AT522537A1 - Dissociation of carbon dioxide and water vapor with the help of plasma and electron excitation to generate a synthetic gas - Google Patents
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Abstract
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines synthetischen Gasgemisches 67 aus Kohlenmonoxid 59 und Wasserstoff 31 umfassend eine Wasserdampferzeugung 6,7,8,9 von Wasser 1,2 mit Hilfe von externer Wärme 13, 14, einem Wassertank 2 und Umwälzpumpen 3, 11, einer Elektronenanregung 63,64 des Wasserdampfes 15, einer Entspannungsdüse 21 mit Magnetwicklungen 20, die ein gepulstes wanderndes Magnetfeld erzeugen, sodass ein angeregtes. Wasserdampfplasma erzeugt wird, einer Mischkammer 23, mit einem Vakuumverdichter 25,26, einem Verdichter 28 für das Sauerstoff Wasserstoffgemisch 24 und einer Druckwechseladsorption 32 zur Abtrennung des Wasserstoffes 31 vom Sauerstoff 33. Zudem umfasst die Erfindung eine Kohlendioxiddampferzeugung mit Hilfe von externer Wärme 41 und der Entspannung von flüssigem Kohlendioxid 37 aus einem Kohlendioxidtank 38 mit Expansionsturbine 39, die den Verdichter für Sauerstoff und Kohlenmonoxid 54 antreibt, einer Elektronenanregung des Kohlendioxiddampfes 60,62, einer Entspannungsdüse 47 mit Magnetwicklungen 45, die ein gepulstes wanderndes Magnetfeld erzeugen, sodass ein angeregtes Kohlendioxiddampfplasma erzeugt werden kann, einer Mischkammer 49, mit einem Vakuumverdichter 51,52, einem Verdichter 54 für das Sauerstoff Kohlenmonoxid Gemisch und einer Druckwechseladsorption 61 zur Abtrennung des Kohlenmonoxid 59 vom Sauerstoff 57. Kohlenmonoxid 59 und Wasserstoff 31 werden über die Regelarmaturen 65,66 zu einem synthetischen Gas 67 gemischt. Das synthetische Gas 67 wird verdichtet und das überschüssiges Kohlendioxid 74,75 verflüssigt und in einen Kohlendioxidtank 38 zurückgeführt.The method according to the invention for generating a synthetic gas mixture 67 from carbon monoxide 59 and hydrogen 31 comprises a steam generation 6,7,8,9 of water 1,2 with the help of external heat 13, 14, a water tank 2 and circulating pumps 3, 11, an electron excitation 63,64 of the steam 15, a relaxation nozzle 21 with magnetic windings 20, which generate a pulsed wandering magnetic field, so that a stimulated. Water vapor plasma is generated, a mixing chamber 23, with a vacuum compressor 25,26, a compressor 28 for the oxygen hydrogen mixture 24 and a pressure swing adsorption 32 for separating the hydrogen 31 from the oxygen 33. In addition, the invention includes a carbon dioxide vapor generation with the help of external heat 41 and the Expansion of liquid carbon dioxide 37 from a carbon dioxide tank 38 with an expansion turbine 39, which drives the compressor for oxygen and carbon monoxide 54, an electron excitation of the carbon dioxide vapor 60,62, an expansion nozzle 47 with magnetic windings 45, which generate a pulsed moving magnetic field so that an excited carbon dioxide vapor plasma is generated can be, a mixing chamber 49, with a vacuum compressor 51,52, a compressor 54 for the oxygen carbon monoxide mixture and a pressure swing adsorption 61 for separating the carbon monoxide 59 from the oxygen 57. Carbon monoxide 59 and hydrogen 31 are via the control armature n 65.66 mixed to a synthetic gas 67. The synthetic gas 67 is compressed and the excess carbon dioxide 74, 75 is liquefied and returned to a carbon dioxide tank 38.
Description
Dissoziation von Kohlendioxid und Wasserdampf mit Hilfe von Plasma und Elektronenanregung zur Erzeugung eines synthetischen Gases Dissociation of carbon dioxide and water vapor with the help of plasma and electron excitation to generate a synthetic gas
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines synthetischen Gasgemisches 67 aus Kohlenmonoxid 59 und Wasserstoff 31 umfassend eine Wasserdampferzeugung 6,7,8,9 von Wasser 1,2 mit Hilfe von externer Wärme 13,14, einem Wassertank 2 und Umwälzpumpen 3,11, einer Elektronenanregung 63,64 des Wasserdampfes 15, einer Entspannungsdüse 21 mit Magnetwicklungen 20, die ein gepulstes wanderndes Magnetfeld erzeugen, sodass ein angeregtes Wasserdampfplasma erzeugt wird, einer Mischkammer 23, mit einem ; Vakuumverdichter 25,26, einem Verdichter 28 für das Sauerstoff Wasserstoffgemisch 24 und einer Druckwechseladsorption 32 zur Abtrennung des Wasserstoffes 31 vom Sauerstoff 33. Zudem umfasst die Erfindung eine Kohlendioxiddampferzeugung mit Hilfe von externer ; Wärme 41 und der Entspannung von flüssigem Kohlendioxid 37 aus einem Kohlendioxidtank 38 mit Expansionsturbine 39, die den Verdichter für Sauerstoff und Kohlenmonoxid 54 antreibt, einer Elektronenanregung des Kohlendioxiddampfes 60,62 , einer Entspannungsdüse 47 mit Magnetwicklungen 45, die ein gepulstes wanderndes Magnetfeld erzeugen, sodass ein angeregtes Kohlendioxiddampfplasma erzeugt werden kann, einer Mischkammer 49, mit einem Vakuumverdichter 51,52, einem Verdichter 54 für das Sauerstoff Kohlenmonoxid Gemisch und einer Druckwechseladsorption 61 zur Abtrennung des Kohlenmonoxid 59 vom Sauerstoff 57. Kohlenmonoxid 59 und Wasserstoff 31 werden über die Regelarmaturen 65,66 zu einem synthetischen Gas 67 gemischt. Das synthetische Gas 67 wird verdichtet und das überschüssiges Kohlendioxid 74,75 verflüssigt und in einen Kohlendioxidtank 38 zurückgeführt. The method according to the invention for generating a synthetic gas mixture 67 from carbon monoxide 59 and hydrogen 31 comprises a steam generation 6,7,8,9 of water 1,2 with the help of external heat 13,14, a water tank 2 and circulation pumps 3,11, an electron excitation 63,64 of the water vapor 15, a relaxation nozzle 21 with magnetic windings 20, which generate a pulsed moving magnetic field, so that an excited water vapor plasma is generated, a mixing chamber 23, with a; Vacuum compressor 25, 26, a compressor 28 for the oxygen-hydrogen mixture 24 and a pressure swing adsorption 32 for separating the hydrogen 31 from the oxygen 33. In addition, the invention comprises a carbon dioxide vapor generation with the help of external; Heat 41 and the expansion of liquid carbon dioxide 37 from a carbon dioxide tank 38 with an expansion turbine 39, which drives the compressor for oxygen and carbon monoxide 54, an electron excitation of the carbon dioxide vapor 60,62, an expansion nozzle 47 with magnetic windings 45, which generate a pulsed moving magnetic field, so that an excited carbon dioxide vapor plasma can be generated, a mixing chamber 49 with a vacuum compressor 51,52, a compressor 54 for the oxygen carbon monoxide mixture and a pressure swing adsorption 61 for separating the carbon monoxide 59 from the oxygen 57.Carbon monoxide 59 and hydrogen 31 are controlled via the control valves 65, 66 mixed to a synthetic gas 67. The synthetic gas 67 is compressed and the excess carbon dioxide 74, 75 is liquefied and returned to a carbon dioxide tank 38.
Kohlendioxid (CO2(g)). als Gas in Verbrennungsprozessen, in der Kältetechnik, in der Lebensmitteltechnik ist bekannt. In der heutigen Betrachtungsweise wird Kohlendioxid als Treibhausgas (GHG) angesehen und bewertet. Das hat zur Folge, dass man sich nun vermehrt der Frage der Nutzung und Verwendung von Kohlendioxid zuwendet. Carbon dioxide (CO2 (g)). is known as a gas in combustion processes, in refrigeration technology, in food technology. From today's perspective, carbon dioxide is viewed and assessed as a greenhouse gas (GHG). As a result, the question of the use and application of carbon dioxide is now increasingly being addressed.
Wasserdampf (H2O0(g)) ist seit der industriellen Revolution ein fester unverzichtbarer Bestandteil technischer Prozesse. Das hat zu der heute bekannten Anwendungen in der Energietechnik in Form von Kraftwerksprozessen, Kochprozessen geführt. Ein Großteil der Thermodynamik fußt auf der Anwendung von Wasserdampf in technischen Prozessen. Man hat also über die Jahrzehnte weg eine andere Beziehung zu Wasserdampf aufgebaut, als zu Kohlendioxid. ; Water vapor (H2O0 (g)) has been an integral part of technical processes since the industrial revolution. This has led to the applications known today in energy technology in the form of power plant processes and cooking processes. A large part of thermodynamics is based on the use of water vapor in technical processes. So over the decades we have developed a different relationship to water vapor than to carbon dioxide. ;
Der Zugang zu Kohlendioxid war lange Zeit geprägt von der Ansicht, die biogene Umwelt verwertet das Kohlendioxid zu Biomasse und Sauerstoff mittels der Photosynthese. Auf Grund dieser Eigenschaft der biogenen Struktur hat man sich wenig mit der Frage der Nutzung von Kohlendioxid, der Verwertung und Umwandlung von Kohlendioxid in Prozessen befasst. Man bewertete die Umwelt als unendlich regenerativ und unendlich groß, sodass jedwede Emission durch die biogene Struktur recycelt und verwertet wird. For a long time, access to carbon dioxide was shaped by the view that the biogenic environment converts carbon dioxide into biomass and oxygen by means of photosynthesis. Because of this property of the biogenic structure, little has been done about the use of carbon dioxide, the utilization and conversion of carbon dioxide in processes. The environment was rated as infinitely regenerative and infinitely large, so that any emissions are recycled and used by the biogenic structure.
Neben der technischen und thermodynamischen Anwendung Wasser (H20) zu verdampfen haben sich Chemiker und Physiker auch mit der Spaltung von Wasser in seine Atome befasst. Das Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen (H2) und einem Sauerstoffatom (02). Daher entstand die Frage über die Spaltung von Wasser in seine Atome wie Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) im Rahmen der Elektrolyse. Führend in den In addition to the technical and thermodynamic application of evaporating water (H20), chemists and physicists have also dealt with the splitting of water into its atoms. The water molecule consists of two hydrogen atoms (H2) and one oxygen atom (02). Hence the question about the splitting of water into its atoms like hydrogen (H2) and oxygen (02) in the course of electrolysis. Leading in the
Anfängen der industriellen Entwicklung war M. Faraday, mit seinen Faradayschen Gesetzen. (1. Gesetz der elektrolytischen Zelle ) The beginning of industrial development was M. Faraday, with his Faraday laws. (1st law of the electrolytic cell)
Die Nasselektrolyse ist in der Folge entwickelt worden, die auf den experimentellen Erkenntnissen von M. Faraday zu dem Thema der Elektrolyse basiert. Die Nasselektrolyse ist geprägt von hohen Stromstärken und geringen Spannungen und verfügt zudem über eine Membran. Die Funktion der Membran dient dazu, dass die erzeugten Gasströme miteinander nicht vermischt werden. Die Forderung an die Eigenschaften der Membran ist gegeben, durch die Jonenleitfähigkeit, sodass der Stromfluss und damit die EMK wirksam sein kann. Die hohen Ströme bewirken, dass das Molekül zerrissen wird, zudem hohe Wärmeentwicklung stattfindet. Um die Jonenleitfähigkeit zu unterstützen wird neben Wasser auch noch ein Elektrolyt verwendet, wie etwa Kaliumlauge (KOH) oder Natriumlauge (NaOH). Man stellt fest, dass das Verfahren der Nasselektrolyse in der Dissoziation von Wasser eine Möglichkeit darstellt, jedoch für Kohlendioxid nicht anwendbar ist. The wet electrolysis was subsequently developed, which is based on the experimental findings of M. Faraday on the subject of electrolysis. Wet electrolysis is characterized by high currents and low voltages and also has a membrane. The function of the membrane is to ensure that the gas streams generated are not mixed with one another. The requirement for the properties of the membrane is given by the ion conductivity, so that the current flow and thus the EMF can be effective. The high currents cause the molecule to be torn apart and a high level of heat generation takes place. In addition to water, an electrolyte, such as potassium hydroxide (KOH) or sodium hydroxide (NaOH), is used to support ion conductivity. It is found that the process of wet electrolysis in the dissociation of water is a possibility, but cannot be used for carbon dioxide.
Betrachtet man den Energieverbrauch bei der Nasselektrolyse, dann stellt man fest: Die _ klassische Nasselektrolyse benötigt bei Wasser ( p=1bar, T = 85°C , 40% KOH) eine elektrische Leistung bei einem Wirkungsgrad von 80% von P = 4,85 kWhi/m?® H>. If you look at the energy consumption in wet electrolysis, you can see: The classic wet electrolysis requires electrical power with an efficiency of 80% of P = 4.85 for water (p = 1bar, T = 85 ° C, 40% KOH) kWhi / m? ® H>.
2H:0—— 2H2+0, AH = 490 kJ/mol AH = 13.66 kJ/g AH = 3,78 KWhikg 2H: 0—— 2H2 + 0, AH = 490 kJ / mol AH = 13.66 kJ / g AH = 3.78 KWhikg
Neben der Nasselektrolyse gibt es die inverse Brennstoffzelle, auf der Basis.der Polymerelektrolytmembrane (PEM) oder der Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) auf der Basis von keramischen und metallischen Festoxiden. Abgesehen von dem hohen technischen Aufwand, der energetische Verbrauch ist ident dem der Nasselektrolyse und beträgt bei Wasser ( p=1 bar , T = 25°C ) eine elektrische Leistung von P = 4,85 kWh/m® H2. In addition to the wet electrolysis, there is the inverse fuel cell, based on the polymer electrolyte membrane (PEM) or the solid oxide fuel cell (SOFC) based on ceramic and metallic solid oxides. Apart from the high technical effort, the energetic consumption is identical to that of wet electrolysis and amounts to an electrical output of P = 4.85 kWh / m® H2 with water (p = 1 bar, T = 25 ° C).
Fasst man zusammen, so ist der Verbrauch an elektrischer Leistung für die klassische bekannte Elektrolyse sehr hoch, und damit ist die Anlage ineffizient. To sum up, the electrical power consumption for the classic, well-known electrolysis is very high, and the system is therefore inefficient.
Die Aufgabenstellung für die Erfindung. besteht darin ein Verfahren zu finden, das weniger elektrische Leistung für die Dissoziation von Wasserdampf verbraucht, das auch für Kohlendioxiddampf und Wasserdampf geeignet ist, das die molekularen Eigenschaften des Wasserdampfes und des Kohlendioxids nutzbar macht, und das die Erzeugung eines synthetischen Gases aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff ermöglicht. Die Aufgabenstellung umfasst auch ein Verfahren, das einfach strukturiert ist, das skalierbar ist und das mobil und stationär angewendet werden kann. The task for the invention. is to find a process that uses less electrical power for the dissociation of water vapor, that is also suitable for carbon dioxide vapor and water vapor, that makes use of the molecular properties of water vapor and carbon dioxide, and that the production of a synthetic gas from carbon monoxide, hydrogen enables. The task also includes a method that is simply structured, that is scalable and that can be used mobile and stationary.
Das in dem Patent WO 2005 005 009 dargestellte Verfahren beschreibt die Dissoziation von Wasserdampf mit Hilfe von Strahlungsenergie und die Trennung der so erzeugten Sauerstoffradikale und Wasserstoffradikale mit Hilfe einer Membran. Die Gastrennung soll mit Hilfe von Kohlendioxid und einem Katalysator unterstützt werden. Der Nachteil .dieser Erfindung ist der physikalische Umstand, dass Radikale immer rekombinieren und nicht The method presented in patent WO 2005 005 009 describes the dissociation of water vapor with the aid of radiant energy and the separation of the oxygen radicals and hydrogen radicals thus generated with the aid of a membrane. The gas separation should be supported with the help of carbon dioxide and a catalyst. The disadvantage of this invention is the physical fact that radicals always recombine and not
trennbar sind, da in einem Ungleichgewichtszustand immer eine Rekombination stattfindet. Die Gastrennung mit einer Membran ist bekannt, der Nachteil ist die mechanische Trennung auf der Basis der unterschiedlichen Moleküldurchmesser. are separable, since recombination always takes place in an imbalance state. The gas separation with a membrane is known, the disadvantage is the mechanical separation on the basis of the different molecular diameters.
Das in dem Patent EP 2 405 721 A3 dargestellte Verfahren zeigt die Erzeugung von pulsierendem Plasma in einer Plasmaschweißdüse auf der Basis von Lichtbögen zwischen einer Kathode und Anode. Der Nachteil ist der geringe Wirkungsgrad und die geringe Möglichkeit der Regelung der Plasmafrequenz und Plasmaintensität. The method shown in patent EP 2 405 721 A3 shows the generation of pulsating plasma in a plasma welding nozzle on the basis of arcs between a cathode and anode. The disadvantage is the low efficiency and the limited possibility of regulating the plasma frequency and plasma intensity.
Die thermodynamischen Eigenschaften von Wasserdampf sind in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgelistet. Um eine Plasmaelektrolyse bei Wasserdampf durchführen zu können, ist sicherzustellen, dass immer überhitzter Wasserdampf vorhanden ist. Der Dampfdruck hängt von dem kritischen Druckverhältnis eines Entspannungsdüse ab. The thermodynamic properties of water vapor are listed in Table 1 below. In order to be able to carry out a plasma electrolysis with water vapor, it must be ensured that superheated water vapor is always available. The vapor pressure depends on the critical pressure ratio of an expansion nozzle.
P'= P '=
Po = (m a Po = (m a
= 0.528 = 0.528
Bei einem Drück nach der Düse in einem Bereich von 1,5 bar bis 2 bar, man erhält einen Vordruck vor der Düse in einem Bereich von 3 bar bis 4 bar , With a pressure downstream of the nozzle in a range from 1.5 bar to 2 bar, a pre-pressure in front of the nozzle is obtained in a range from 3 bar to 4 bar,
Temperatur | Druck | Dichte | Enthalpie | Entropie Temperature | Pressure | Density | Enthalpy | entropy
(°C) (bar) | (kg/m?) | (kJ/kg) | (kJ/kg-K) 120 1 0,55767 | 2716,6 1|7,4678 150 2 1,0418 |2769,1 17,281 150 3 1,5773 |2761,22 1|7,0791 150 4 2,1237 |2752,8 [6,9306 (° C) (bar) | (kg / m?) | (kJ / kg) | (kJ / kg-K) 120 1 0.55767 | 2716.6 1 | 7.4678 150 2 1.0418 | 2769.1 17.281 150 3 1.5773 | 2761.22 1 | 7.0791 150 4 2.1237 | 2752.8 [6.9306
Tabelle 1: Darstellung der thermodynamischen Eigenschaften von Wasserdampf. Table 1: Representation of the thermodynamic properties of water vapor.
Die thermodynamischen Eigenschaften von Kohlendioxiddampf sind in der nachfolgenden Tabelle 2 aufgelistet. Um eine Plasmaelektrolyse bei Kohlendioxiddampf durchführen zu können, ist sicherzustellen, dass immer überhitzter Kohlendioxiddampf vorhanden ist. Der Dampfdruck hängt von dem kritischen Druckverhältnis eines Entspannungsdüse ab. The thermodynamic properties of carbon dioxide vapor are listed in Table 2 below. In order to be able to carry out plasma electrolysis with carbon dioxide vapor, it must be ensured that superheated carbon dioxide vapor is always present. The vapor pressure depends on the critical pressure ratio of an expansion nozzle.
= 0.528 = 0.528
[0 Do As [0 Thu As
Bei einem Drück nach der Düse in einem Bereich von 1,5 bar bis 2 bar, man erhält einen Vordruck vor der Düse in einem Bereich von 3 bar bis 4 bar With a pressure downstream of the nozzle in a range from 1.5 bar to 2 bar, a pre-pressure in front of the nozzle in a range from 3 bar to 4 bar is obtained
Temperatur | Druck | Dichte _| Enthalpie | Entropie Temperature | Pressure | Density _ | Enthalpy | entropy
(°C) (bar) | (kg/m®) | (kJ/kg) (kJ/kg-K) 25| . 1| 1,7842 505,85 2,7393 25 2 | 3,5865 504,92 2,6062 . 25 3 | 5,4073 503,98 2,5274 25 4 | 7,2472 503,03 2,4708 (° C) (bar) | (kg / m®) | (kJ / kg) (kJ / kg-K) 25 | . 1 | 1.7842 505.85 2.7393 25 2 | 3.5865 504.92 2.6062. 25 3 | 5.4073 503.98 2.5274 25 4 | 7.2472 503.03 2.4708
Tabelle 2: Darstellung der thermodynamischen Eigenschaften von Kohlendioxiddampf. Table 2: Representation of the thermodynamic properties of carbon dioxide vapor.
Um das Verfahren der Plasmaelektrolyse anwenden zu können ist der Aufbaue des Wassermoleküls wesentlich: die Eigenschaften sind in folgender Tabelle 3 zusammengefasst: In order to be able to use the process of plasma electrolysis, the structure of the water molecule is essential: the properties are summarized in the following table 3:
Wassermolekül :H2O0 Molares Gewicht ; ; 18,015 g/mol Water Molecule: H2O0 Molar Weight; ; 18.015 g / mol
Sauerstoffatom . 1 (16 g/mol ) Oxygen atom. 1 (16 g / mol)
Wasserstoffatom 2 (1g/mol) Hydrogen atom 2 (1g / mol)
Mittlerer Moleküldurchmesser 2,9 bis 3,5A Average molecular diameter 2.9 to 3.5A
Mittlerer Winkel zwischen Sauerstoff und 104,5° Mean angle between oxygen and 104.5 °
Wasserstoffatom -Hydrogen atom -
Kovalente Bindung ; 0.0965 nm Wasserstoffbindung 0.1770 nm Ladungsstruktur Tetraeder ( 167° +/- 20° ) Elektrisches Dipolmoment 1.85 Debye Elektronennegativität von Sauerstoff 3.4 Covalent bond ; 0.0965 nm hydrogen bond 0.1770 nm charge structure tetrahedron (167 ° +/- 20 °) electrical dipole moment 1.85 Debye electron negativity of oxygen 3.4
Elektronennegativität von Wasserstoff 2.1 Electron Negativity of Hydrogen 2.1
Phasen von Wasser fest, flüssig, dampfförmig Phases of water solid, liquid, vapor
Tabelle 3: atomistische, physikalische und chemische Eigenschaften des Wassermoleküls Table 3: Atomistic, physical and chemical properties of the water molecule
Um das Verfahren der Plasmaelektrolyse anwenden zu können ist der Aufbaue des Kohlendioxidmoleküls wesentlich: die Eigenschaften sind in folgender Tabelle 4 zusammengefasst: In order to be able to use the process of plasma electrolysis, the structure of the carbon dioxide molecule is essential: the properties are summarized in the following table 4:
Kohlenstoffdioxid CO2 Carbon dioxide CO2
Molares Gewicht 44,0996 g/mol Molar weight 44.0996 g / mol
Kohlenstoffatom 1(12 g/mol ) Carbon atom 1 (12 g / mol)
Sauerstoffatom 2 (16 g/mol) Oxygen atom 2 (16 g / mol)
Mittlerer Moleküldurchmesser 2,9 bis 3,5 A Average molecular diameter 2.9 to 3.5 Å
Mittlerer Winkel zwischen Sauerstoff und 180°, linearer Aufbau Kohlenstoffatom Middle angle between oxygen and 180 °, linear structure carbon atom
Polare Eigenschaft ; Keine, nahezu inertes Verhalten Phasen fest, flüssig, dampf Polar property; No, almost inert behavior phases solid, liquid, vapor
Tabelle 4: atomistische, physikalische und chemische Eigenschaften des Kohlendioxidmoleküls (CO2) Table 4: Atomistic, physical and chemical properties of the carbon dioxide molecule (CO2)
Durch die Elektronegativität des Sauerstoffatom(O2) mit 3,4 gegenüber der des Wasserstoffatom(H2) mit 2,2 weist das Wassermolekül Partialladungen auf. Der Sauerstoff (02) ist dadurch partiell negativ (3-), die Wasserstoffatome(H2) partiell positiv (5+). Die Wasserstoffbrücken (H-O) bilden sich zwischen den unterschiedlichen Partialladungen aus. Due to the electronegativity of the oxygen atom (O2) with 3.4 compared to that of the hydrogen atom (H2) with 2.2, the water molecule has partial charges. The oxygen (02) is partially negative (3-), the hydrogen atoms (H2) partially positive (5+). The hydrogen bonds (H-O) are formed between the different partial charges.
Wasserstoffbrücken (H-O) sind für eine Anzahl wichtiger Eigenschaften des Wassers verantwortlich. Darunter sind der flüssige Aggregatzustand bei Normalbedingungen, die Kohäsion, der relativ hohe Siedepunkt und die Dichteanomalie des Wassers. Hydrogen bonds (H-O) are responsible for a number of important properties of water. These include the liquid state of aggregation under normal conditions, the cohesion, the relatively high boiling point and the density anomaly of the water.
Die typische Bindungslänge von Wasserstoffbrückenbindungen in Wasser ist 1.8A. Beim Verdampfen müssen die Wasserstoffbrückenbindungen getrennt werden; hierdurch erklärt sich der (im Vergleich zu anderen Substanzen) hohe Energieaufwand, um flüssiges Wasser von 100 °C in Dampf von 100 °C umzuwandeln ( daraus lässt sich die Verdampfungsenthalpie ableiten). The typical bond length of hydrogen bonds in water is 1.8A. The hydrogen bonds must be broken during evaporation; This explains the high energy expenditure (compared to other substances) to convert liquid water at 100 ° C into steam at 100 ° C (the enthalpy of vaporization can be derived from this).
Das Kohlenstoffdioxidmolekül (CO>.) ist linear, alle drei Atome liegen auf einer geraden Linie. Der Kohlenstoff ist an die beiden Sauerstoffatome mit Doppelbindungen gebunden, wobei beide Sauerstoffatome zwei freie Elektronenpaare aufweisen. Der Kohlenstoff-SauerstoffAbstand beträgt 1.16 A. Die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen sind durch die unterschiedlichen Elektronegativitäten von Kohlenstoff und Sauerstoff polarisiert; die elektrischen Dipolmomente heben sich aber durch die Molekülsymmetrie nach außen hin gegenseitig auf, so dass das Molekül kein elektrisches Dipolmoment aufweist. The carbon dioxide molecule (CO>.) Is linear, all three atoms are on a straight line. The carbon is bound to the two oxygen atoms with double bonds, with both oxygen atoms having two free electron pairs. The carbon-oxygen distance is 1.16 A. The carbon-oxygen bonds are polarized by the different electronegativities of carbon and oxygen; the electric dipole moments cancel each other out due to the molecular symmetry, so that the molecule does not have an electric dipole moment.
Auf Grund des Aufbaues des Wassermoleküls und des Kohlendioxidmoleküls kann jedes Molekül zu Schwingungen angeregt werden. Beim Wassermolekül führt die Schwingungsanregung zu Schwingungen des Wasserstoffatoms gegenüber dem Sauerstoffatom. Die Schwingungsformen können symmetrische und asymmetrische in.der Molekülebene stattfinden und in Form von Rotationsschwingungen aus der Molekülebene. In der nachfolgenden Tabelle sind die Frequenzen der ersten Schwingungsformen aufgelistet Due to the structure of the water molecule and the carbon dioxide molecule, each molecule can be excited to vibrate. In the case of the water molecule, the vibration excitation leads to vibrations of the hydrogen atom compared to the oxygen atom. The modes of oscillation can take place symmetrical and asymmetrical in the molecular plane and in the form of rotational vibrations from the molecular plane. The following table lists the frequencies of the first waveforms
Kohlendioxidmolekül A (1/cm) Symmetrische C-O , 1369,90 Asymmetrische C-O 2283,48 Rotationsschwingung | O-C-O 648,91 Carbon dioxide molecule A (1 / cm) Symmetrical C-O, 1369.90 Asymmetrical C-O 2283.48 rotational oscillation | O-C-O 648.91
Tabelle 5: Einige Frequenzen der Grundschwingungsformen des Kohlendioxidmoleküls [1] Table 5: Some frequencies of the fundamental waveforms of the carbon dioxide molecule [1]
Auf Grund des Aufbaues des Wassermoleküls und des Kohlendioxidmoleküls kann jedes Molekül zu Schwingungen angeregt werden. Beim Wassermolekül führt die Schwingungsanregung zu Schwingungen des Wasserstoffatoms gegenüber dem Sauerstoffatom. Die Schwingungsformen können symmetrische und asymmetrische in der Molekülebene stattfinden und in Form von Rotationsschwingungen aus der Molekülebene. In der nachfolgenden Tabelle sind die Frequenzen der ersten Schwingungsformen aufgelistet Due to the structure of the water molecule and the carbon dioxide molecule, each molecule can be excited to vibrate. In the case of the water molecule, the vibration excitation leads to vibrations of the hydrogen atom compared to the oxygen atom. The modes of oscillation can take place symmetrical and asymmetrical in the molecular plane and in the form of rotational vibrations from the molecular plane. The following table lists the frequencies of the first waveforms
Wasserdampfmolekül _|_A (1/cm) Symmetrische O-H ; 3656,65 Asymmetrische O-H ; 3799,35 Rotationsschwingung | H-O-H _- 1594,59 Water vapor molecule _ | _A (1 / cm) Symmetrical O-H; 3656.65 Asymmetrical O-H; 3799.35 rotational oscillation | H-O-H- 1594.59
Tabelle 6: Einige Frequenzen der Grundschwingungsformen des Wasserdampfmoleküls [1] Table 6: Some frequencies of the fundamental waveforms of the water vapor molecule [1]
Die Anregung eines Gasmoleküls kann mit Hilfe der Erzeugung eines Nichtgleichgewichtszustandes erfolgen. Unter Nichtgleichgewichtszustand eines Gases The excitation of a gas molecule can take place with the help of the creation of a non-equilibrium state. Under the non-equilibrium state of a gas
versteht man die Kombination von folgenden Energiezuständen: one understands the combination of the following energy states:
Translatorischer Energiezustand: unter Translatorischem Energiezustand versteht man Translational energy state: The translatory energy state is understood to mean
_ die symmetrischen und asymmetrischen Schwingungsstand der Atome innerhalb eines Moleküls in der von den Atomen aufgespannten Ebene. (Eırans). Dieser Zustand wird erfindungsgemäß durch die Expansion in einer Entspannungsdüse 21,47 in den Überschallbereich angeregt. Unterstützt wird diese Anregung durch das Überführen des Gaszustandes in den Plasmazustand mit Hilfe von magnetischen Feldern 20,45 oder durch Mikrowellen 76,77. _ the symmetrical and asymmetrical vibration level of the atoms within a molecule in the plane spanned by the atoms. (Eırans). According to the invention, this state is stimulated by the expansion in an expansion nozzle 21, 47 into the supersonic range. This excitation is supported by the conversion of the gas state into the plasma state with the aid of magnetic fields 20, 45 or microwaves 76, 77.
Rotatorischer Energiezustand: unter rotatorischem Energiezustand versteht man die symmetrischen und asymmetrischen Schwingungsstand der Atome innerhalb eines Moleküles aus der von den Atomen aufgespannten Ebene.( Er). Dieser Zustand wird erfindungsgemäß durch die Expansion in einer Entspannungsdüse 21,47 in den Überschallbereich angeregt. Unterstützt wird diese Anregung durch das Überführen des Gaszustandes in den Plasmazustand mit Hilfe von magnetischen Feldern 20,45 oder durch Rotary energy state: under rotary energy state one understands the symmetrical and asymmetrical oscillation state of the atoms within a molecule from the plane spanned by the atoms (Er). According to the invention, this state is stimulated by the expansion in an expansion nozzle 21, 47 into the supersonic range. This excitation is supported by the conversion of the gas state into the plasma state with the aid of magnetic fields 20, 45 or by
Mikrowellen 76,77. Microwaves 76.77.
Harmonischer Energiezustand: der mit Hilfe der Quantenmechanik angeregte harmonische Schwingungszustand (Epam) . Dieser Zustand wird erfindungsgemäß durch die Harmonic energy state: the harmonic oscillation state (Epam) excited with the help of quantum mechanics. This state is according to the invention by the
Elektronenanregung 62,64 angeregt. Electron excitation 62,64 excited.
Energiezustand der Elektronen: dieser beschreibt den Anregungszustand der Elektronen der Atome und des Moleküls. (Eee). Dieser Zustand wird erfindungsgemäß durch die Energy state of the electrons: this describes the excited state of the electrons of the atoms and the molecule. (Eee). This state is according to the invention by the
Elektronenanregung 62,64 angeregt. Electron excitation 62,64 excited.
E = [0 + Etat + E pam + E aektr E = [0 + budget + E pam + E actr
135080570437". 3 5 6 135080570437 ". 3 5 6
.. oo. es 08 000 .. .. oo. it 08 000 ..
Im Nichtgleichgewichtszustand wird das Gas stetig neuen Energiezuständen unterworfen, dir ‚durch die äußeren Bedingungen, wie Kanalverengung in einer Düse ( = Beschleunigung des Gases, Kompression des Gases und damit die Veränderung der Temperatur und des Druckes ), wie pulsierendes Magnetfeld ( Anregung der Elektronen der einzelnen Atome unter variablen mit einer definierten Frequenz schwingenden Magnetfeldern ). Die Folge ist, dass in dem Gas die Besetzung der Energieniveaus nicht mehr zeitlich konstant ist und daher eine Umgruppierung der Atome im Plasmazustand möglich ist. Dieser Nichtgleichgewichtszustand des Gases hat zur Folge, dass der notwendige Energieaufwand zur Dissoziation des Gases gegenüber dem von M. Faraday aufgestellten empirischen Ansatzes deutlich geringer ist. In the non-equilibrium state, the gas is constantly subjected to new energy states, due to the external conditions, such as channel narrowing in a nozzle (= acceleration of the gas, compression of the gas and thus the change in temperature and pressure), such as a pulsating magnetic field (excitation of the electrons of individual atoms under variable magnetic fields oscillating at a defined frequency). The result is that the occupation of the energy levels in the gas is no longer constant over time and therefore a regrouping of the atoms in the plasma state is possible. The consequence of this non-equilibrium state of the gas is that the energy required to dissociate the gas is significantly lower than that of M. Faraday's empirical approach.
Erfindungsgemäß wird daher ein Nichtgleichgewichtszustand durch eine Entspannung des Gases in einer Entspannungsdüse 21, 47 erreicht, die auf Überschallströmung beschleunigt. Das besondere an der Düsengeometrie besteht darin, dass der Eintrittsquerschnitt gleich dem Austrittsquerschnitt entspricht. Ziel ist es einen lange andauernden strömungstechnisch hervorgerufenen Nichtgleichgewichtszustand zu erreichen. According to the invention, a non-equilibrium state is therefore achieved by an expansion of the gas in an expansion nozzle 21, 47, which accelerates to a supersonic flow. The special thing about the nozzle geometry is that the inlet cross section corresponds to the outlet cross section. The aim is to achieve a long-lasting, fluidically induced, non-equilibrium state.
Um die Entspannungsdüse 21 anwenden zu können ist stets ein dampfförmiger Gaszustand zu erreichen. Das bedeutet bei Wasser 1 die Erzeugung von Wasserdampf 15, durch eine Verdampfungsvorrichtung 3,4,6,7,8,9. Dabei wird externe Abwärme 13,14 genutzt um Wasserdampf zu erzeugen. Die einfachste technische Bauform ist ein Durchlaufverdampfer, . Wie dieser bei stationären und mobilen Verdampfern verwendet wird. In order to be able to use the expansion nozzle 21, a vaporous gas state must always be achieved. In the case of water 1, this means the generation of water vapor 15 by an evaporation device 3,4,6,7,8,9. External waste heat 13, 14 is used to generate water vapor. The simplest technical design is a once-through evaporator,. How this is used in stationary and mobile vaporizers.
Erfindungsgemäß wird auch bei Kohlendioxid 37 eine Entspannungsdüse 47 eingesetzt. Auch bei Kohlendioxid 37 muss ein dampfförmiger Zustand erreicht werden. Das | ‚Kohlendioxid wird in einem Tank 38 mit einem Druck von 70 bar in flüssiger Phase gelagert. Die Entspannung auf einen geringeren Druck von 1 bar bis 10 bar ermöglicht die Nutzung einer Entspannungsturbine 39. Danach wird das dampfförmige Kohlendioxid 42 der Entspannungsdüse 47 zugeführt. . According to the invention, an expansion nozzle 47 is also used with carbon dioxide 37. A vaporous state must also be achieved with carbon dioxide 37. The | Carbon dioxide is stored in a tank 38 at a pressure of 70 bar in the liquid phase. The expansion to a lower pressure of 1 bar to 10 bar makes it possible to use an expansion turbine 39. The vaporous carbon dioxide 42 is then fed to the expansion nozzle 47. .
Zur Erzeugung des Düsenenddruckes wird eine Vakuumkammer 23,49 verwendet, die mit Kühlschlagen 18, 46 auf eine niedrige Temperatur gekühlt wird. Die Vakuumverdichter 25,51 dienen dazu beim Anfahren der Ablage die inerten Gase abzusaugen. A vacuum chamber 23, 49, which is cooled to a low temperature with cooling beats 18, 46, is used to generate the nozzle end pressure. The vacuum compressors 25, 51 serve to suck off the inert gases when the shelf is approached.
Erfindungsgemäß erfolgt die Erzeugung eines thermodynamischen Nichtgleichgewichtszustandes in einer Düse, wobei das überkritische Druckverhältnis zur Anwendung kommt und damit im engsten Kanalquerschnitt ein Überschallströmung erfolgt. Um die Umgruppierung und damit die Dissoziation zu unterstützen wird erfindungsgemäß ein Plasmazustand des Gases erzeugt. Die einfachste und effizienteste Form ist ein durch magnetische Induktion erzeugtes Plasma 20,45 , das mit bestimmten Vielfachen der Anregungsfrequenzen der Grundschwingungszustände des Moleküls pulsiert. According to the invention, a thermodynamic non-equilibrium state is generated in a nozzle, the supercritical pressure ratio being used and a supersonic flow thus occurring in the narrowest channel cross-section. In order to support the regrouping and thus the dissociation, a plasma state of the gas is generated according to the invention. The simplest and most efficient form is a plasma 20, 45 generated by magnetic induction, which pulsates with certain multiples of the excitation frequencies of the fundamental oscillation states of the molecule.
Klassische Elektrolyse: ( 1eV - 96,45 kJ/mol) Classic electrolysis: (1eV - 96.45 kJ / mol)
2C02 — 2 CO + 02 AH=2,9eV 2H20 — 2H2 + 02 AH =2,6eV 2C02 - 2 CO + 02 AH = 2.9eV 2H20 - 2H2 + 02 AH = 2.6eV
Plasmaelektrolyse: ( 1eV = 96,45 kJ/mol ) Plasma electrolysis: (1eV = 96.45 kJ / mol)
2C02— 2C0+02 AH=0.85eV 2H20 — 2H2 +02 AH =0.7eV 2C02— 2C0 + 02 AH = 0.85eV 2H20 - 2H2 +02 AH = 0.7eV
Tabelle 8: Durch die Plasmaelektrolyse kann der Nichtgleichgewichtszustand in der Gasströmung 21,47 noch verbessert und verstärkt werden. Table 8: The non-equilibrium state in the gas flow 21, 47 can be further improved and intensified by the plasma electrolysis.
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Erfindungsgemäß wird ein Plasmazustand durch magnetische Wicklungen 20,45 oder durch Mikrowellen 76,77 erreicht. Durch die Aufteilung der magnetischen Anregung entlang des Düsenkanales kann mit unterschiedlichen Frequenzen der Plasmazustand angeregt werde. Zudem ergibt sich die Möglichkeit der Erzeugung einer Wanderwelle, was einem in Strömungsrichtung des Gases gepulsten anregendem Plasmazustand entspricht. According to the invention, a plasma state is achieved by magnetic windings 20, 45 or by microwaves 76, 77. By dividing the magnetic excitation along the nozzle channel, the plasma state can be excited with different frequencies. In addition, there is the possibility of generating a traveling wave, which corresponds to an exciting plasma state pulsed in the direction of flow of the gas.
In der am Ende der Entspannungsdüse 21, 47 angebrachten Rekombinationskammer 22, 48 wird von den so erzeugten und gewonnenen Gasströmen wie Wasserstoff und Sauerstoff (24) und Kohlenmonoxid und Sauerstoff (50) ein Gleichgewichtszustand eingenommen, der eine Rückbildung verhindert. In the recombination chamber 22, 48 attached at the end of the expansion nozzle 21, 47, the gas flows thus generated and obtained, such as hydrogen and oxygen (24) and carbon monoxide and oxygen (50), assume a state of equilibrium which prevents regression.
Damit der Übergang in einen Plasmazustand und damit verbunden einen hohen Nichtgleichgewichtszustand noch effizienter erfolgen kann, wird der Wasserdampf. 15 und das Kohlendioxid 42 erfindungsgemäß elektrisch mit Elektronen angeregt. Die Anregung erfolgt erfindungsgemäß mit Elektronen 62,64 , die über eine Kathode abgestrahlt werden. Der Aufbau so einer Elektronenstrahlemitters besteht aus einer Kathode, dem eigentlichen Emitter an Elektronen, einem Gate zur Beschleunigung der Elektronen und der Absaugung von der Kathode selber, einem Magnetfeld zur Bündelung der abgestrahlten Elektronen und aus einem Lenardfenster (einen für die Elektronen durchsichtiges Fenster). So that the transition to a plasma state and the associated high non-equilibrium state can take place even more efficiently, the water vapor. 15 and the carbon dioxide 42 are electrically excited with electrons according to the invention. According to the invention, the excitation takes place with electrons 62, 64 which are emitted via a cathode. The structure of such an electron beam emitter consists of a cathode, the actual emitter of electrons, a gate to accelerate the electrons and the suction from the cathode itself, a magnetic field to concentrate the emitted electrons and a Lenard window (a window that is transparent for the electrons).
Erfindungsgemäß haben die Elektronen geringe Energien in dem Bereich von 0.5 eV bis 3 eV. Diese geringen Energien reichen aus, um die dampfförmigen Gasmoleküle anzuregen. According to the invention, the electrons have low energies in the range from 0.5 eV to 3 eV. These low energies are sufficient to excite the vaporous gas molecules.
Der Elektronenstrahl aus den Emittern 62,64 wird in eine Kammer 60,63 eingeleitet und durch Elektromagnete umgelenkt, sodass der Strahl mehrfach auf einer Kreisbahn die Kammer kreuzt und so die Kontaktwahrscheinlichkeit mit dem Gasmolekül erhöht wird. The electron beam from the emitters 62,64 is introduced into a chamber 60,63 and deflected by electromagnets, so that the beam crosses the chamber several times on a circular path, thus increasing the probability of contact with the gas molecule.
Um die Verweilzeit des Gases zu erhöhen wird das Gas tangential in der Anregungskammer (EA) 60,63 eingedüset und somit eine rotatorische Strömung erzeugt (Drall) und die Verweilzeit des Gases in der Anregungskammer erhöht. In order to increase the dwell time of the gas, the gas is injected tangentially into the excitation chamber (EA) 60, 63 and thus a rotary flow is generated (swirl) and the dwell time of the gas in the excitation chamber is increased.
Erfindungsgemäß werden mehrere Emitter 62,64 entlang der Strömungsrichtung des Wasserdampfes 15 und Kohlendioxiddampfes 42 in Serie bei der Anregung mit Elektronen verwendet, wobei in jeder Kammer eine Elektronenstrahl mit einer Energie im Bereiche von ‘ 0.5 eV bis 3 eV eingestrahlt wird. According to the invention, several emitters 62, 64 along the flow direction of the water vapor 15 and carbon dioxide vapor 42 are used in series for the excitation with electrons, an electron beam with an energy in the range of ‘0.5 eV to 3 eV being radiated into each chamber.
E+e —E' E + e —E '
Die klassische Elektrolyse basiert auf den empirischen Gesetze M. Faradays, der mit hohen Stromstärken und geringen Spannungen an der Oberfläche der Elektroden (Anode, Kathode), den Wasserstoff, den Sauerstoff aus dem Wassermolekül „herausreißt“. Die Elektrolyse nach M. Faraday umfasst die elektrolytische Zelle, in der die Elektroden in einem Elektrolyten eintauchen. Zwischen den Elektroden befindet sich ein Abstand um den Überschlag der elektrischen Energie zu vermeiden. Ein weiterer Nachteil ist die geringe Oberfläche der Elektroden. ; Classic electrolysis is based on the empirical laws of M. Faraday, who "tears" the hydrogen and oxygen out of the water molecule with high currents and low voltages on the surface of the electrodes (anode, cathode). The electrolysis according to M. Faraday comprises the electrolytic cell in which the electrodes are immersed in an electrolyte. There is a gap between the electrodes to prevent the electrical energy from flashing over. Another disadvantage is the small surface area of the electrodes. ;
Bei der elektrochemischen Zelle befindet sich zwischen den beiden Elektroden eine Membran. Ist diese Membran nicht ionenleitend, dann sind die beiden Elektroden getrennt und eine elektromotorische Kraft (EMK) kann nicht wirksam sein. Um also einen Fluss an Elektronen und lonen zu ermöglichen, muss die Membran zumindest lonenleitfähig sein. Damit ergibt sich an der Membran ein weiterer Potenzialunterschied und die Membran leitet entweder Anionen oder Kationen. Damit ergibt sich ein weiterer Nachteil in Form des Potenzialunterschiedes über die Membran hinweg: In the electrochemical cell there is a membrane between the two electrodes. If this membrane is not ion-conductive, then the two electrodes are separated and an electromotive force (EMF) cannot be effective. In order to enable a flow of electrons and ions, the membrane must at least be ion-conductive. This results in a further potential difference at the membrane and the membrane conducts either anions or cations. This results in a further disadvantage in the form of the potential difference across the membrane:
® .. * ee. ° .. ° » ® .. * ee. ° .. ° »
° .. ® ° * .vc... ° ® ° .. ® ° * .vc ... ° ®
. oO ° ... .. x& 8 . 00 ö ° ° .. .. wu... .. ... a. . oO ° ... .. x & 8. 00 ö ° ° .. .. wu ... .. ... a.
Q=nzF n= Wr Q = nzeN, = MZE a= f 1U.Hdt M / (U,Ydt Q = nzF n = Wr Q = nzeN, = MZE a = f 1U.Hdt M / (U, Ydt
Das erste Faradaysches Gesetz lautet: um eine bestimmte Menge eines Stoffes m abscheiden zu können wird elektrische Energie in Form von Ladungen (e Na) — ! benötigt. Diese elektrische Energie wird in Form von Stromstärke (I[A]) integriert über die Zeiteinheit The first Faraday's law reads: in order to be able to separate a certain amount of a substance m, electrical energy in the form of charges (e Na) -! needed. This electrical energy is integrated in the form of current strength (I [A]) over the time unit
dargestellt. shown.
Der Vorteil dieser Erfindung ist, dass man keine teuren Katalysatoren verwenden muss, wie The advantage of this invention is that one does not have to use expensive catalysts, such as
bei der Festoxidzelle (SOFC Zelle) oder der Polymerelektrolytzeile (PEM Zeile). Zudem ist eau sehr gering (150 °C beim Wasserdampf und 25°C beim Kohlendioxid) with the solid oxide cell (SOFC cell) or the polymer electrolyte cell (PEM cell). In addition, eau is very low (150 ° C for water vapor and 25 ° C for carbon dioxide)
das Temperaturniv the temperature level
verglichen mit dem Tempertaturniveau der SOFC oder SOEC. CO2—CO+O AH = 5.5 eV/mol compared to the temperature level of the SOFC or SOEC. CO2-CO + O AH = 5.5 eV / mol
c02+0—— CO +02 AH = 0.3 eWmol c02 + 0—— CO +02 AH = 0.3 eWmol
Summe: Co2-— CO + 302 AH = 2.9 eVWmol Sum: Co2- CO + 302 AH = 2.9 eVWmol
Summenreaktion der einzelnen chemischen Reaktionen, wobei der energetische Aufwand auf die Erzeugung von Sauerstoffradikalen bezogen worden ist. ; Sum reaction of the individual chemical reactions, whereby the energetic expenditure was related to the generation of oxygen radicals. ;
H20——OH+O AH = 4.9 eVlmol H20 + O0 —H2 + 02 AH = 0.3 eVmol Summe: H20—— H2 +J02 AH = 2.6 eVimol H20 —— OH + O AH = 4.9 eVlmol H20 + O0 —H2 + 02 AH = 0.3 eVmol Sum: H20—— H2 + J02 AH = 2.6 eVimol
"Summenreaktion der einzelnen chemischen Reaktionen für die Dissoziation von ; Wasserdampf, wobei der energetische Aufwand auf die Erzeugung von Sauerstoffradikalen "Sum reaction of the individual chemical reactions for the dissociation of; water vapor, whereby the energetic expenditure on the production of oxygen radicals
bezogen worden ist. has been obtained.
Verglichen mit der Energiedichte bei der Elektrode einer klassischen Nasselektrolyse ist die Energiedichte im angeregten Plasmazustand - 20 mal so hoch. ; Compared to the energy density of the electrode of a classic wet electrolysis, the energy density in the excited plasma state is 20 times as high. ;
k Abt k dept
” Die Aktivierungsenergie Ea wird durch die Schwingungsanregung E, reduziert, was gleichbedeutend ist mit der zusätzlich benötigten Energie um das Molekül umzugruppieren. “The activation energy Ea is reduced by the oscillation excitation E, which is equivalent to the additional energy required to regroup the molecule.
Die Effizienz der Dissoziation des Gasmoleküls liegt zwischen 80% bis 90%, wobei die Dissipation in Form von Wärme an den Elektroden wie bei der Nasselektrolyse nicht gegeben ist. Der Nachteil der Nasselektrolyse ist nicht nur die hohe Stromstärke an den Elektroden, sondern auch der durch die hohe Stromstärke verbundene Verlust an Energie in The efficiency of the dissociation of the gas molecule is between 80% and 90%, with the dissipation in the form of heat at the electrodes not being given as in wet electrolysis. The disadvantage of wet electrolysis is not only the high amperage at the electrodes, but also the loss of energy associated with the high amperage
Form von Wärme. Form of warmth.
Erfindungsgemäß wird aus der Elektrolyse von Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf (H2O) ein Gasgemisch aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) erzeugt. Dieses Gasgemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff wird über Regelarmaturen in der Zusammensetzung und Konzentration geregelt sodass definierte molare Zusammensetzungen erzeugt werden können, die es ermöglichen Methanol (CH:OH) oder According to the invention, a gas mixture of carbon monoxide (CO) and hydrogen (H2) is generated from the electrolysis of carbon dioxide (CO2) and water vapor (H2O). The composition and concentration of this gas mixture of carbon monoxide and hydrogen is regulated by means of control valves so that defined molar compositions can be generated that enable methanol (CH: OH) or
Butanol (CHs(CH2);OH) zu erzeugen Butanol (CHs (CH2); OH)
CO + 2H2 — CH3O0H 4CO + 8H2 — CH3(CH2)3OH + 3H20 CO + 2H2 - CH3O0H 4CO + 8H2 - CH3 (CH2) 3OH + 3H20
. 08.20 . 8 0000 U 9 . e.U ® ... eu... 9 . .. » ° ° ee. . “ . 08.20. 8 0000 U 9. e.U ® ... eu ... 9. .. »° ° ee. . "
.. .. ... ... .... ee. .. .. ... ... .... ee.
hlendioxid Plasmaelektrolyse nicht verbrauchte f einen Druck von 70 bar durch Kondensation 72,74,75 Shell dioxide plasma electrolysis not consumed for a pressure of 70 bar due to condensation 72,74,75
k rückgeführt. Damit kann der Anteil an s den Vorteil hat, dass k returned. This means that the proportion of s has the advantage that
Erfindungsgemäß wird das bei der Ko Kohlendioxid nach der Verdichtung au According to the invention, the carbon dioxide after the compression is au
rückgewonnen und dem Kohlendioxidtan Kohlendioxid < 0.1 Vol% im synthetischen Gas reduziert werden, wa recovered and the carbon dioxide tan carbon dioxide <0.1 vol% in the synthetic gas can be reduced, wa
man das so gewonnene Kohlendioxid wiederverwenden kann. the carbon dioxide obtained in this way can be reused.
Die Trennung des erzeugten Gasgemisches aus Kohlenmonoxid und Sauerstoff 50 aus der Plasmaelektrolyse von Kohlendioxid und die Trennung des Gasgemisches aus Wasserstoff und Sauerstoff erfolgt erfindungsgemäß mit Hilfe der Druckwechseladsorption 61. Mit Hilfe von entsprechenden molekularen Sieben kann man auch geringe und kleinere Stoffströme The separation of the generated gas mixture of carbon monoxide and oxygen 50 from the plasma electrolysis of carbon dioxide and the separation of the gas mixture of hydrogen and oxygen takes place according to the invention with the aid of pressure swing adsorption 61
von Gasgemischen mit sehr hoher Qualität auftrennen. asgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff 24 mit Hilfe Separate very high quality gas mixtures. A mixture of hydrogen and oxygen 24 with the help
fgetrennt. Mit Hilfe von entsprechenden molekularen Stoffströme von Gasgemischen mit sehr hoher fseparated. With the help of corresponding molecular material flows of gas mixtures with very high
Erfindungsgemäß wird auch das G der Druckwechseladsorption 32 au Sieben kann man auch geringe und kleinere Qualität auftrennen. According to the invention, the G of the pressure swing adsorption 32 can also be divided into small and small quality.
Bei der Druckwechseladsorption nutzt man die kinetischen Durchmesser der Moleküle aus: In pressure swing adsorption, the kinetic diameter of the molecules is used:
Molekül | Kinetischer Durchmesser (A) (1A - 0.1nm Molecule | Kinetic diameter (A) (1A - 0.1nm
CO 3.1 bis 3.8 COo2 3.3 02 2.9 bis 3.5 H2 2.3 bis 2.9 H20 2.7 . messer von Gasen und Dämpfen CO 3.1 to 3.8 COo2 3.3 02 2.9 to 3.5 H2 2.3 to 2.9 H20 2.7. knife of gases and vapors
Tabelle 7: Auflistung einiger kinetischer Moleküldurch Table 7: List of some kinetic molecules by
es Gasgemisches für die Adsorption wird durch hes zu Dimethylether (DME) oder Dibutylether kbereich von 30 bar bis 70 bar. Daher ist die des Kohlendioxids in Form The gas mixture for adsorption is converted into dimethyl ether (DME) or dibutyl ether by means of a range from 30 bar to 70 bar. Hence that of carbon dioxide is in shape
Der scheinbare Nachteil der Vorverdichtung d die Verwertung des synthetischen Gasgemisc (DBE). Die Umwandlung erfolgt in einem Druc Vorverdichtung des synthetischen Gases und die Abscheidung einer Verflüssigung ein Vorteil. The apparent disadvantage of pre-compression d the utilization of the synthetic gas mixture (DBE). The conversion takes place in a pressure pre-compression of the synthetic gas and the separation of a liquefaction is an advantage.
rteil dieses Verfahrens ist die einfache Skalierbarkeit von kleinen Gasströmen zu großen Gasströmen an Wasserdampf und Kohlendioxid. Damit kann man Anlagen im dezentralen erneuerbaren Energiebereich von elektrischen Leistungen von 500 kW bis 5000 kW mit dem erfindungsgemäßen Verfahren koppeln und so zu einer wirtschaftlichen und einfachen Verflüssigung von elektrischer Energie finden. Ein weiterer Vorteil ist die mögliche mobile Bauweise, die sich besonders bei dezentralen Anlagen Part of this process is the simple scalability of small gas flows to large gas flows of water vapor and carbon dioxide. In this way, systems in the decentralized renewable energy range of electrical outputs from 500 kW to 5000 kW can be coupled with the method according to the invention and thus find an economical and simple liquefaction of electrical energy. Another advantage is the possible mobile construction, which is particularly useful in decentralized systems
bewährt. proven.
Ein wichtiger Vo An important Vo
Symbole und Zeichen Symbols and signs
Zeichen character
1 - Wasser (destilliertes. Wasser ) 1 - water (distilled. Water)
2 Wassertank 2 water tank
3 Pumpe für Wasser aus dem Wassertank 3 Pump for water from the water tank
4 Regelarmatur für Wasser 4 control valve for water
5 Wasser 5 water
6 Vorwärmer für Wasser 6 preheaters for water
7 Verdampfer zur Erzeugung von Wasserdampf 7 evaporators for generating water vapor
8 Abscheideflasche von Wasserdampf und Wasser 9 Überhitzer von Wasserdampf 8 Separator bottle for water vapor and water 9 Superheater for water vapor
10 Kondensat aus der Abscheideflasche 10 Condensate from the separation bottle
11 Pumpe zur Rückführung von Kondensat aus der Abscheideflasche 11 Pump for returning condensate from the separation bottle
12 Regelarmatur 12 control valve
13 Zulauf externer Wärmestrom 13 Incoming external heat flow
14 Ablauf externer Wärmestrom 14 External heat flow drain
15 Wasserdampf 15 water vapor
16 Regelarmatur für Wasserdampf 16 Control valve for steam
17 Dralikammer für Elektronenanregung von Wasserdampf 17 Swirl chamber for electron excitation of water vapor
18 Kühlschlangen in Vakuumkammer 23 18 cooling coils in vacuum chamber 23
19 Drallkammer der Plasmadüse 19 Swirl chamber of the plasma nozzle
20 magnetische Wicklungen zur Erzeugung eines gepulsten Magnetfelds 20 magnetic windings to generate a pulsed magnetic field
21 Entspannungsdüse 21 Relaxation nozzle
22 Rekombinationskammer am Austritt 22 recombination chamber at the outlet
23 Vakuumkammer 23 vacuum chamber
24 Gasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff 24 Gas mixture of hydrogen and oxygen
25 Vakuumverdichter | 25 vacuum compressors |
26 : Regelarmatur 26: Control valve
27 Abgas aus der Vakuumkammer (Auspumpen der Anlage, zur Erzeugung von Unterdruck) ; 27 exhaust gas from the vacuum chamber (pumping out the system, to generate negative pressure);
28 Verdichter für die Druckwechseladsorption 28 Compressors for pressure swing adsorption
29 Elektrischer Motor zum Antrieb des Verdichters 29 Electric motor to drive the compressor
30 verdichtetes Gasgemisch 30 compressed gas mixture
31 Wasserstoff ; 31 hydrogen;
32 . Druckwechseladsorption 32. Pressure swing adsorption
33 Sauerstoff 33 oxygen
34 Pumpe für Wasserkondensat (H20) 34 Pump for water condensate (H20)
35 Regelarmatur für Wasserkondensat (H20) 35 Control fitting for water condensate (H20)
36 Regelarmatur für den Verdichter 28 der Druckwechseladsorption 36 Control valve for the compressor 28 of the pressure swing adsorption
37 Kohlendioxid (CO2) 37 carbon dioxide (CO2)
38 : Kohlendioxidtank (CO2) 38: Carbon dioxide tank (CO2)
39 - Entspannungsturbine 39 - Relaxation turbine
40 Elektrischer Motor 40 electric motor
41 Verdampfer für Kohlendioxid (CO2) 41 evaporator for carbon dioxide (CO2)
42 Kohlendioxiddampf (CO2) 42 carbon dioxide vapor (CO2)
43 Regelarmatur für Kohlendioxid (CO2) 43 Control valve for carbon dioxide (CO2)
44 Drallkammer für die Plasmadüse 44 Swirl chamber for the plasma nozzle
45 Magnetwicklungen für die Erzeugung eines Plasmas 45 magnetic windings for the generation of a plasma
46 Kühlschlange der Vakuumkammer 46 Vacuum Chamber Cooling Coil
47 Entspannungsdüse 47 Relaxation nozzle
10 10
48 Rekombinationskammer am Ende der Entspannungsdüse 48 recombination chamber at the end of the expansion nozzle
49 Vakuumkammer 49 vacuum chamber
50 Gasgemisch aus. Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO) und Sauerstoff (02) 51 Vakuumverdichter 50 gas mixture. Carbon dioxide (CO2), carbon monoxide (CO) and oxygen (02) 51 vacuum compressor
52 Regelarmatur 52 Control valve
53 Abgas aus der Vakuumkammer (zum Anfahren der Vakuumkammer) 54 Verdichter 53 Exhaust gas from the vacuum chamber (for starting the vacuum chamber) 54 Compressor
55 verdichtetes Gasgemisch aus Kohlenmonoxid (CO), Sauerstoff (02) und ; Kohlendioxid (CO2) 55 compressed gas mixture of carbon monoxide (CO), oxygen (02) and; Carbon dioxide (CO2)
56 Regelarmatur 56 Control valve
57 Sauerstoff (02) 57 oxygen (02)
58 Druckwechseladsorption 58 Pressure swing adsorption
59 Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2), 59 carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO2),
60 Elektronenanregung Kammer für Wasserdampf (CO2) 60 electron excitation chamber for water vapor (CO2)
61. Druckwechseladsorption 61. Pressure swing adsorption
62 Elektronenemitter für Wasserdampf (CO2) 62 electron emitters for water vapor (CO2)
63 Elektronenanregung Kammer für Kohlendioxid (H20) 63 Electron excitation chamber for carbon dioxide (H20)
64 Elektronenemitter Kammer Kohlendioxid (H20) 64 electron emitter chamber carbon dioxide (H20)
65 Regelarmatur für Wasserstoff (H2) 65 control valve for hydrogen (H2)
66 Regelarmatur für Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2) 66 Control fitting for carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO2)
67 Mischkammer für synthetisches Gasgemisch 67 Mixing chamber for synthetic gas mixture
68 Wärmetauscher als Rückkühler synthetisches Gasgemisch 68 Heat exchanger as dry cooler synthetic gas mixture
69 Verdichter 69 compressors
70 Wärmetauscher als Rückkühler synthetisches Gasgemisch 70 heat exchanger as dry cooler synthetic gas mixture
71 Verdichter 71 compressors
72 Wärmetauscher als Kondensator für Kohlendioxid (CO2) 72 heat exchanger as a condenser for carbon dioxide (CO2)
73 synthetisches Gasgemisch aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) 74 Kohlendioxid Pumpe (CO2) 73 synthetic gas mixture of carbon monoxide (CO) and hydrogen (H2) 74 carbon dioxide pump (CO2)
75 Regelarmatur für Kohlendioxid (CO2) 75 control valve for carbon dioxide (CO2)
76 Mikrowellenanregungen für die Entspannungsdüse (45) 76 microwave excitations for the relaxation nozzle (45)
77 Mikrowellenanregungen für die Entspannungsdüse (20) 77 microwave excitations for the relaxation nozzle (20)
Symbole Symbols
EMK Elektromotorische Kraft EMF electromotive force
PSA Druckwechseladsorption PSA pressure swing adsorption
PL Plasmagenerator, bestehend aus Magnetwicklungen in serieller Anordnung CO2 Kohlendioxid PL plasma generator, consisting of magnetic windings in a serial arrangement, CO2, carbon dioxide
H20 Wasser H20 water
CO Kohlenmonoxid CO carbon monoxide
H2 Wasserstoff H2 hydrogen
EA Elektronenanregung EA electron excitation
DME © Dimethylether ((CH3)20O) DME © dimethylether ((CH3) 20O)
DBE Dibutylether ( (CH3(CH2)3)20 ) DBE dibutyl ether ((CH3 (CH2) 3) 20)
PEM Polymerelektrolytbrennstoffzelle PEM polymer electrolyte fuel cell
SOFC Festoxidbrennstoffzelle SOFC solid oxide fuel cell
Literatur literature
[1] T. Shimanouchi, Tables of molekular Vibrational Frequencies [1] T. Shimanouchi, Tables of Molecular Vibrational Frequencies
11 11
.. ee. ee .. 0090008 009 . .. » .. ° .. ° . .. ee. ee .. 0090008 009. .. ».. ° .. °.
NH 12 .. e. ..>. .. ... .. NH 12 .. e. ..>. .. ... ..
Abbildungen Abbildung 1 Figures Figure 1
Die Abbildung 1 zeigt einen Wassertank 1 von dem Wasser mit einer Pumpe 3.über ein Regelarmatur 4 einem Vorwärmer 6 und Verdampfer 7 einer Abscheideflasche 8 zugeführt, das überschüssige Wasser 10 wird mit einer Pumpe 11 und der zugehörigen Regelarmatur 12 dem Wassertank 2 rückgeführt. Der Sattdampf wird über den Überhitzer 9 leicht überhitzt und der Wasserdampf 15 der Regelarmatur 16 zugeführt und in eine Drallkammer 19 der Entspannungsdüse eingeleitet. In der Düse wird der Wasserdampf 15 beschleunigt und auf den Düsenenddruck entspannt. Der Düsenenddruck wird durch das Vakuumgebläse 25 mit dem zugehörigen Regelarmatur 26 in der Vakuumkammer 23 eingestellt. Die Entspannungsdüse 21 wird durch Magnetwicklungen 20 umgeben, die in Segmenten unterteilt sind. Diese Segmente ermöglichen so über den Verlauf des Expansionskanales die Erzeugung eines gepulsten variablen Magnetfeldes und so die Erzeugung eines Plasmas innerhalb der Düse. Das so erzeugte Gas- und Dampfgemisch aus Sauerstoff (02) 24, Wasserstoff (H2) und Wasserdampf (H2O) wird in die Vakuumkammer 23 eingeleitet, das Kondensat über die Pumpe abgesaugt und das Gasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff 24 dem Verdichter 28 zugeführt. Das verdichte Gasgemisch 30 wird über die Regelarmatur 36 der Druckwechseladsorption 32 zugeführt, die das Gasgemisch in den Gasstrom . Wasserstoff (H2) 31 und Gasstrom Sauerstoff (O2) 33 auftrennt. Figure 1 shows a water tank 1 from which water is fed with a pump 3 via a control valve 4 to a preheater 6 and evaporator 7 to a separation bottle 8; the excess water 10 is returned to the water tank 2 with a pump 11 and the associated control valve 12. The saturated steam is slightly overheated by the superheater 9 and the steam 15 is fed to the control valve 16 and introduced into a swirl chamber 19 of the expansion nozzle. The steam 15 is accelerated in the nozzle and relaxed to the nozzle end pressure. The nozzle end pressure is set by the vacuum fan 25 with the associated control valve 26 in the vacuum chamber 23. The expansion nozzle 21 is surrounded by magnetic windings 20 which are divided into segments. These segments thus enable the generation of a pulsed variable magnetic field over the course of the expansion channel and thus the generation of a plasma within the nozzle. The gas and vapor mixture of oxygen (02) 24, hydrogen (H2) and water vapor (H2O) generated in this way is introduced into the vacuum chamber 23, the condensate is sucked off by the pump and the gas mixture of hydrogen and oxygen 24 is fed to the compressor 28. The compressed gas mixture 30 is fed via the control valve 36 to the pressure swing adsorption 32, which transfers the gas mixture into the gas flow. Separates hydrogen (H2) 31 and gas stream oxygen (O2) 33.
Abbildung 2 Figure 2
Die Abbildung 2 zeigt einen. Tank für Kohlendioxid 38 von dem Kohlendioxid 37 mit einer‘ Turbine 39 über ein Regelarmatur 43 einem Verdampfer 41 zugeführt und verdampft. Der Kohlendioxiddampf 42 wird in eine Dralikammer 44 der Entspannungsdüse 47 eingeleitet. In der Entspannungsdüse wird der Kohlendioxiddampf 42 beschleunigt und auf den Düsenenddruck entspannt. Der Düsenenddruck wird durch das Vakuumgebläse 51 mit dem zugehörigen Regelarmatur 52 in der Vakuumkammer 49 eingestellt. Die Entspannungsdüse 47 wird durch serielle Magnetwicklungen umgeben, die in Segmenten unterteilt sind. Diese Segmente ermöglichen so über den Verlauf des Expansionskanales die Erzeugung eines gepulsten variablen Magnetfeldes und ermöglichen so die Erzeugung eines Plasmas innerhalb der Entspannungsdüse 47. Das so erzeugte umgruppierte Gas und Dampfgemisch aus Sauerstoff, Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid 50 wird in die Vakuumkammer 49, die mit einer Kühlschlage 46 gekühlt wird, eingeleitet. Das Gasgemisch aus Kohlenmonoxid (CO) und Sauerstoff (02) 50 dem Verdichter 54 zugeführt. Das verdichtete Gasgemisch 55 wird über die Regelarmatur 56 der Druckwechseladsorption 58 zugeführt, die das Gasgemisch in einen Gasstrom Kohlenmonoxid (CO) 59 und Gasstrom Sauerstoff (02) 57 auftrennt. Der Verdichter 54 wird über eine Turbine 39 angetrieben. Ergänzend wird der Verdichter 54 über einen elektrischen Motor 40 angetrieben. Figure 2 shows one. Tank for carbon dioxide 38 supplied by the carbon dioxide 37 with a ‘turbine 39 via a control valve 43 to an evaporator 41 and evaporated. The carbon dioxide vapor 42 is introduced into a swirl chamber 44 of the expansion nozzle 47. In the expansion nozzle, the carbon dioxide vapor 42 is accelerated and expanded to the nozzle end pressure. The nozzle end pressure is set by the vacuum blower 51 with the associated control valve 52 in the vacuum chamber 49. The expansion nozzle 47 is surrounded by series magnetic windings which are divided into segments. These segments thus enable a pulsed variable magnetic field to be generated over the course of the expansion channel and thus enable a plasma to be generated within the expansion nozzle 47. The regrouped gas and vapor mixture of oxygen, carbon monoxide (CO) and carbon dioxide 50 thus generated is transferred into the vacuum chamber 49, which is cooled with a cooling shock 46, initiated. The gas mixture of carbon monoxide (CO) and oxygen (O2) 50 is fed to the compressor 54. The compressed gas mixture 55 is fed via the control valve 56 to the pressure swing adsorption 58, which separates the gas mixture into a gas stream of carbon monoxide (CO) 59 and a gas stream of oxygen (02) 57. The compressor 54 is driven via a turbine 39. In addition, the compressor 54 is driven by an electric motor 40.
Abbildung 3 Figure 3
Die Abbildung 3 zeigt einen Wassertank 1 von dem Wasser mit einer Pumpe 3 über ein Regelarmatur 4 einem Vorwärmer 6 und Verdampfer 7 einer Abscheideflasche 8 zugeführt, das überschüssige Wasser 10 wird mit einer Pumpe 11 und der zugehörigen Regelarmatur 12 dem Wassertank 2 rückgeführt. Der Sattdampf wird über den Überhitzer 9 leicht überhitzt und der Wasserdampf 15 der Regelarmatur 16 zugeführt und in die Drallkammer der Elektronenanregung 63, mit den Elektronenstrahlkathoden 64 eingeleitet. Von der Elektronenanregungskammer wird der hochangeregte Wasserdampf in den Drallraum 19 der Entspannungsdüse 20,21 eingebleitet. In der Düse wird der Wasserdampf 15 beschleunigt und auf den Düsenenddruck entspannt. Der Düsenenddruck wird durch das Vakuumgebläse 25 mit dem zugehörigen Regelarmatur 26 in der Vakuumkammer 23 eingestellt. Die Figure 3 shows a water tank 1 from which water is fed with a pump 3 via a control valve 4 to a preheater 6 and evaporator 7 to a separation bottle 8; the excess water 10 is returned to the water tank 2 with a pump 11 and the associated control valve 12. The saturated steam is slightly overheated by the superheater 9 and the steam 15 is fed to the control valve 16 and introduced into the swirl chamber of the electron excitation 63 with the electron beam cathodes 64. The highly excited water vapor is introduced from the electron excitation chamber into the swirl chamber 19 of the expansion nozzle 20, 21. The steam 15 is accelerated in the nozzle and relaxed to the nozzle end pressure. The nozzle end pressure is set by the vacuum fan 25 with the associated control valve 26 in the vacuum chamber 23. The
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Entspannungsdüse 21 wird durch Mikrowellenanregungen 76 umgeben, die in Segmenten unterteilt sind. Diese Segmente ermöglichen so über den Verlauf des Expansionskanales die Erzeugung eines gepulsten variablen Mikrowellenfeldes 76 und so die Erzeugung eines Plasmas innerhalb der Düse. Das so erzeugte Gas- und Dampfgemisch aus Sauerstoff (02) 24, Wasserstoff (H2) und Wasserdampf (H20) wird in die Vakuumkammer 23 eingeleitet, das Kondensat über die Pumpe abgesaugt und das Gasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff 24 dem Verdichter 28 zugeführt. Das verdichte Gasgemisch 30 wird über die Regelarmatur 36 der Druckwechseladsorption 32 zugeführt, die das Gasgemisch in den Gasstrom Wasserstoff (H2) 31 und Gasstrom Sauerstoff (O2) 33 auftrennt. Relaxation nozzle 21 is surrounded by microwave excitations 76, which are divided into segments. These segments thus enable the generation of a pulsed variable microwave field 76 over the course of the expansion channel and thus the generation of a plasma within the nozzle. The gas and vapor mixture of oxygen (02) 24, hydrogen (H2) and water vapor (H20) generated in this way is introduced into the vacuum chamber 23, the condensate is sucked off by the pump and the gas mixture of hydrogen and oxygen 24 is fed to the compressor 28. The compressed gas mixture 30 is fed via the control valve 36 to the pressure swing adsorption 32, which separates the gas mixture into the gas flow hydrogen (H2) 31 and gas flow oxygen (O2) 33.
Abbildung 4 Figure 4
Die Abbildung 4 zeigt einen Tank für Kohlendioxid 38 von dem Kohlendioxid 37 mit einer Turbine 39 über ein Regelarmatur 43 einem Verdampfer 41 zugeführt und verdampft. Der Kohlendioxiddampf 42 wird in eine Drallkammer der Elektronenanregungskammer 60 eingeleitet. Von der Elektronenanregungskammer 60,62 wird der hochangeregte Kohlendioxiddampf in den Drallraum der Entspannungsdüse 45,47 eingeleitet. In der Entspannungsdüse wird der Kohlendioxiddampf 42 beschleunigt und auf den Düsenenddruck entspannt. Der Düsenenddruck wird durch das Vakuumgebläse 51 mit dem zugehörigen Regelarmatur 52 in der Vakuumkammer 49 eingestellt. Die Entspannungsdüse 47 wird durch serielle Mikrowellenanregungen 77 umgeben, die in Segmenten unterteilt sind. Diese Segmente ermöglichen so über den Verlauf des Expansionskanales die Erzeugung _ eines gepulsten variablen Mikrowellenfeldes und ermöglichen so die Erzeugung eines Plasmas innerhalb der Entspannungsdüse 47. Das so erzeugte umgruppierte Gas und Dampfgemisch aus Sauerstoff, Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid 50 wird in die Vakuumkammer 49, die mit einer Kühlschlage 46 gekühlt wird, eingeleitet. Das Gasgemisch aus Kohlenmonoxid (CO) und Sauerstoff (02) 50 dem Verdichter 54 zugeführt. Das verdichtete Gasgemisch 55 wird über die Regelarmatur 56 der Druckwechseladsorption 58 zugeführt, die das Gasgemisch in einen Gasstrom Kohlenmonoxid (CO) 59 und Gasstrom Sauerstoff (02) 57 auftrennt. Der Verdichter 54 wird über eine Turbine 39 angetrieben. Ergänzend wird der Verdichter 54 über einen elektrischen Motor 40 angetrieben. FIG. 4 shows a tank for carbon dioxide 38 from which carbon dioxide 37 is fed to an evaporator 41 with a turbine 39 via a control valve 43 and evaporates. The carbon dioxide vapor 42 is introduced into a swirl chamber of the electron excitation chamber 60. The highly excited carbon dioxide vapor is introduced from the electron excitation chamber 60, 62 into the swirl space of the expansion nozzle 45, 47. In the expansion nozzle, the carbon dioxide vapor 42 is accelerated and expanded to the nozzle end pressure. The nozzle end pressure is set by the vacuum blower 51 with the associated control valve 52 in the vacuum chamber 49. The expansion nozzle 47 is surrounded by serial microwave excitations 77 which are divided into segments. These segments thus enable a pulsed variable microwave field to be generated over the course of the expansion channel and thus enable a plasma to be generated within the expansion nozzle 47. The regrouped gas and vapor mixture of oxygen, carbon monoxide (CO) and carbon dioxide 50 thus generated is transferred into the vacuum chamber 49 , which is cooled with a cooling shock 46, initiated. The gas mixture of carbon monoxide (CO) and oxygen (O2) 50 is fed to the compressor 54. The compressed gas mixture 55 is fed via the control valve 56 to the pressure swing adsorption 58, which separates the gas mixture into a gas stream of carbon monoxide (CO) 59 and a gas stream of oxygen (02) 57. The compressor 54 is driven via a turbine 39. In addition, the compressor 54 is driven by an electric motor 40.
Abbildung 5 Figure 5
Die Abbildung 5 zeigt einen Wassertank 1 von dem Wasser mit einer Pumpe 3 über ein Regelarmatur 4 einem Vorwärmer 6 und Verdampfer 7 einer Abscheideflasche 8 zugeführt, das überschüssige Wasser 10 wird mit einer Pumpe 11 und der zugehörigen Regelarmatur 12 dem Wassertank 2 rückgeführt. Der Sattdampf wird über den Überhitzer 9 leicht überhitzt und der Wasserdampf 15 der Regelarmatur 16 zugeführt und in die Drallkammer der Figure 5 shows a water tank 1 from which water is fed with a pump 3 via a control valve 4 to a preheater 6 and evaporator 7 to a separation bottle 8; the excess water 10 is returned to the water tank 2 with a pump 11 and the associated control valve 12. The saturated steam is slightly overheated by the superheater 9 and the steam 15 is fed to the control valve 16 and into the swirl chamber of the
; Elektronenanregung. 63, mit den Elektronenstrahlkathoden 64 eingeleitet. Von der Elektronenanregungskammer wird der hochangeregte Wasserdampf in den Drallraum 19 der Entspannungsdüse 20,21 eingebleitet. In der Düse wird der Wasserdampf 15 beschleunigt und auf den Düsenenddruck entspannt. Der Düsenenddruck wird durch das Vakuumgebläse 25 mit dem zugehörigen Regelarmatur 26 in der Vakuumkammer 23 eingestellt. Die Entspannungsdüse 21 wird durch Magnetwicklungen 20 umgeben, die in Segmenten unterteilt sind. Diese Segmente ermöglichen so über den Verlauf des Expansionskanales die Erzeugung eines gepulsten variablen Magnetfeldes und so die Erzeugung eines Plasmas innerhalb der Düse. Das so erzeugte Gas- und Dampfgemisch aus Sauerstoff (02) 24, Wasserstoff (H2) und Wasserdampf (H20) wird in die Vakuumkammer 23 eingeleitet, das Kondensat über die Pumpe abgesaugt und das Gasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff 24 dem Verdichter 28 zugeführt. Das verdichte Gasgemisch 30 wird über die Regelarmatur 36 der Druckwechseladsorption 32 zugeführt, die das Gasgemisch in den Gasstrom Wasserstoff (H2) 31 und Gasstrom Sauerstoff (02) 33 auftrennt. ; Electron excitation. 63, initiated with the electron beam cathodes 64. The highly excited water vapor is introduced from the electron excitation chamber into the swirl chamber 19 of the expansion nozzle 20, 21. The steam 15 is accelerated in the nozzle and relaxed to the nozzle end pressure. The nozzle end pressure is set by the vacuum fan 25 with the associated control valve 26 in the vacuum chamber 23. The expansion nozzle 21 is surrounded by magnetic windings 20 which are divided into segments. These segments thus enable the generation of a pulsed variable magnetic field over the course of the expansion channel and thus the generation of a plasma within the nozzle. The gas and vapor mixture of oxygen (02) 24, hydrogen (H2) and water vapor (H20) generated in this way is introduced into the vacuum chamber 23, the condensate is sucked off by the pump and the gas mixture of hydrogen and oxygen 24 is fed to the compressor 28. The compressed gas mixture 30 is fed via the control valve 36 to the pressure swing adsorption 32, which separates the gas mixture into the gas flow hydrogen (H2) 31 and gas flow oxygen (02) 33.
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Die Abbildung 5 zeigt zudem einen Tank für Kohlendioxid 38 von dem Kohlendioxid 37 mit einer Turbine 39 über ein Regelarmatur 43 einem Verdampfer 41 zugeführt und verdampft. Der Kohlendioxiddampf 42 wird in eine Dralikammer der Elektronenanregungskammer 60 eingeleitet. Von der Elektronenanregungskammer 60,62 wird der hochangeregte Kohlendioxiddampf in den Drallraum der Entspannungsdüse 45,47 eingeleitet. In der Entspannungsdüse wird der Kohlendioxiddampf 42 beschleunigt und auf den Düsenenddruck entspannt. Der Düsenenddruck wird durch das Vakuumgebläse 51 mit dem _ zugehörigen Regelarmatur 52 in der Vakuumkammer 49 eingestellt. Die Entspannungsdüse 47 wird durch serielle Magnetwicklungen umgeben, die in Segmenten unterteilt sind. Diese Segmente ermöglichen so über den Verlauf des Expansionskanales die Erzeugung eines gepulsten variablen Magnetfeldes und ermöglichen so die Erzeugung eines Plasmas innerhalb der Entspannungsdüse 47. Das so erzeugte umgruppierte Gas und Dampfgemisch aus Sauerstoff, Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid 50 wird in die Vakuumkammer 49, die mit einer Kühlschlage 46 gekühlt wird, eingeleitet. Das Gasgemisch aus Kohlenmonoxid (CO) und Sauerstoff (O2) 50 dem Verdichter 54 zugeführt. Das verdichtete Gasgemisch 55 wird über die Regelarmatur 56 der Druckwechseladsorption 58 zugeführt, die das Gasgemisch in einen Gasstrom Kohlenmonoxid (CO} 59 und Gasstrom Sauerstoff (02) 57 auftrennt. Der Verdichter 54 wird über eine Turbine 39 angetrieben. Ergänzend wird der Verdichter 54 über einen elektrischen Motor 40 angetrieben. FIG. 5 also shows a tank for carbon dioxide 38 from which carbon dioxide 37 is fed to an evaporator 41 with a turbine 39 via a control valve 43 and is evaporated. The carbon dioxide vapor 42 is introduced into a swirl chamber of the electron excitation chamber 60. The highly excited carbon dioxide vapor is introduced from the electron excitation chamber 60, 62 into the swirl space of the expansion nozzle 45, 47. In the expansion nozzle, the carbon dioxide vapor 42 is accelerated and expanded to the nozzle end pressure. The nozzle end pressure is set by the vacuum blower 51 with the associated control valve 52 in the vacuum chamber 49. The expansion nozzle 47 is surrounded by series magnetic windings which are divided into segments. These segments thus enable a pulsed variable magnetic field to be generated over the course of the expansion channel and thus enable a plasma to be generated within the expansion nozzle 47. The regrouped gas and vapor mixture of oxygen, carbon monoxide (CO) and carbon dioxide 50 thus generated is transferred into the vacuum chamber 49, which is cooled with a cooling shock 46, initiated. The gas mixture of carbon monoxide (CO) and oxygen (O2) 50 is fed to the compressor 54. The compressed gas mixture 55 is fed via the control valve 56 to the pressure swing adsorption 58, which separates the gas mixture into a gas flow carbon monoxide (CO} 59 and gas flow oxygen (O2) 57. The compressor 54 is driven by a turbine 39. In addition, the compressor 54 is driven by an electric motor 40 is driven.
Das Wasserstoffgas 31 wird über die Regelarmatur 65 , das Kohlenmonoxid 59 wird über die Regelarmatur 62 einer Mischkammer 67 zugeführt und das so erzeugte synthetische Gasgemisch einem Wärmetauscher 68 zugeführt, dann einem ersten Verdichter 69 mit einem zugehörigem Rückkühler 70 und einer zweiten Verdichter 71 mit einem zugehörigen Kondensator 72, in dem das Kohlendioxid verflüssigt vom synthetischen Gas 73 abgeschieden wird. Das flüssige Kohlendioxid wird mit der Pumpe 74 und der zugehörigen Regelarmatur 75 dem Kohlendioxidtank 38 rückgeführt. The hydrogen gas 31 is supplied via the control valve 65, the carbon monoxide 59 is supplied via the control valve 62 to a mixing chamber 67 and the synthetic gas mixture thus generated is supplied to a heat exchanger 68, then a first compressor 69 with an associated recooler 70 and a second compressor 71 with an associated Condenser 72 in which the liquefied carbon dioxide is separated from the synthetic gas 73. The liquid carbon dioxide is returned to the carbon dioxide tank 38 with the pump 74 and the associated control valve 75.
Abbildung 6 Figure 6
Die Abbildung 6 zeigt eine mögliche Anordnung der Expansionsdüsen am Umfang der Vakuumkammer 22,48. Die Expansionsdüsen 21, 47 sind so am Umfang angeordnet, dass die Gasströmung in Rotation versetzt wird, sodass das Wasserkondensat über die Pumpe 34 abgesaugt werden kann. Figure 6 shows a possible arrangement of the expansion nozzles on the circumference of the vacuum chamber 22, 48. The expansion nozzles 21, 47 are arranged on the circumference in such a way that the gas flow is set in rotation so that the water condensate can be sucked off via the pump 34.
Abbildung 7 Figure 7
Die Abbildung 7 zeigt eine mögliche Bauform der Elektronenanregungskammer 60,63. Der Dampf wird tangential in eine Drallkammer eingedüst. Der sich nun rotatorisch bewegende Dampf wird nun der Elektronenstrahlung 62,64 ausgesetzt, wobei der Elektronenstrahl am Umfang durch Magnete umgelenkt wird und in die Kammer rückgeführt wird. In der Abbildung sind drei Kammern mit Elektronenanregung als mögliche Konfiguration dargestellt. Figure 7 shows one possible design of the electron excitation chamber 60, 63. The steam is injected tangentially into a swirl chamber. The steam, which is now moving in a rotary manner, is now exposed to electron beams 62, 64, the electron beam being deflected around the periphery by magnets and being returned to the chamber. In the figure three chambers with electron excitation are shown as a possible configuration.
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Priority Applications (1)
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| ATA142/2019A AT522537A1 (en) | 2019-04-24 | 2019-04-24 | Dissociation of carbon dioxide and water vapor with the help of plasma and electron excitation to generate a synthetic gas |
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| ATA142/2019A AT522537A1 (en) | 2019-04-24 | 2019-04-24 | Dissociation of carbon dioxide and water vapor with the help of plasma and electron excitation to generate a synthetic gas |
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ID=73149531
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| ATA142/2019A AT522537A1 (en) | 2019-04-24 | 2019-04-24 | Dissociation of carbon dioxide and water vapor with the help of plasma and electron excitation to generate a synthetic gas |
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|---|---|
| AT (1) | AT522537A1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008148504A2 (en) * | 2007-06-04 | 2008-12-11 | Conpower Energieanlagen Gmbh & Co Kg | Method for the isolation of hydrogen by means of a dissociation process, and dissociating apparatus |
| DE102010056421A1 (en) * | 2010-12-23 | 2012-06-28 | Bpg Beteiligungs Gmbh | Thermal dissociation of a pure gaseous substance, comprises converting the pure gaseous substance by input of energy from renewable energy sources into storable dissociation products and/or storable derived products |
| WO2014165162A1 (en) * | 2013-03-12 | 2014-10-09 | Powerdyne, Inc. | Systems and methods for producing fuel from parallel processed syngas |
-
2019
- 2019-04-24 AT ATA142/2019A patent/AT522537A1/en not_active Application Discontinuation
Patent Citations (3)
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| WO2008148504A2 (en) * | 2007-06-04 | 2008-12-11 | Conpower Energieanlagen Gmbh & Co Kg | Method for the isolation of hydrogen by means of a dissociation process, and dissociating apparatus |
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| WO2014165162A1 (en) * | 2013-03-12 | 2014-10-09 | Powerdyne, Inc. | Systems and methods for producing fuel from parallel processed syngas |
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