DE19823748C2 - Verfahren und Vorrichtung zur plasmachemischen Erzeugung von Stickstoffmonoxid - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur plasmachemischen Erzeugung von StickstoffmonoxidInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur plasmachemischen
Erzeugung von Stickstoffmonoxid (NO), insbesondere für medi
zinische Zwecke. Sie bezieht sich des weiteren auf eine Vor
richtung zur plasmachemischen Erzeugung von NO.
Stickstoffmonoxid ist ein biologisch wichtiges Molekül für
die inner- und interzelluläre Reizleitung und für immunologi
sche Reaktionen, das normalerweise auch im menschlichen Kör
per gebildet wird. Die Entspannung von Blutgefäßen wird von
NO ebenso beeinflußt wie die Entspannung der Alveolen oder
der glatten Muskulatur im gastrischen Bereich. Ein Mangel an
NO kann umgekehrt dazu führen, daß die Relaxation der glatten
Muskulatur unterbleibt und damit Konstriktionen auftreten.
Eine solche Konstriktion äußert sich beispielsweise im bron
chialen Bereich in Form von Asthma. Viele dieser Symptome
lassen sich bekanntermaßen durch Inhalation NO-haltiger Gas
gemische mit NO-Konzentrationen im Bereich 0,5 ppm bis
200 ppm beheben.
Bisher wird ein derartiges NO-haltiges Inhalationsgas aus
Gasflaschen bereitgestellt, deren Lagerung und Handhabung in
einer Klinik oder einer anderen Therapieeinrichtung aufgrund
der erforderlichen Sicherheitsmaßnahmen aufwendig ist. Dies
gilt insbesondere für eine mobile Vorrichtung. Zudem muß die
Qualität des gelagerten Gases für medizinische Anwendungen
hohen Anforderungen genügen, die den Aufwand für Herstellung
und Lagerung weiter erhöhen. Schon eine geringe Verunreini
gung des Gases führt nämlich zur Bildung unerwünschter - und
eventuell giftiger - Nebenprodukte.
Aus der WO 95/07610 A ist ein Verfahren zur plasmachemischen
Erzeugung von NO bekannt, bei dem NO unter Einwirkung einer
Glimmentladung in einem Stickstoff (N2) und Sauerstoff (O2)
enthaltenden Betriebsgas erzeugt wird. Die Glimmentladung
wird dabei kontinuierlich betrieben. Eine Gasentladung der
beschriebenen Art führt in nachteiliger Weise nur zu einer
vergleichsweise geringen Aufheizung des Betriebsgases auf
eine Temperatur, die in der Größenordnung von 200°C liegt.
Bei dieser vergleichsweise niedrigen Temperatur läßt sich NO
in einem Gasgemisch nur mit einer geringen Effizienz erzeu
gen. Vielmehr wird bevorzugt das für Inhalationszwecke uner
wünschte NO2 erzeugt. Um das NO2 aus dem Inhalationsgas zu
entfernen, ist der Einsatz einer aufwendigen Absorbertechnik
erforderlich. Der Nachteil eines Absorbers liegt insbesondere
darin, daß das Absorbermaterial häufig ausgetauscht oder wie
deraufbereitet werden muß.
Ein weiteres Verfahren dieser Art ist aus der US 5 396 882 A
bekannt. Anstelle der Glimmentladung wird hier das Plasma
mittels einer Funkenentladung (oder auch Lichtbogenentladung)
erzeugt. Die im Vergleich zu einer Glimmentladung energierei
che Funkenentladung bewirkt eine vergleichsweise starke Gas
aufheizung, wodurch eine entsprechend effiziente NO-Erzeugung
erzielt wird. Die insbesondere am Ansatzpunkt des Funkens
hohe thermische Belastung der Elektroden führt jedoch in
nachteiliger Weise zu einer starken Elektrodenerosion, d. h.
einer fortschreitenden Zersetzung des Elektrodenmaterials.
Aufgrund dieser Elektrodenerosion ist das bekannte Verfahren
einerseits wartungsintensiv, da die Elektroden sehr ver
schleißanfällig sind. Andererseits muß verhindert werden, daß
das im Inhalationsgas feinverteilte erodierte Elektrodenmate
rial in die Atmungswege eines Patienten gelangt. Dies erfor
dert eine aufwendige Reinigung des Inhalationsgases.
Als weitere Alternativen zur Glimm- oder Funkenentladung sind
vom Stand der Technik auch andere nichtthermische Gasent
ladungen, beispielsweise dielektrisch behinderte Entladungen,
bekannt. In der DE-O 438 309 C wird beispielsweise eine Ein
richtung zur Ausführung von chemischen Reaktionen mit Hilfe
von Hochspannungsströmen unter Verwendung von mit Halbleitern
beschichteten äußeren Elektroden und einem dünnen Draht als
innerer Elektrode - auch Sprühelektrode genannt - beschrie
ben, bei dem dem Reaktionsgemisch zusätzlich Hilfsstoffe zur
Erzielung einer katalytischen Wirkung beigegeben werden. Zur
Erzeugung von reinem Stickstoffmonoxid ist diese Einrichtung
allerdings nicht geeignet: Sprühelektroden treiben niedrige
Stromdichten und sind deshalb nicht für die Einkopplung aus
reichend hoher elektrischer Leistungen für die NO-Erzeugung
geeignet, und der Zusatz eines Katalysators zum Reaktionsgas
gemisch muß für medizinische Anwendungen prinzipiell als
bedenklich angesehen werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbes
sertes Verfahren zur plasmachemischen Erzeugung von NO anzu
geben. Darüber hinaus soll eine Vorrichtung angegeben werden,
mit welcher das Verfahren besonders effektiv durchführbar
ist.
Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß
gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Gemäß der
Erfindung wird ein Stickstoff (N2) und Sauerstoff (O2) ent
haltendes Betriebsgas durch eine Entladungszone geleitet,
innerhalb derer eine dielektrisch behinderte Gasentladung -
auch Barrierenentladung genannt - herbeigeführt wird. Die
dielektrisch behinderte Gasentladung führt zu eine Ionisation
von Gasmolekülen und somit zur Bildung reaktiver Radikale in
einem sogenannten nicht-thermischen Plasma. Die Gasentladung
und somit die Plasmaerzeugung finden bei einer erhöhten Gas
temperatur von mindestens 400°C statt.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß sich
eine Elektrodenerosion wirksam vermeiden läßt, wenn die Ga
sentladung nicht kontinuierlich, sondern in kurzzeitigen Ent
ladungspulsen betrieben wird. Dazu eignet sich die sogenannte
dielektrisch behinderte Entladung im besonderen Maße, da sich
eine solche prinzipiell in einer Serie von kurzen Entladungs
pulsen vollzieht. Eine mittels einer Pulsverkürzung der
Entladungsspannung hervorgerufene gepulste Gasentladung wäre
schon deshalb zur Lösung der Aufgabe unzweckmäßig, weil dazu
eine technisch aufwendige - und daher teuere - Spannungsver
sorgung benötigt würde. Die zum Betrieb einer dielektrisch
behinderten Entladung benötigte Spannungsversorgung ist
dagegen einfach und kostengünstig zu realisieren. Bei einer
vergleichsweise erhöhten Temperatur von mindestens 400°C bis
800°C läuft dabei die NO-Erzeugung genügend effizient ab,
während gleichzeitig unerwünschte mehrfach oxidierte Stick
oxide, insbesondere NO2, nur in geringem Maße erzeugt werden.
Versuche haben ergeben, daß ein Temperaturbereich von 600°C
bis 800°C in der Gasentladung besonders günstig für die
plasma-induzierte NO-Erzeugung ist. Insbesondere wird mittels
der Begrenzung der Temperatur auf weniger als 800°C die
Schädigung des Elektrodenmaterials (Elektrodenerosion) durch
thermisch gebildete Sauerstoff-Radikale unterdrückt.
Um die infolge der Gasentladung noch in geringen Mengen ent
standenen mehrfach oxidierten Stickoxide wirkungsvoll aus dem
mit NO angereicherten Betriebsgas zu entfernen, werden diese
in einem bevorzugt vorgesehenen Verfahrensschritt katalytisch
reduziert. Als vorteilhaft hat sich dabei eine Gastemperatur
bis zu 600°C während der Reduktion erwiesen. Aufgrund der
Reduktion der mehrfach oxidierten Stickoxide kann die Ver
wendung häufig auszutauschender Absorbermaterialien auf ein
geringes Maß beschränkt werden.
Vorteilhafterweise wird mittels der Gasentladung und ggf. der
dieser nachgeschalteten Reduktion eine hohe NO-Konzentration
im Betriebsgas erzeugt, die ≧ 1000 ppm beträgt und somit die
für medizinische Anwendungen verträgliche NO-Konzentration
von bis zu 200 ppm um ein Mehrfaches übersteigt. Die hochkon
zentrierte NO-Erzeugung läuft mit einem besonders hohen Wir
kungsgrad ab und ist somit energiesparend. Zur Erreichung ei
ner medizinisch verträglichen NO-Konzentration im Betriebsgas
wird das mit NO hochangereicherte Betriebsgas mit unbehandel
ten - und somit an NO armen - Betriebsgas rückverdünnt. Durch
die Zumischung des unbehandelten Betriebsgases erfolgt des
weiteren eine Kühlung des hochangereicherten Betriebsgases.
Dies verbessert zusätzlich die Wirtschaftlichkeit des Verfah
rens, zumal auf die Weise Energie für die ohnehin nötige
Kühlung des Betriebsgases vor dessen Auslieferung an einem
Patienten eingespart wird.
Zweckmäßigerweise wird zumindest ein Teil der überschüssigen
Wärme des infolge der Gasentladung angereicherten Betriebsga
ses zur Vorheizung des noch unbehandelten Betriebsgases zu
rückgewonnen. Dies verringert die Betriebskosten für die oh
nehin nötige Kühlung des aus der Entladungszone abströmenden
Betriebsgases. Infolge der erzielten Kühlung werden zudem un
erwünschte Folgereaktionen, wie beispielsweise die Rückbil
dung von NO2, im Betriebsgas weitgehend unterdrückt.
Als Betriebsgas wird zweckmäßigerweise Luft verwendet. Eine
aufwendige Handhabung von Gasflaschen oder ähnlichen Aufbe
wahrungsmitteln entfällt dadurch. Dies ist insbesondere von
Vorteil bei einem mobilen Einsatz des Verfahrens. Alternativ
dazu ist der Einsatz von sogenannter synthetischer Luft
zweckmäßig, insbesondere für eine stationäre Durchführung des
Verfahrens im klinischen Bereich. Darunter versteht man eine
Mischung aus jeweils als Reingas vorliegendem Stickstoff und
Sauerstoff. In dieser Ausführung kann die Zusammensetzung des
Betriebsgases je nach Anforderung variiert werden. Da synthe
tische Luft frei von Verunreinigungen und Schadstoffen ist,
kann zu dem eine Filterung und Reinigung des Betriebsgases
vor der Durchführung des Verfahrens entfallen.
Die NO-Erzeugung wird vorteilhafterweise anhand des Volumen
stroms des Betriebsgases, der Gastemperatur und/oder der Ent
ladungsspannung als Einstellparameter geregelt. Die Einstell
parameter können dabei alternativ oder gleichzeitig zur Rege
lung der NO-Erzeugung herangezogen werden. Insbesondere bei
gleichzeitiger Regelung der NO-Erzeugung über mehrere Ein
stellparameter kann das Verfahren vorteilhafterweise hin
sichtlich des Energieverbrauchs und der Erzeugung unerwünsch
ter Nebenprodukte optimiert werden. Als Meßgrößen für die Re
gelung werden dabei die Gastemperatur, der Gasdruck und zu
mindest die NO-Konzentration herangezogen. Des weiteren
werden bevorzugt die Konzentrationen an O2 und NO2 ermittelt.
Die Regelung erfolgt mittels vorgegebener Kennlinien, die den
Zusammenhang zwischen den Meßgrößen und den Einstellgrößen
herstellen. Die Meßgrößen werden vorteilhafterweise im
rückverdünnten Betriebsgas ermittelt, das als Endprodukt an
einen Patienten ausgeliefert wird. Auf diese Weise kann die
einwandfreie Durchführung des Verfahrens anhand der Meßgrößen
besonders zuverlässig kontrolliert werden. Ein Überschreiten
vorgegebener kritischer Grenzwerte für die Meßgrößen, insbe
sondere die Konzentrationen, wird vorzugsweise unmittelbar
angezeigt, so daß die weitere NO-Erzeugung ggf. gestoppt wer
den kann.
Bezüglich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß
gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 10. Dabei ist
zur Erzeugung von Stickstoffmonoxid ein von einem Stickstoff
und Sauerstoff enthaltenden Betriebsgas durchströmter plasma
chemischer Reaktor vorgesehen, dem in Strömungsrichtung des
Betriebsgases ein katalytischer Konverter zur Reduktion mehr
fach oxidierter Stickoxide nachgeschaltet ist, wobei der
Reaktor zur Erzeugung einer dielektrisch behinderten Ent
ladung eine Elektrode umfaßt und eine dieser mit Abstand
gegenüberstehende Gegenelektrode, zwischen deren einander
zugewandten Flächen ein vom Betriebsgas durchströmter Ent
ladungsspalt gebildet ist. Die dem Entladungsspalt zugewandte
Fläche der Elektrode ist dabei mit einer dielektrischen
Barriere, d. h. mit einer Schicht aus einem dielektrisch
wirksamen Material, versehen.
Bei der Erfindung ist der Entladungsspalt vorteilhafterweise
zur Bildung von Entladungszonen in Strömungsrichtung alter
nierend verengt ausgebildet. Auf diese Weise wird der Ent
ladungsspalt längs der Strömungsrichtung in Zonen mit hohem
elektrischen Feld zur Radikalerzeugung und in Zonen mit
niedrigem elektrischen Feld zur ungestörten Reaktion der
Radikale mit dem Betriebsgas unterteilt. Mittels einer derar
tigen Strukturierung des Entladungsspaltes wird die Effizienz
des Reaktors entscheidend erhöht. Gleichzeitig erlaubt sie
anders als drahtförmige Sprühelektroden oder konventionelle
zylindrische Elektroden die Einkopplung hoher elektrischer
Leistungen, ohne daß sich die Entladung unkontrolliert ver
hält und auf wenige, dann extrem hoch belastete Stellen im
Reaktor zusammenzieht. Damit erfüllt die Gasentladung den
Zweck, die Gastemperatur kontrolliert zu erhöhen.
Vorzugsweise nimmt bei den Entladungszonen die Schlagweite,
d. h. die Breite des Entladungsspaltes im Bereich einer jeden
Entladungszone in Strömungsrichtung von Entladungszone zu
Entladungszone zu. Damit wird erreicht, daß trotz der suk
zessiven Gasaufheizung entlang des Reaktors und der sich
somit ändernden Plasmabedingungen in jeder Entladungszone
stets die gleiche Leistung in das Betriebsgas eingekoppelt
wird.
Wird in vorteilhafter Ausgestaltung der Konverter in Strö
mungsrichtung unmittelbar an den Reaktor angesetzt, so wird
eine Abkühlung des Betriebsgases zwischen dem Reaktor und dem
Konverter vermieden. Die Wärme des infolge der Gasentladung
aufgeheizten Betriebsgases wird somit effizient zur Beschleu
nigung der im Konverter stattfindenden chemischen Reduktion
genutzt. Weitere Energie zur Aufheizung und der nachfolgenden
Kühlung des Betriebsgases wird zweckmäßigerweise dadurch
eingespart, das mittels eines Wärmetauschers das dem Reaktor
zuströmende Betriebsgas unter Rückgewinnung der Wärme des aus
dem Reaktor abströmenden Betriebsgases vorgeheizt wird. In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist dabei der
Konverter integral als Wärmetauscher ausgebildet.
Zur Optimierung der Vorrichtung hinsichtlich ihres Energie
verbrauchs trägt außerdem eine dem Reaktor und dem Konverter
parallelgeschaltete Zweigleitung bei, über welche unbehandel
tes Betriebsgas am Reaktor und am Konverter vorbeigeleitet
wird. Der Reaktor und der Konverter können somit mit einem
besonders hohen Wirkungsgrad betrieben werden, wobei das den
Reaktor und den Konverter durchströmende Betriebsgas mit NO
hochangereichert wird. Über die Zweigleitung wird dieses
hochangereicherte Betriebsgas auf die gewünschte NO-Konzen
tration rückverdünnt, wodurch gleichzeitig eine energiespa
rende Kühlung des hochangereicherten Betriebsgases erzielt
wird.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson
dere darin, daß mittels eines plasmachemischen Reaktors zur
Erzeugung einer dielektrisch behinderten Entladung Stick
stoffmonoxid in einem Stickstoff und Sauerstoff enthaltenden
Betriebsgas besonders effektiv erzeugt werden kann. Der an
sich aus der WO 97/03746 bekannte Reaktor wird jedoch nicht
entsprechend der dortigen Verwendung zur Zersetzung von NO
und NO2, sondern vielmehr zur Erzeugung von reinem Stick
stoffmonoxid eingesetzt. Die Erfindung ist daher vorteil
hafterweise für medizinische Zwecke geeignet.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Vorrichtung anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Darin
zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zur Erzeugung von Stick
stoffmonoxid in einer für die Verwendung von Luft als
Betriebsgas vorgesehenen Ausführungsform,
Fig. 2 für die Verwendung von synthetischer Luft als Be
triebsgas vorgesehene Ausführungsform der Vorrichtung
gemäß Fig. 1, und
Fig. 3 einen plasmachemischen Reaktor mit einem an diesem
angesetzten katalytischen Konverter.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung 1 wird von einer
Pumpe 2 mit einem einstellbaren Volumenstrom angesaugte Luft
als Betriebsgas B zunächst durch einen Einlaßfilter 3 gelei
tet, in welchem Verunreinigungspartikel - wie z. B. Ruß oder
Staub entfernt werden. Des weiteren findet im Einlaßfilter 3
vorzugsweise eine Trocknung des Betriebsgases B statt. Das
gereinigte und getrocknete Betriebsgas B wird mittels der
Pumpe 2 entlang der Strömungsrichtung S über einen Wärmetau
scher 4 einem plasmachemischen Reaktor 5 zugeführt.
Der Reaktor 5 beinhaltet eine gasdurchströmte Elektrodenan
ordnung 6, die aus einem Hochspannungsnetzteil 7 mit einer
einstellbaren Entladungsspannung U versorgt wird. Als Entla
dungsspannung U wird eine periodische Wechselspannung mit ei
ner Frequenz zwischen 1 kHz und 100 kHz und sinusförmigem oder
gepulstem Zeitverlauf verwendet. Die mittlere Entladungslei
stung wird dabei über die Amplitude und/oder die Frequenz der
Entladungsspannung U eingestellt. Innerhalb der Elektroden
anordnung 6 wird durch die geregelte Zufuhr elektrischer
Energie eine nicht-thermische, räumlich eng begrenzte Gasent
ladung betrieben, die im Betriebsgas B vornehmlich Stick
stoffradikale erzeugt und das Betriebsgas B dabei gleichzei
tig auf eine Gastemperatur T1 zwischen 600°C und 800°C auf
heizt. Bei Bedarf kann die Aufheizung des Betriebsgases B
zusätzlich in einem der Elektrodenanordnung 6 vorgeschalteten
Heizaggregat 8 erfolgen. Dieses Heizaggregat 8 ist bevorzugt
als thermostatisch geregelte Heizspule ausgeführt.
In dem genannten Temperaturintervall reagiert ein durch die
Gasentladung gebildetes Stickstoff-Radikal sehr effizient mit
einem Sauerstoffmolekül (O2) unter Bildung von NO. Eine Ab
baureaktion des NO mit einem Sauerstoff-Radikal unter NO2-
Bildung findet dabei infolge der vergleichsweise hohen
Gastemperatur T1 nur in einem geringen Maß statt. Die obere
Grenztemperatur für die Gasentladung ist gemäß T1 ≦ 800°C
derart gewählt, daß eine thermische NO-Erzeugung vermieden
wird. Eine solche thermische NO-Erzeugung ist infolge der Be
teiligung von Sauerstoff-Radikalen mit einer extremen Bela
stung des Reaktormaterials verbunden.
Dem Reaktor 5 ist ein katalytischer Konverter 9 nachgeschal
tet. Mittels des Konverters 9 werden als Nebenprodukt der
Gasentladung gebildete mehrfach oxidierte Stickoxide, insbe
sondere NO2 und N2O5, zu NO reduziert. Als geeignetes Kataly
satormaterial ist aus der JP 096-304377 beispielsweise MO2C
mit 1-2% Ni bekannt. Diese chemische Reduktion läuft beson
ders effizient bei einer Gastemperatur T2 von bis zu 600°C
ab. Der Konverter 9 ist deshalb in räumlicher Nähe zum Reak
tor 5 angeordnet, um eine Abkühlung des Betriebsgases B zwi
schen dem Reaktor 5 und dem Konverter 9 zu vermeiden. Das dem
Konverter 9 entströmende heiße Betriebsgas B wird durch den
Wärmetauscher 4 geleitet, in dem ein Teil seiner Wärme zur
Vorheizung des dem Reaktor 5 zuströmenden unbehandelten Be
triebsgases B zurückgewonnen wird. Das vom Reaktor 5 abströ
mende Betriebsgas B wird nach Durchlaufen des Wärmetau
schers 4 in einem bevorzugt mit einem Thermostat versehenen
Kühler 10 auf eine einstellbare Temperatur T3 abgekühlt.
Mittels des Reaktors 5 und des Konverters 9 wird das Be
triebsgas B auf eine hohe NO-Konzentration C* No angereichert,
welche die für eine medizinische Anwendung geforderten Werte
(< 200 ppm) um ein Mehrfaches übersteigt. Daher ist eine den
Reaktor 5 und den Konverter 9 überbrückende Zweigleitung 11
vorgesehen, über die das hochangereicherte Betriebsgas B
durch Zumischung von unbehandeltem Betriebsgas B bezüglich
des NO-Gehalts rückverdünnt wird. Infolge der Zumischung des
unbehandelten und somit kalten Betriebsgases B ist gleich
zeitig das rückverdünnte Betriebsgas B bezüglich des hochan
gereicherten Betriebsgases B weiter abgekühlt. Zur Einstel
lung eines definierten Zumischungsanteils ist die Zweiglei
tung 11 mit einem Massenflußregler 12 versehen. Als kosten
günstige Alternative zu diesem Massenflußregler 12 kann auch
ein manuell zu betätigendes Ventil vorgesehen sein.
Über ein in Strömungsrichtung S öffnendes Rückschlagventil 13
strömt das rückverdünnte Betriebsgas B in eine vorzugsweise
flexible Leitung 14, welche die Vorrichtung 1 mit einer
Schnittstelle zu einem Patienten (z. B. einer Atemmaske oder
ein Sauerstoffzelt) verbindet. In einem in der Leitung 14 an
geordneten T-Stück 15 besteht die Möglichkeit, das rückver
dünnte Betriebsgas B durch Zumischung von Luft, Sauerstoff,
etc. über eine Zuleitung 16 weiter zu konditionieren. Ein
stromabwärts des T-Stücks angeordneter Auslaßfilter 17 ver
hindert, daß durch Reaktion von NO mit O2 inzwischen gebilde
tes NO2 zum Patienten gelangt. Dieser Filter kann bekannte
NO2-Absorber wie noXon®, Atemkalk, Sodalime© oder Sodasorb©
enthalten. Das mittels des Auslaßfilters 17 gereinigte Be
triebsgas B wird dem Patienten als Inhalationsgas zugeführt.
Dem Rückschlagventil 13 ist ein von dem rückverdünnten Be
triebsgas B umspülter Prüfkopf 18 vorgeordnet, der dieses
fortlaufend kontrolliert. Der Prüfkopf 18 ist dazu mit Senso
ren zur Messung einer der Temperatur T4, des Drucks p und der
Konzentrationen Ci von NO, O2 und NO2 des rückverdünnten Be
triebsgases B ausgestattet. Zur Konzentrationsmessung sind
bevorzugt elektrochemische Sensoren vorgesehen, wie sie bei
spielsweise bei der Rauchgasanalyse üblich sind. Alternativ
dazu können auch Chemolumineszenz-Sensoren verwendet werden.
Die vom Prüfkopf 18 ermittelten Temperatur-, Druck- und Kon
zentrationsdaten T4, p, Ci werden als Meßgrößen einer zentralen
Regeleinheit 19 zugeführt. Die Regeleinheit 19, die bevorzugt
als elektronische Datenverarbeitungsanlage ausgeführt ist,
ist über eine Steuerleitung 20 mit der Pumpe 2, dem Hochspan
nungsnetzteil 7, dem Heizaggregat 8, dem Kühler 10 sowie dem
Massenflußregler 12 verbunden. Anhand vorgegebener Kennlinien
steuert die Regeleinheit 19 die genannten Geräte 2, 7, 8, 10, 12
derart, daß die gemessenen Ist-Werte der Meßgrößen T4, p, Ci
mit extern vorgegebenen Soll-Werten übereinstimmen. Bei einer
kritischen Abweichung des Ist-Wertes mindestens einer
Meßgröße T4, p, Ci von dessen Soll-Wert, beispielsweise infolge
eines Defekts der Vorrichtung 1, gibt die Regeleinheit 19 ein
Alarmsignal aus und stoppt ggf. die NO-Erzeugung.
Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung 1
ist abweichend von der Ausführungsform gemäß Fig. 1, die ins
besondere für den mobilen Einsatz geeignet ist, für die Ver
wendung von sogenannter synthetischer Luft oder eines anderen
Stickstoff-Sauerstoff-Gemisches als Betriebsgas B vorgesehen.
Der Begriff "synthetische Luft" bezeichnet in diesem Zusam
menhang ein Gemisch aus reinem Sauerstoff O2 und reinem
Stickstoff N2 im Verhältnis 2 : 8 (Volumenverhältnis). Zumal
beide Gaskomponenten aus Gasflaschen bereitgestellt werden
müssen, ist diese Ausführungsform der Vorrichtung 1 in erster
Linie für den stationären Einsatz z. B. im klinischen Bereich
geeignet.
Bei Verwendung synthetischer Luft entfallen die Pumpe 2 und
der Einlaßfilter 3 gemäß Fig. 1. Statt dessen werden die bei
den Gaskomponenten über zwei getrennte Zuleitungen 21 und 22
in einer Mischungskammer 23 zusammengeführt und gleichmäßig
durchmischt. Das Mischungsverhältnis des Betriebsgases B so
wie dessen Volumenstrom kann dabei über einen in jeder Zulei
tung 21, 22 positionierten Massenflußregler 24 bzw. 25 einge
stellt werden. Die Massenflußregler 24 und 25 werden dabei
ebenfalls über die Steuerleitung 20 von der zentralen Re
geleinheit 19 angesteuert. Jedem Massenflußregler 24, 25 ist
dabei ein Kontrollventil 26 bzw. 27 vorgeschaltet. Zumal die
Sauerstoffkonzentration vom Sauerstoffsensor im Prüfkopf 18
gemessen und an die Regeleinheit 19 gemeldet wird, läßt sich
eine Fehlfunktion der Massenflußregler 24, 25 sofort aufdec
ken.
Der übrige Aufbau der Vorrichtung 1 entspricht dem Ausfüh
rungsbeispiel gemäß Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des plasmachemi
schen Reaktors 5 und des katalytischen Konverters 9, gemäß
der der Konverter 9 direkt an den Reaktor 5 angesetzt ist.
Der Reaktor 5 und der Konverter 9 weisen dabei eine im we
sentlichen hohlzylindrische Form auf und sind koaxial bezüg
lich einer Längsachse L angeordnet.
Die Elektrodenanordnung 6 gemäß den Fig. 1 und 2 ist durch
eine Elektrode 30 und eine Gegenelektrode 31 gebildet. Die
als hohlzylindrische Wand des Reaktors 5 ausgebildete Elek
trode 30 ist dabei innenseitig mit einer dielektrischen
Schicht als Barriere 32 versehen. Als Material für die Bar
riere 32 wird dabei vorzugsweise Quarzglas oder eine dicht
gesinterte Aluminiumoxid-Keramik verwendet. Die im wesentli
chen hohlzylindrische Gegenelektrode 31 ist dabei koaxial im
Inneren der Elektrode 30 geführt. Der zwischen der Bar
riere 32 und der Gegenelektrode 31 gebildete Ringraum wird
als Entladungsspalt 33 bezeichnet. Die Gegenelektrode 31
trägt auf ihrer Außenfläche eine Anzahl von ringscheibenför
migen Vorsprüngen 34, die senkrecht zur Längsachse L in den
Entladungsspalt 33 hineinragen. Die Vorsprünge 34 verengen
somit den Entladungsspalt 33 alternierend bezüglich der
Längsachse L.
Das Betriebsgas B wird dem Reaktor 5 über die hohle Gegene
lektrode 31 zugeführt. Die Gegenelektrode 31 ist zu diesem
Zweck an eine Rohrleitung 35 aus Edelstahl angeschlossen, die
fluchtend zur Gegenelektrode 31 den Konverter 9 über dessen
gesamte Länge durchzieht. Die Rohrleitung 35 und die Gegene
lektrode 31 sind dabei mittels einer Übergangshülse 36 aus
Isoliermaterial elektrisch voneinander getrennt. Das dem Re
aktor 5 zugeführte Betriebsgas B durchströmt somit zunächst
innerhalb der Rohrleitung 35 den Konverter 9 und wird dabei
von dem um die Rohrleitung 35 angeordneten Heizaggregat 8
vorerhitzt. Das vorerhitzte Betriebsgas B wird innerhalb der
Gegenelektrode 31 weitergeleitet und tritt aus dieser nahe
des durch eine Stirnwand 37 aus Isoliermaterial verschlosse
nen Freiendes des Reaktors 5 durch entsprechende Auslaßöff
nungen 38 in den Entladungsspalt 33 aus. Im Entladungs
spalt 33 strömt das Betriebsgas B in Richtung des Konver
ters 9 zurück, wobei es die von den Vorsprüngen 34 gebildeten
Verengungen passiert.
Infolge der über ein Koaxialkabel 39 an die Elektroden 30, 31
angelegten Entladungsspannung U bildet sich zwischen der in
den Entladungsspalt 33 hineinragenden Kante jedes Vor
sprungs 34 und einem radial gegenüberliegenden Bereich an der
Innenwand der Barriere 32 eine räumlich eng begrenzte Entla
dungszone 40 aus. Beim Passieren der Entladungszone 40 werden
Moleküle des Betriebsgases B ionisiert. Getrieben durch die
Entladungsspannung U entsteht infolge der Ionisierung ein
Stromfluß in der Entladungszone 40.
Da die dielektrische Barriere 32 eine schlechte elektrische
Leitfähigkeit aufweist, baut sich durch den Stromfluß lokal
eine Gegenspannung zwischen der Innenwand der Barriere 32 und
der Elektrode 30 auf. Dadurch wird nach kurzer Zeit an dieser
Stelle die für die Aufrechterhaltung der Gasentladung erfor
derliche Spannung unterschritten und weitere Einkopplung von
Energie unterbunden.
In der Gasentladung werden insbesondere Stickstoff-Radikale
erzeugt, die mit Sauerstoff zu NO reagieren. Die jeweils zwi
schen zwei Entladungszonen 40 liegenden Bereiche des Entla
dungsspalts 33 sind entladungsfrei. In diesen entladungs
freien Zonen vollzieht sich die radikalinduzierte Erzeugung
des NO ungestört von erneuten Ionisierungsprozessen.
Die Schlagweite W beträgt 2 bis 4 mm. Als Schlagweite W wird
hierbei der Abstand eines jeden Vorsprungs 34 zur Barriere 32
oder - anders ausgedrückt - die Breite des Entladungsspal
tes 33 im Bereich einer jeden Entladungszone 40 bezeichnet.
Bei einer Barrierendicke von ca. 5 mm genügt zur Zündung ei
ner Gasentladung eine Entladungsspannung U, deren Span
nungsamplitude ca. 3 kV beträgt. Die Schlagweite W der auf
einanderfolgenden Entladungszonen 40 ist - wie aus Fig. 3 er
sichtlich - in Strömungsrichtung S des Betriebsgases B suk
zessiv vergrößert. Dies trägt der Erkenntnis Rechnung, daß
die Zündspannung einer Gasentladung mit steigender Gastempe
ratur T1 sinkt. Auf diese Weise wird erreicht, daß trotz der
sukzessiven Gasaufheizung des entlang des Reaktors 5 strömen
den Betriebsgases B in jeder Entladungszone 40 etwa die glei
che Leistung in das Betriebsgas B eingekoppelt wird.
Durch eine für das Betriebsgas B durchlässige Stirnwand 41
tritt dieses nach Durchlaufen der Entladungszonen 40 in den
angrenzenden Innenraum 42 des Konverters 9 ein. Dieser Innen
raum 42 ist mit einem Katalysatormaterial befüllt, welches
die Reduktion von NO2 oder höheren Stickoxiden zu NO kataly
tisch begünstigt. Infolge der koaxialen Anordnung der Rohr
leitung 35 und des Heizaggregats 8 im Konverter 9 beheizt das
Heizaggregat 8 auch das Katalysatormaterial und beschleunigt
somit die Reduktion. Umgekehrt heizt das den Innenraum 42
durchströmende heiße Betriebsgas B das innerhalb der Rohrlei
tung 35 einlaufende Betriebsgas B. Der Konverter 9 erfüllt
somit in der Ausführung gemäß Fig. 3 in integraler Weise auch
die Funktion des Wärmetauschers 4 gemäß den Fig. 1 und 2.
Über einen in der dem Reaktor 5 abgewandten Stirnwand 43 des
Konverters 9 angeordneten Gasauslaß 44 wird das dem Innen
raum 42 entströmende Betriebsgas B dem in Fig. 3 nicht darge
stellten Kühler 10 zugeleitet.
Claims (19)
1. Verfahren zur plasmachemischen Erzeugung von Stick
stoffmonoxid (NO), bei dem ein Stickstoff (N2) und Sauer
stoff (O2) enthaltendes Betriebsgas (B) durch eine Ent
ladungszone (40) geleitet wird, innerhalb derer eine
dielektrisch behinderte Gasentladung herbeigeführt wird,
wobei mittels der Gasentladung ein nichtthermisches Plasma
erzeugt wird, dessen Gastemperatur (T1) mindestens 400°C
beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Gasentladung in einem Temperatur
bereich von 600°C bis 800°C betrieben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß infolge der Gasentladung ent
standene mehrfach oxidierte Stickoxide katalytisch zu Stick
stoffmonoxid (NO) reduziert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die katalytische Reduktion bei einer
Gastemperatur (T2) von bis zu 600°C durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß infolge der
Gasentladung das Betriebsgas (B) mit einer hohen Stickstoff
monoxid-Konzentration von (C* No) ≧ 1000 ppm angereichert wird
und daß dieses hochangereicherte Betriebsgas (B) durch Zumi
schung von unbehandeltem Betriebsgas (B) auf eine für medizi
nische Zwecke geeignete Stickstoffmonoxid-Konzentration (CNO)
von ≦ 200 ppm rückverdünnt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß die Wärme des
aus der Entladungszone (40) abströmenden Betriebsgases (B)
zumindest teilweise zur Aufheizung des der Entladungs
zone (40) zuströmenden unbehandelten Betriebsgases (B) heran
gezogen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß als Betriebs
gas (B) Luft verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß der Stoff
umsatz der Stickstoffmonoxid-Erzeugung anhand des Volumen
flusses des Betriebsgases (B), der Gastemperatur (T1) inner
halb der Gasentladung und/oder der die Gasentladung aus
lösenden Entladungsspannung (U) geregelt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß als Meßgröße für die Regelung die Gas
temperatur (T4), der Gasdruck (p) und die Stickstoffmonoxid-
Konzentration (CNO) sowie die Stickstoffdioxid-Konzentration
(CNO2) im rückverdünnten Betriebsgas (B) bestimmt werden.
10. Vorrichtung zur plasmachemischen Erzeugung von Stick
stoffmonoxid (NO), bei der ein Stickstoff (N2) und Sauer
stoff (O2) enthaltendes Betriebsgas (B) durch eine Ent
ladungszone (40) geleitet wird, innerhalb derer eine
dielektrisch behinderte Gasentladung herbeigeführt wird,
wobei mittels der Gasentladung ein nichtthermisches Plasma
erzeugt wird, dessen Gastemperatur (T1) mindestens 400°C
beträgt, gekennzeichnet durch einen
plasmachemischen Reaktor (5) für die Erzeugung dielektrisch
behinderter Entladungen, der eine mit einer dielektrisch
wirksamen Schicht (32) versehene Elektrode (30) sowie eine
Gegenelektrode (31) aufweist, deren einander zugewandte
Flächen einen vom Betriebsgas (B) durchströmten Entladungs
spalt (33) bilden, der in Strömungsrichtung (S) des Betriebs
gases (B) eine Anzahl von Entladungszonen (40) bildenden
Engstellen aufweist,
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Breite (W) des Entladungs
spaltes (33) in einer jeden Entladungszone (40) in Strömungs
richtung (S) des Betriebsgases (B) von Entladungszone (40) zu
Entladungszone (40) zunimmt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei
und infolge der Gasentladung
entstandene mehrfach oxidierte Stickoxide durch einen
Konverter (9) katalytisch zu Stickstoffmonoxid reduziert
werden, dadurch gekennzeichnet, daß
der Konverter (9) in Strömungsrichtung (S) des Betriebs
gases (B) dem Reaktor (5) unmittelbar nachgeordnet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, ge
kennzeichnet durch einen Wärmetauscher (4) zur
Vorheizung des dem Reaktor (5) zuströmenden Betriebsgases (B)
mittels des aus dem Reaktor (5) abströmenden Betriebsgases
(B).
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Wärmetauscher (4) in den
Konverter (9) integriert ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, ge
kennzeichnet durch eine dem Reaktor (5) und dem
Konverter (9) parallelgeschaltete Zweigleitung (11) zur Rück
verdünnung des dem Konverter (9) entströmenden, mit Stick
stoffmonoxid (NO) hochangereicherten Betriebsgas (B) mittels
unbehandelten Betriebsgases (B).
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, ge
kennzeichnet durch einen in Strömungsrichtung
(S) des Betriebsgases (B) hinter dem Konverter (9) angeord
neten Prüfkopf (18), der mit einem Temperaturfühler, einem
Drucksensor und/oder mindestens einem Sensor zur Bestimmung
einer Konzentration (Ci) im Betriebsgas (B) versehen ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, ge
kennzeichnet durch eine Regeleinheit (19) zur
Einstellung der in den Reaktor (5) eingekoppelten Leistung,
des Volumenflusses des Betriebsgases (B) und/oder der Gas
temperatur (T1, T2, T3, T4).
18. Verwendung des nach Anspruch 1 bis 9 hergestellten Stick
stoffmonoxids (NO) für medizinische Zwecke.
19. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 10 bis 17 für
medizinische Zwecke.
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