута путем использования насоса для рециркуляции газа.
Параметры эксперимента:
Скорость входа потока CO2: 1,2 м3/ч
Выходная мощность блока питания: 930 Вт
Скорость потока рециркуляции, обеспечиваемая насосом: 20 м3/ч
Внутренний диаметр кварцевой камеры: 40 мм
Концентрации газов в продукте:
CO: 15%
O2: 7,5%
Пример 5
Продемонстрирован процесс преобразования CO2 в CO и кислород в реакции CO2 -> CO + 1/2O2 с использованием импульсного плазмохимического реактора. Исходный CO2 вводили в плазменный реактор, имеющий два электрода (анод и катод), встроенные коаксиально в кварцевый цилиндр. Оба электрода имеют форму, продемонстрированную на Фиг. 17 (11). Каждый электрод был выполнен в виде медного цилиндра с вольфрамовыми стержнями. В обоих электродах поток газа проходит через центральное отверстие в медной части. Выходы блока питания были подключены к электродам. Конденсатор на выходе имел емкость 300 пФ. Таким образом, было получено повторяющееся создание и тушение горячих плазменных шнуров. Время жизни плазменного шнура составляло около 300 нс. Частота повторения составляла 60 кГц. Требуемая скорость газа в реакторе была достигнута путем использования насоса для рециркуляции газа.
Параметры эксперимента:
Скорость входа потока CO2: 1,2 м3/ч
Выходная мощность блока питания: 1000 Вт
Скорость потока рециркуляции, обеспечиваемая насосом: 15 м3/ч
Внутренний диаметр кварцевой камеры: 40 мм
Концентрации газов в продукте:
CO: 14%
O2: 7,0%
Пример 6
Продемонстрирован процесс преобразования CO2 в CO и кислород в реакции CO2 -> CO + 1/2O2 с использованием импульсного плазмохимического реактора. Исходный CO2 вводили в плазменный реактор, имеющий два электрода (анод и катод), встроенные коаксиально в кварцевый цилиндр. Оба электрода имеют форму, продемонстрированную на Фиг. 17 (11). Каждый электрод был выполнен в виде медного цилиндра с вольфрамовыми стержнями. В обоих электродах поток газа проходит через центральное отверстие в медной части. Выходы блока питания были подключены к электродам. Конденсатор на выходе имел емкость 300 пФ. Таким образом, было получено повторяющееся создание и тушение горячих плазменных шнуров. Время жизни плазменного шнура составляло около 300 нс. Частота повторения составляла 60 кГц. Требуемая скорость газа в реакторе была достигнута путем использования насоса для рециркуляции газа.
Параметры эксперимента:
Скорость входа потока CO2: 1,2 м3/ч
Выходная мощность блока питания: 900 Вт
Скорость потока рециркуляции, обеспечиваемая насосом: 30 м3/ч
Внутренний диаметр кварцевой камеры 40 мм
Концентрации газов в продукте:
CO: 15%
O2: 7,5%
Пример 7
Процесс преобразования смеси 50% CO2 и 50% CH4 в синтез-газ (смесь CO и H2) в реакции CO2 + CH4 -> 2CO + 2H2 с использованием импульсного плазмохимического реактора. Исходный CO2 вводили в плазменный реактор, имеющий два электрода (анод и катод), встроенные коаксиально в кварцевый цилиндр. Оба электрода имеют форму, продемонстрированную на Фиг. 17 (11). Каждый электрод был выполнен в виде медного цилиндра с вольфрамовыми стержнями. В обоих электродах поток газа проходит через центральное отверстие в медной части. Выходы блока питания были подключены к электродам. Конденсатор на выходе имел емкость 300 пФ. Таким образом, было получено повторяющееся создание и тушение горячих плазменных шнуров. Время жизни плазменного шнура составляло около 200 нс. Частота повторения составляла 60 кГц. Требуемая скорость газа в реакторе была достигнута путем использования насоса для рециркуляции газа.
Параметры эксперимента:
Скорость входа потока CO2: 1,2 м3/ч
Скорость входа потока CH4: 1,2 м3/ч
Выходная мощность блока питания: 1300 Вт
Скорость потока рециркуляции, обеспечиваемая насосом: 30 м3/ч
Внутренний диаметр кварцевой камеры 40 мм
Концентрации газов в продукте:
CO: 15%
H2: 15%
Пример 8
Продемонстрирован процесс преобразования смеси 50% CO2 и 50% CH4 в синтез-газ (смесь CO и H2) в реакции CO2 + CH4 -> 2CO + 2H2 с использованием импульсного плазмохимического реактора. Исходный CO2 вводили в плазменный реактор, имеющий два электрода (анод и катод), встроенные коаксиально в кварцевый цилиндр. Оба электрода имеют форму, продемонстрированную на Фиг. 17 (11). Каждый электрод был выполнен в виде медного цилиндра с вольфрамовыми стержнями. В обоих электродах поток газа проходит через центральное отверстие в медной части. Выходы блока питания были подключены к электродам. Конденсатор на выходе имел емкость 300 пФ. Таким образом, было получено повторяющееся создание и тушение горячих плазменных шнуров. Время жизни плазменного шнура составляло около 200 нс. Частота повторения составляла 60 кГц. Требуемая скорость газа в реакторе была достигнута путем использования насоса для рециркуляции газа.
Параметры эксперимента:
Скорость входа потока CO2: 1,2 м3/ч
Скорость входа потока CH4: 1,2 м3/ч
Выходная мощность блока питания: 1100 Вт
Скорость потока рециркуляции, обеспечиваемая насосом: 20 м3/ч
Внутренний диаметр кварцевой камеры: 40 мм
Концентрации газов в продукте:
CO: 15%
H2: 15%
Пример 9
Продемонстрирован процесс преобразования смеси 50% CO2 и 50% CH4 в синтез-газ (смесь CO и H2) в реакции CO2 + CH4 -> 2CO + 2H2 с использованием импульсного плазмохимического реактора. Исходный CO2 вводили в плазменный реактор, имеющий два электрода (анод и катод), встроенные коаксиально в кварцевый цилиндр. Оба электрода имеют форму, продемонстрированную на Фиг. 17 (11). Каждый электрод был выполнен в виде медного цилиндра с вольфрамовыми стержнями. В обоих электродах поток газа проходит через центральное отверстие в медной части. Выходы блока питания были подключены к электродам. Конденсатор на выходе имел емкость 300 пФ. Таким образом, было получено повторяющееся создание и тушение горячих плазменных шнуров. Время жизни плазменного шнура составляло около 200 нс. Частота повторения составляла 60 кГц. Требуемая скорость газа в реакторе была достигнута путем использования насоса для рециркуляции газа.
Параметры эксперимента:
Скорость входа потока CO2: 1,2 м3/ч
Скорость входа потока CH4: 1,2 м3/ч
Выходная мощность блока питания: 900 Вт
Скорость потока рециркуляции, обеспечиваемая насосом: 10 м3/ч
Внутренний диаметр кварцевой камеры 40 мм
Концентрации газов в продукте:
CO: 15%
H2: 15%
Пример 10
Продемонстрирован процесс преобразования смеси 50% CO2 и 50% CH4 в синтез-газ (смесь CO и H2) в реакции CO2 + CH4 -> 2CO + 2H2 с использованием импульсного плазмохимического реактора. Исходный CO2 вводили в плазменный реактор, имеющий два электрода (анод и катод), встроенные коаксиально в кварцевый цилиндр. Оба электрода имеют форму, продемонстрированную на Фиг. 17 (11). Каждый электрод был выполнен в виде медного цилиндра с вольфрамовыми стержнями. В обоих электродах поток газа проходит через дополнительные тангенциально расположенные отверстия для создания ротационного потока. Центральное отверстие было закрыто.
Выходы блока питания были подключены к электродам. Конденсатор на выходе имел емкость 300 пФ. Таким образом, было получено повторяющееся создание и тушение горячих плазменных шнуров. Время жизни плазменного шнура составляло около 200 нс. Частота повторения составляла 60 кГц. Требуемая скорость газа в реакторе была достигнута путем использования насоса для рециркуляции газа.
Параметры эксперимента:
Скорость входа потока CO2: 1,2 м3/ч
Скорость входа потока CH4: 1,2 м3/ч
Выходная мощность блока питания: 1100 Вт
Скорость потока рециркуляции, обеспечиваемая насосом: 30 м3/ч
Внутренний диаметр кварцевой камеры: 40 мм
Концентрации газов в продукте:
CO: 15%
H2: 15%
Пример 11
Продемонстрирован процесс преобразования смеси 50% CO2 и 50% CH4 в синтез-газ (смесь CO и H2) в реакции CO2 + CH4 -> 2CO + 2H2 с использованием импульсного плазмохимического реактора. Исходный CO2 вводили в плазменный реактор, имеющий два электрода (анод и катод), встроенные коаксиально в кварцевый цилиндр. Оба электрода имеют форму, продемонстрированную на Фиг. 17 (11). Каждый электрод был выполнен в виде медного цилиндра с вольфрамовыми стержнями. В обоих электродах поток газа проходит через дополнительные тангенциально расположенные отверстия для создания ротационного потока. Центральное отверстие было закрыто. Выходы блока питания были подключены к электродам. Конденсатор на выходе имел емкость 300 пФ. Таким образом, было получено повторяющееся создание и тушение горячих плазменных шнуров. Время жизни плазменного шнура составляло около 200 нс. Частота повторения составляла 60 кГц. Требуемая скорость газа в реакторе была достигнута путем использования насоса для рециркуляции газа.
Параметры эксперимента:
Скорость входа потока CO2: 1,2 м3/ч
Скорость входа потока CH4: 1,2 м3/ч
Выходная мощность блока питания: 900 Вт
Скорость потока рециркуляции, обеспечиваемая насосом: 20 м3/ч
Внутренний диаметр кварцевой камеры: 40 мм
Концентрации газов в продукте:
CO: 15%
H2: 15%
Примеры конфигураций и рабочих параметров реактора (параллельно с иллюстративными результатами, полученными в ходе экспериментов) приведены в разделах ниже.
Пример 12:
Продемонстрировано получение ацетилена из смеси 70/30 метан/водород при атмосферном давлении.
Скорость потока газа (в линии рециркуляции) составляла 20 м/час. Катод имел вольфрамовые штифты с регулируемой длиной, уменьшающейся в направлении тангенциального потока. Анод имеет 6 тангенциально расположенных отверстий диаметром 6 мм каждое. Частота пробоя составляла 52 кГц. Промежуток между штифтами катода и анода составлял 40 мм. Расчетная тангенциальная скорость газа в зоне электродов составляла 30 м/с, то есть больше, чем f*5*10-4= 25 м/с.
Блок питания, основанный на схеме моста БТИЗ и трансформаторе высокого напряжения, который был встроен на одной паре однополупериодных выпрямителей, имеющих диод высокого напряжения и конденсатор, в которой один выпрямитель из пары заряжает положительный электрод положительно, а другой выпрямитель заряжает отрицательный электрод отрицательно, и в серии с выпрямителями были установлены катушка индуктивности и конденсатор (ФИГ. 12).
В ходе эксперимента была получена ротация положения плазмы, а стабильное напряжение пробоя находилось внутри области 9-10 кВ. Эффективность переноса энергии от блока питания в плазму составляла 82%. Затраты энергии плазмы на получение одной молекулы ацетилена составляли 8 эВ на молекулу.
Пример 13:
Продемонстрировано получение ацетилена из смеси 70/30 метан/водород при атмосферном давлении.
Скорость потока газа (в линии рециркуляции) составляла 10 м/час. Катод имел вольфрамовые штифты с регулируемой длиной, уменьшающейся в направлении тангенциального потока. Анод имел 6 тангенциально расположенных отверстий диаметром 6 мм каждое. Частота пробоя составляла 52 кГц. Промежуток между штифтами катода и анода составлял 40 мм. Расчетная тангенциальная скорость газа в зоне электрода составляла 15 м/с, то есть меньше, чем f*5*10-4= 25 м/с.
Блок питания был основан на схеме БТИЗ моста, а трансформатор высокого напряжения был встроен на одной паре однополупериодных выпрямителей, имеющих диод и конденсатор высокого напряжения, в которой один выпрямитель из пары заряжает положительный электрод положительно, а другой выпрямитель заряжает отрицательный электрод отрицательно, и в серии с выпрямителями были установлены катушка индуктивности и конденсатор (ФИГ. 12).
В ходе эксперимента ротация положения плазмы не была получена, и было определено прикрепление плазменного шнура к электродам. Напряжение пробоя находилось внутри области 6-10 кВ. Эффективность переноса энергии от блока питания в плазму составляла 65%. Затраты энергии плазмы на получение одной молекулы ацетилена составляли 8,5 эВ на молекулу.
Пример 14:
Была продемонстрирована диссоциация CO2 при атмосферном давлении. Скорость потока газа (в линии рециркуляции) составляла 20 м/час. Катод имел вольфрамовые штифты с регулируемой длиной, уменьшающейся в направлении тангенциального потока. Анод имел 6 тангенциально расположенных отверстий диаметром 6 мм каждое. Частота пробоев составляла 52 кГц. Промежуток между штифтами катода и анода составлял 40 мм. Расчетная тангенциальная скорость газа в зоне электродов составляла 30 м/с, то есть больше, чем f*5*10-4= 25 м/с.
Блок питания был основан на схеме полумоста БТИЗ и трансформаторе высокого напряжения с главной обмоткой со средней точкой. Трансформатор был встроен на одной паре однополупериодных выпрямителей, имеющих диод и конденсатор высокого напряжения, в которой один выпрямитель из пары заряжает положительный электрод положительно, а другой выпрямитель заряжает отрицательный электрод отрицательно, и в серии с выпрямителями были установлены катушка индуктивности и конденсатор (ФИГ. 12).
В ходе эксперимента была получена ротация положения плазмы, и прикрепление плазменного шнура к электродам не было определено. Напряжение пробоя находилось внутри области 8-9 кВ. Эффективность переноса энергии от блока питания в плазму составляла 80%. Затраты энергии плазмы на получение CO составляли 4,2 эВ на молекулу.
Пример 15:
Была продемонстрирована диссоциация CO2 при атмосферном давлении. Разрядная камера имела четыре канала (ФИГ. 10). Скорость потока газа (в линии рециркуляции) составляла 20 м/час. Катод имел вольфрамовые штифты с регулируемой длиной, уменьшающейся в направлении тангенциального потока. Анод имел 6 тангенциально расположенных отверстий диаметром 6 мм каждое. Частота пробоя составляла 12 кГц. Промежуток между штифтами катода и анода составлял 40 мм. Расчетная тангенциальная скорость газа в зоне электродов составляла 8 м/с, то есть больше, чем f*5*10-4 = 6 м/с.
Блок питания был основан на схеме полумоста БТИЗ и трансформаторе высокого напряжения с главной обмоткой со средней точкой. Трансформатор был встроен на одной из четырех пар однополупериодных выпрямителей, имеющих диод и конденсатор высокого напряжения, в которой один выпрямитель из пары заряжает положительный электрод положительно, а другой выпрямитель заряжает отрицательный электрод отрицательно, и в серии с каждой парой выпрямителей были установлены катушка индуктивности и конденсатор (ФИГ. 13). На ФИГ. 13, 1301 изображает катушки индуктивности (5,5 мГн), 1302 изображает точку -30 кВ, 1303 изображает точку +30 кВ, 1304 изображает модуль питания, 1305 изображает вторичную обмотку (220 оборотов), 1306 изображает главную обмотку (3 оборота), 1307 изображает точку +500 В, 1308 изображает модуль БТИЗ (CM200DU - 24NFH), 1309 изображает модуль БТИЗ (CM200DU - 24NFH), 1310 изображает конденсатор (6x820 мкФ, 200 В), 1311 изображает диодный мост (4x60EPF12), 1312 изображает формирователь, 1313 изображает регулируемый трансформатор (110 В, 20 А).
В ходе эксперимента была получена ротация положения плазмы, и прикрепление плазменного шнура к электродам не было определено. Напряжение пробоя находилось внутри области 8-9 кВ. Эффективность переноса энергии от блока питания в плазму составляла 81%. Затраты энергии плазмы на получение CO составляли 4,1 эВ на молекулу.
Пример 16:
Была продемонстрирована диссоциация NH4 при атмосферном давлении. Скорость потока газа (в линии рециркуляции) составляла 20 м/час. Катод имел вольфрамовые штифты с регулируемой длиной, уменьшающейся в направлении тангенциального потока. Анод имел 6 тангенциально расположенных отверстий диаметром 6 мм каждое. Частота пробоя составляла 52 кГц. Промежуток между штифтами катода и анода составлял 40 мм. Расчетная тангенциальная скорость газа в зоне электродов составляла 30 м/с, то есть больше, чем f*5*10-4 = 25 м/с.
Блок питания был основан на схеме полумоста БТИЗ и трансформаторе высокого напряжения с главной обмоткой со средней точкой. Трансформатор был встроен на одной паре однополупериодных выпрямителей, состоящей из диода и конденсатора высокого напряжения, в которой один выпрямитель из пары заряжает положительный электрод положительно, а другой выпрямитель заряжает отрицательный электрод отрицательно, и в серии с выпрямителями были установлены катушка индуктивности и конденсатор (ФИГ. 12).
В ходе эксперимента была получена ротация положения плазмы, и прикрепление плазменного шнура к электродам не было определено. Напряжение пробоя находилось внутри области 9-10 кВ. Эффективность переноса энергии от блока питания в плазму составляла 80%. Затраты энергии плазмы на получение NH4 составляли 3,5 эВ на молекулу.
Изобретение относится к области химии и представляет собой способы и устройства для стимуляции эндотермических реакций в газовой фазе с высокими активационными барьерами посредством импульсного наносекундного электрического разряда. Технический результат – повышение энергетической эффективности переноса энергии от блока питания к плазме и срока службы электрода. Плазмохимический реактор с генерированием импульсного наносекундного электрического разряда содержит один или более цилиндрических каналов, имеющих систему входа и систему выхода газа; положительный электрод высокого напряжения и отрицательный электрод высокого напряжения в каждом канале и систему вихревого движения газа в каждом канале для увеличения локальной тангенциальной скорости газа вблизи концов электродов; в которой генерируется импульсный электрический разряда с частотой f, а тангенциальная скорость газа составляет более f*5*10-4 м/с. 14 з.п. ф-лы, 19 ил. 
1. Плазмохимический реактор, предназначенный для генерации импульсного наносекундного электрического разряда, содержащий:
один или более цилиндрических каналов, имеющих систему входа и систему выхода газа;
положительный электрод высокого напряжения и отрицательный электрод высокого напряжения в каждом цилиндрическом канале, при этом каждый положительный электрод высокого напряжения и каждый отрицательный электрод высокого напряжения содержит корпус и дистальный конец, при этом наносекундный импульсный электрический разряд включает в себя серию периодических событий плазменного разряда, которые разделены друг от друга по времени периодами выдержки, во время которых плазменный разряд не происходит, а импульсный наносекундный электрический разряд генерируется между дистальными концами положительного и отрицательного электродов высокого напряжения;
систему вихревого движения газа в каждом цилиндрическом канале, содержащую положительный электрод высокого напряжения и отрицательный электрод высокого напряжения, форма которых обеспечивает формирование (i) продольного потока газа относительно оси через положительный электрод высокого напряжения и отрицательный электрод высокого напряжения и (ii) ротационного потока газа между дистальными концами первого и второго электродов, связанного с тангенциальной скоростью газа;
и устройство управления потоком газа, обеспечивающее поддержание тангенциальной скорости газа, превышающей f*5*10-4 м/с, где f - частота импульсного наносекундного электрического разряда.
2. Плазмохимический реактор по п. 1, в котором система вихревого движения газа содержит положительный электрод высокого напряжения и/или отрицательный электрод высокого напряжения, имеющие изолятор электрода буравчатой формы, при этом дистальный конец первого электрода выполнен в виде кругового ряда стержней уменьшающейся длины, а дистальный конец второго электрода выполнен в виде кругового ряда стержней одинаковой длины.
3. Плазмохимический реактор по п. 2, в котором корпус второго электрода имеет тангенциальный канал, а корпус первого электрода не имеет тангенциального канала.
4. Плазмохимический реактор по п. 1, дополнительно содержащий блок питания, который подает переменное напряжение на положительный электрод и отрицательный электрод каждого из N каналов посредством N пар однополупериодных выпрямителей, имеющих диод и конденсатор высокого напряжения, в которых один выпрямитель каждой пары заряжает положительный электрод положительно, а другой выпрямитель заряжает отрицательный электрод отрицательно.
5. Плазмохимический реактор по п. 4, в котором имеется катушка индуктивности высокого напряжения и/или конденсатор высокого напряжения, соединенные в серию с диодом каждого однополупериодного выпрямителя.
6. Плазмохимический реактор по п. 4, в котором блок питания включает в себя однополупериодный преобразователь и двухполупериодную двухтактную схему с полумостом биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ).
7. Плазмохимический реактор по п. 1, содержащий по меньшей мере один процессор, выполненный с возможностью вызывать изменяющееся по времени напряжение на положительном электроде высокого напряжения и отрицательном электроде высокого напряжения для генерирования серии периодических событий плазменного разряда; при этом процессор выполнен с возможностью вызывать периодические события плазменного разряда, происходящие с частотой по меньшей мере 50 кГц.
8. Плазмохимический реактор по п. 5, в котором блок питания представляет собой двухполупериодную двухтактную схему с полумостом БТИЗ с главной обмоткой со средней точкой.
9. Плазмохимический реактор по п. 5, в котором блок питания представляет собой двухполупериодную двухтактную схему с мостом БТИЗ.
10. Плазмохимический реактор по п. 1, выполненный для приема CO2-содержащего газа, подаваемого на вход плазмохимического реактора, и при этом плазмохимический реактор обеспечивает преобразование CO2 в CO и кислород.
11. Плазмохимический реактор по п. 1, выполненный для приема смеси CO2 и метана и преобразования этой смеси в синтез-газ.
12. Плазмохимический реактор по п. 1, в котором метансодержащий газ подается на вход плазмохимического реактора, а метан преобразуется в ацетилен и водород.
13. Плазмохимический реактор по п. 1, в котором H2S-содержащий газ реактора подается на вход плазмохимического реактора, а H2S преобразуется в серу и водород.
14. Плазмохимический реактор по п. 1, в котором аммиаксодержащий газ подается на вход плазмохимического реактора, а аммиак преобразуется в азот и водород.
15. Плазмохимический реактор по п. 1, в котором содержащий смесь азота и водорода газ подается на вход плазмохимического реактора, а азот и водород преобразуются в аммиак.
| WO 2020076186 A1, 16.04.2020 | |||
| US 2012321527 A1, 20.12.2020 | |||
| WO 2018081060 A1, 03.05.2018 | |||
| Способ и устройство для плазмохимической конверсии газа/газовой смеси | 2018 |
|
RU2687422C1 |
| US 2012090985 A1, 19.04.2012 | |||
| US 9908804 B2, 06.03.2018. | |||
