JP2022527864A - Ｃ１～ｃ４アルカン含有ガスから水素および固体炭素を生成する装置およびプロセス - Google Patents

Ｃ１～ｃ４アルカン含有ガスから水素および固体炭素を生成する装置およびプロセス Download PDF

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Abstract

本発明は、熱プラズマによりＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスから水素および固体炭素を生成する装置、熱プラズマによりＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスから水素および固体炭素を生成するプロセス、ならびに本発明のプロセスによりＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスから水素および固体炭素を生成するプロセスにおける装置の使用に関する。

Description

本発明は、電気アークにより熱プラズマを生成する少なくとも１つの反応器を用いた熱プラズマによって、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスから水素および固体炭素を生成する装置、プロセス、およびプロセスにおける装置の使用に関する。
生産および消費に際してＣＯ２の排出量が少ないクリーンで貯蔵可能なエネルギー源の生産の需要が高まっている。ただし、このようなエネルギー源が最終的に市場に浸透するのは、それぞれの生産に関連するコストが十分に低くなった場合のみである。このことは特に、モビリティ、熱産生、ならびに化学工業、鉄鋼業、および石油精製業の分野のエネルギー源に当てはまる。
これまでかなりの期間、たとえば二酸化炭素（ＣＯ２）を炭素源として用いることにより、直接燃焼用、燃料電池用、またはメタノール、ジメチルエーテル、合成天然ガス、合成ガソリン、合成ディーゼル、もしくは合成灯油等の合成燃料の生成用の水素の使用が研究されてきた。従来、水素は、ガス化または改質反応によって、石炭または液体もしくはガス状炭化水素から生成されている。これらの変換は通常、高温で起こるため、反応および前記反応の推進に必要な熱の生成の両者によるＣＯ２の大量排出を伴う。
低ＣＯ２排出すなわちＣＯ２排出を抑えた水素の生成のため、複数の方法が研究されてきており、現在も開発されている。たとえば、１つの選択肢として、従来の水素生産プラントのオフ・ガスからＣＯ２を取り込み、あとで圧縮して隔離する方法がある。特に、水素生産現場が隔離現場から遠く離れている場合は、輸送のコストがかなり高くなる可能性もある。別の選択肢として、たとえば電気分解により水を酸素および水素に分解する方法がある。この電気分解プロセスにおいては、反応の推進（水の分解（反応（１）参照））に大量のエネルギー（電流）を要する。本明細書においては、さまざまな反応の標準モル・エンタルピーを与えるが、別段の指定のない限り、これは２９８Ｋに基づく。
（１）２Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋２Ｈ２ ΔＨ＝＋２４１ｋＪ／ｍｏｌ
電気分解にはある一定の大量の電気エネルギーを要することから、全体的なＣＯ２排出は、消費電力の生成に関連するＣＯ２排出と強い関わりがある。現在、世界中の多くの場所では、再生可能な発電の浸透が未だ不十分であるため、発電による平均的なＣＯ２排出が多すぎて、電気分解を電力網上で環境学的に有意なものとして扱うことはできない。一方、電気分解の再生可能電力に限った運用または再生可能電力を主とした運用では、対応する年間の全負荷時間が依然として短すぎることが多く、経済的な運用が不可能である。
水の水素－酸素結合の結合エネルギーと比較して、メタン等の炭化水素の水素－炭素結合の結合エネルギーは非常に小さいことから、これに対応して、前記炭化水素の固有分解エネルギー需要も小さい。したがって、炭化水素の水素および炭素への分解は理論的に、電気分解プロセスよりも小さなエネルギー入力での水素生成を可能にする。
これらの利点を活用するため、複数の技術が研究・開発されている。たとえば、ＷＯ２０１３／００４３９８Ａ２（ＬｉｎｄｅおよびＢＡＳＦ）は、移動床を構成する炭素豊富な顆粒の存在下で炭化水素を分解するプロセスを記載する。分解の推進に必要な熱は、水素および炭化水素の一部を含む燃料の燃焼によって供給される。不都合な点として、この技術では、特に規模が小さいほど、かなり高い一定の設備投資が必要となる。
別のプラズマベースの部分的炭化水素分解プロセスとして、高い水素収率および純粋な炭素の生成に関する限りは注目を浴びていないものの、Ｃ１～Ｃ４アルカン（たとえば、メタン（ＣＨ４）または分子量がはるかに大きな炭化水素）を起点とするプラズマベースのアセチレン（Ｃ２Ｈ２）生成がある。アセチレンは、いくつかの化学合成の原料として機能し得るため、非常に有益な化合物である。このプロセスの最中に水素が副生成物として生成されるが、原料の水素の一部は依然として、目標生成物のアセチレンとともに残留する（炭化水素変換の一例としてのメタン変換を示した式（２）参照）。
（２）２ＣＨ４⇔Ｃ２Ｈ２＋３Ｈ２ ΔＨ＝＋３７６ｋＪ／ｍｏｌ
このようなプロセスの一例が商業化された「Ｈｕｅｌｓ ａｒｃ ｐｒｏｃｅｓｓ」である。ここで、電気アークによる低分子量炭化水素（たとえば、メタン）のアセチレンへの１ステップ変換には、任意選択としてさまざまな流体を用いた２ステップにて、炭化水素由来のプラズマ状態のプラズマガスの超急速冷却（いわゆる、急冷ステップ）が後続することにより、反応性の高いアセチレンは安定する。これにより、高分子量炭化水素化合物等の誘導体のアセチレンからの形成が阻止される（Ａｃｅｔｙｌｅｎｅ，Ｐａｅｓｓｌｅｒ ｅｔ ａｌ．，Ｕｌｌｍａｎｎ’ｓ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ｄｏｉ：１０．１００２／１４３５６００７．ａ０１＿０９７．ｐｕｂ４，２０１１参照）。大規模な水素生成に関しては、アセチレンの十分な需要を見出す必要があることから、用途が制限され得る。これは、複雑なプロセスの商業化につながるため、水素生成の可能性を制限することになると考えられる。
炭化水素の部分分解に関する電気アークベースのプロセスのもう１つ最近の例がＷＯ２０１５／１４００５８Ａ１（ＢＡＳＦ）に記載されている。ここでは、電気アークによって、メタン含有ガスがアセチレンに変換される。その直後、別のメタン含有ガスによるアセチレン含有混合物の急速冷却（急冷）によって、アセチレンの収率が高くなる。その後、アセチレンは、別の炭化水素含有原料とさらに混合され、低温に維持されることで、沸点が少なくとも１５℃の１つまたは複数の水素および炭素含有生成物を得るための追加原料との反応が容易化される。この従来技術に記載の反応器は、長さが規定された３～４つの異なる部分を有する。各部分においては、媒体ごとに少なくとも１つの入口を通じて、ガス状または液体媒体が導入される。これにより、ＷＯ２０１５／１４００５８Ａ１のプロセスでは、沸点が少なくとも１５℃の１つまたは複数の水素および炭素含有有機化合物が形成される。本発明者は、この従来技術に記載の反応器によってもプロセスによっても、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスから水素および固体炭素を高い水素収率で生成するエネルギー効率およびコスト効果に優れたプロセスは可能にならないことを見出した。さらに、このプロセスでは、水素と並行して生成される化学物質の用途を見出す必要があり、これは、複雑なプロセスの商業化につながるため、水素生成の可能性を制限することになると考えられる。
炭化水素の分解によるプラズマベースの水素および固体炭素の生成の一手法が文献ＷＯ９３／１２０３０Ａ１（Ｋｖａｅｒｎｅｒ）に記載されている。ここでは、互いに挿入された同心配置の管状電極が大容量の反応器に備えられている。反応器の容積側を向いた電極の端部に電気アークが形成され、水素からプラズマ状態のプラズマガスが生成され、これがその後の第２のステップでメタンと混合される。このプロセスは、粒子サイズおよび形態等の具体的特性の炭素粒子を得るように特別設計されている。本発明者は、このような水素生成のための２ステップ・プロセスにおいて、反応器の容積を大きくする必要があり、また、温度およびガス組成等のプロセス条件が別々の反応器ゾーンによって、プロセス全体が非効率かつ高コストになることを見出した。
炭化水素の分解によるプラズマベースの水素の生成の代替方法が文献ＷＯ０１／４６０６７Ａ１（Ｂｅｃｈｔｅｌ）に記載されている。このプロセスの鍵となるのが、反応器におけるラバル型ノズルの使用である。ＷＯ２０１５／１４００５８Ａ１と同様に、電気アークの使用によりメタンがアセチレンに変換されて、水素または不活性ガスからプラズマ状態のプラズマガスが生成される。また、プラズマ状態のプラズマガスにメタンが供給されて、アセチレンが生成される。その後、混合物がノズルを通じて下流へと通過する。ガス固有の動的効果により、ノズルは、ノズルから下流に向かうガスを比較的大きく減圧させる。これに伴って、平均温度も著しく下がる。ＷＯ０１／４６０６７Ａ１においては、所望のガス膨張および目標生成物である水素および炭素へのすべての炭化水素の分解を実現するのに、上述のプロセスおよび反応器パラメータ（たとえば、供給入口の位置および反応器チャンバの直径）が必須であることが強調されている。このため、ノズルの上流の高温プロセス・ガスによる顕熱は、分解プロセスの高効率化にほとんど活用されない。さらに、大きな圧力降下は、一般的に望まれない。ほとんどの下流プロセスまたは水素の輸送では、これに対応して、より大きな再加圧が必要となるためである。全体として、このプロセスは、非常に具体的な設計要件に合わせて調整されたプロセス条件およびある一定の大きなエネルギー消費を特徴とするが、これは、水素および固体炭素の生成のためのエネルギー効率に優れたプロセスを提供したい場合に弊害となる。
したがって、上記プロセスは、経済的でクリーンかつ環境に優しいエネルギー効率に優れた水素および固体炭素を生成する目標に関して、限界がある。特に、上記プロセスは、投資コストおよび運用コストの高騰ならびに／またはエネルギー効率の低下を招来する。
本発明は、添付の特許請求の範囲に規定するような熱プラズマによって、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスから水素および固体炭素を生成する装置、方法、およびプロセスにおける装置の使用に関する。
より具体的に、第１の態様において、本発明は、熱プラズマによりＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスから水素および固体炭素を生成する装置であって、前記装置が、電気アークにより熱プラズマを生成する少なくとも１つの反応器を備え、前記反応器が、
ｉ）プラズマ部であって、
前記プラズマ部内に延びる電気アークを生成するアノードおよびカソードと、
Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを前記反応器の前記プラズマ部に導入する少なくとも１つの第１の供給ラインと、
を備え、
前記アノードが、内面を有する前記プラズマガスの主流の流れ方向に沿った中空チャネルと、主流の流れ方向に前記アノードの開口端を形成する前記プラズマガスの主流の流れ方向の出口と、前記少なくとも１つの第１の供給ラインを介して前記反応器の前記プラズマ部に導入された前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを受け入れる少なくとも１つの入口と、を有し、前記入口が、主流の流れ方向と反対の方向を向いた前記アノードの開口端を形成し、前記アノードが、主流の流れ方向と反対の方向を向いた前記アノードの前記開口端および主流の流れ方向の前記アノードの前記開口端を介して前記プラズマガスが前記中空チャネルを流れるように構成され、前記プラズマガスが、前記アノードを通過する際に、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面に接触し、
前記アノードおよび前記カソードが、前記アノードおよび前記カソードにより生成された前記電気アークが前記プラズマ部に形成されることで、前記少なくとも１つの第１の供給ラインを通じて前記プラズマ部に導入された前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスから、プラズマ状態のプラズマガスを前記プラズマ部に形成するように配置され、前記アノードに接触する前記電気アークのフットポイントが、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上に位置付けられる、プラズマ部と、
ｉｉ）主流の流れ方向における前記反応器の前記プラズマ部の直ぐ下流にある第２の反応部であって、
第１の副部および主流の流れ方向における前記第１の副部の直ぐ下流にある第２の副部と、
前記反応器から成分を引き出す出口手段であって、主流の流れ方向における前記第２の反応部の端部に位置付けられた、出口手段と、
を備え、
前記第１の副部が、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを前記第２の反応部に導入する少なくとも１つの第２の供給ラインを備え、
前記少なくとも１つの第２の供給ラインが、前記少なくとも１つの第２の供給ラインを介して前記反応器に導入された前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスが主流の流れ方向における前記電気アークのフットポイントの下流の位置で前記プラズマ状態のプラズマガスに導入されることで、前記少なくとも１つの第２の供給ラインの下流の前記第２の反応部の前記第１の副部において、前記プラズマ部を出た前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインの前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスから混合物が形成されるように配置され、
主流の流れ方向に沿った前記少なくとも１つの第２の供給ラインの位置が、前記第２の反応部および前記第１の副部の始点を規定し、
前記アノードの前記中空チャネルの前記内面が前記電気アークに対向し、前記反応器の前記プラズマ部の端部まで達する最上流位置を始点とする前記プラズマ部の容積が、０．０００１ｍ３～０．４ｍ３の範囲、好ましくは０．００１～０．２ｍ３の範囲であり、かつ、基準容積を規定し、
前記第２の反応部の前記第１の副部の容積が、前記基準容積の１０～２００倍の範囲、好ましくは前記基準容積の２０～１００倍の範囲であり、
前記第２の反応部全体の容積が、前記基準容積の２０～２０００倍の範囲、好ましくは前記基準容積の４０～１０００倍の範囲である、第２の反応部と、
を備え、
前記反応器が、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上の前記電気アークのフットポイントの主流の流れ方向における下流の前記プラズマ部の端部までの範囲において、前記第２の反応部の前記第１の副部および／または前記プラズマ部における少なくとも１つの点に、主流の流れ方向に直交する流れ断面を備え、前記流れ断面が、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上の前記電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交する前記アノードの平均流れ断面と比較して、少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍大きいことを特徴とする、水素および固体炭素を生成する装置に関する。
第２の態様において、本発明は、熱プラズマによりＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスから水素および固体炭素を生成するプロセスであって、
ａ）Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを供給する装置からＣ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを引き出すステップと、
ｂ）Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを引き出す装置から引き出した前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを少なくとも１つの第１の反応器に導入するステップであって、前記反応器が、電気アークにより熱プラズマを生成する反応器であり、前記反応器が、
ｉ）プラズマ部であって、
前記プラズマ部内に延びる電気アークを生成するアノードおよびカソードと、
Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを前記反応器の前記プラズマ部に導入する少なくとも１つの第１の供給ラインと、
を備え、
前記アノードが、前記プラズマガスの主流の流れ方向に沿い、内面を有する中空チャネルと、前記プラズマガスの主流の流れ方向で、主流の流れ方向に前記アノードの開口端を形成する出口と、前記少なくとも１つの第１の供給ラインを介して前記反応器の前記プラズマ部に導入された前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを受け入れる少なくとも１つの入口と、を有し、前記入口が、主流の流れ方向と反対の方向を向いた前記アノードの開口端を形成し、前記アノードが、主流の流れ方向と反対の方向を向いた前記アノードの前記開口端および主流の流れ方向の前記アノードの前記開口端を介して前記プラズマガスが前記中空チャネルを流れるように構成され、前記プラズマガスが、前記アノードを通過する際に、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面に接触し、
前記アノードおよび前記カソードが、前記アノードおよび前記カソードにより生成された前記電気アークが前記プラズマ部に形成されることで、前記少なくとも１つの第１の供給ラインを通じて前記プラズマ部に導入された前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスから、プラズマ状態のプラズマガスを前記プラズマ部に形成するように配置され、前記アノードに接触する前記電気アークのフットポイントが、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上に位置付けられた、プラズマ部と、
ｉｉ）主流の流れ方向における前記反応器の前記プラズマ部の直ぐ下流にある第２の反応部であって、
第１の副部および主流の流れ方向における前記第１の副部の直ぐ下流にある第２の副部と、
前記反応器から成分を引き出す出口手段であって、主流の流れ方向における前記第２の反応部の端部に位置付けられた、出口手段と、
を備え、
前記第１の副部が、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを前記第２の反応部に導入する少なくとも１つの第２の供給ラインを備え、主流の流れ方向に沿った前記少なくとも１つの第２の供給ラインの位置が、前記第２の反応部およびその第１の副部の始点を規定する、第２の反応部と、を備え、
前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスが、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを前記反応器の前記プラズマ部に導入する前記少なくとも１つの第１の供給ラインを介して前記反応器に導入される、ステップと、
ｃ）前記反応器の前記プラズマ部内に延びる前記アノードおよびカソードによって電気アークを生成するステップと、
ｄ）Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを前記プラズマ部に導入する前記少なくとも１つの第１の供給ラインを介して前記プラズマ部に導入された前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスから、前記電気アークによって、前記反応器の前記プラズマ部にプラズマ状態のプラズマガスを形成するステップと、
ｅ）Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを前記第２の反応部に導入する前記少なくとも１つの第２の供給ラインを介して、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを前記第２の反応部の前記第１の副部に導入するステップであって、
前記導入が、前記少なくとも１つの第２の供給ラインを介して前記第２の反応部に導入された前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスが主流の流れ方向における前記アノードおよびカソードにより生成された前記電気アークのフットポイントの下流で前記プラズマ状態のプラズマガスに導入されることで、前記少なくとも１つの第２の供給ラインの下流の前記第２の反応部の前記第１の副部において、前記プラズマ部を出た前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインを介して前記第２の反応部の前記第１の副部に導入された前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスから混合物が形成されるように行われ、
前記少なくとも１つの第２の供給ラインを介して前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスが前記プラズマ状態のプラズマガスに導入された位置において、前記プラズマ状態のプラズマガスが、１２００～３０００℃の範囲の平均温度を有するとともに、アセチレンを含むことにより、前記少なくとも１つの第２の供給ラインから前記第２の反応部の前記第１の副部の端部までの範囲において、平均温度が少なくとも８５０℃、好ましくは少なくとも１０５０℃で、かつ、３０００℃未満の前記プラズマ状態のプラズマガスへの前記少なくとも１つの第２の供給ラインを介した前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスの導入に由来する混合物を形成する、ステップと、
ｆ）主流の流れ方向に前記混合物を下流へと前記第２の反応部に通過させるステップであって、
前記通過が、前記第２の反応部の前記第１の副部において、前記プラズマ部を出た前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインの前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する前記混合物の原子の平均滞留時間が１００ｍｓ～２０００ｍｓの範囲、好ましくは２００ｍｓ～１０００ｍｓの範囲となるようになされ、
前記通過が、前記第２の反応部全体において、前記プラズマ部を出た前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインの前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する前記混合物の原子の平均滞留時間が２００ｍｓ～２００００ｍｓの範囲、好ましくは４００ｍｓ～１００００ｍｓの範囲となるようになされ、
前記プラズマ部を出た前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインの前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する前記混合物の原子の少なくとも５％の前記第２の反応部における滞留時間が、前記プラズマ部を出た前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインの前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する前記混合物のすべての原子の前記第２の反応部における平均滞留時間から少なくとも５％絶対数で逸脱し、好ましくは前記プラズマ部を出た前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインの前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する前記混合物の原子の少なくとも１０％の前記第２の反応部における滞留時間が前記プラズマ部を出た前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインの前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する前記混合物のすべての原子の前記第２の反応部における平均滞留時間から少なくとも１０％絶対数で逸脱し、より好ましくは少なくとも１５％、さらに好ましくは少なくとも２０％、前記プラズマ部を出た前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインの前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する前記混合物のすべての原子の前記第２の反応部における平均滞留時間から絶対数で逸脱し、
前記第２の反応部、好ましくは前記プラズマ部において前記混合物に発生する反応によって、水素および固体炭素が生成される、ステップと、
ｇ）前記第２の反応部の前記第２の副部における前記混合物の平均温度を少なくとも６５０℃、好ましくは少なくとも７５０℃、より好ましくは少なくとも８５０℃かつ１５００℃未満に調整するステップであって、前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインを介して導入された前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスの前記混合物の前記第２の反応部の端部における平均温度が、少なくとも２００Ｋ、好ましくは少なくとも４００Ｋ、より好ましくは少なくとも６００Ｋの平均温度に調整され、前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスが前記少なくとも１つの第２の供給ラインを介して前記プラズマ状態のプラズマガスに導入された位置における前記プラズマ状態のプラズマガスの平均温度よりも低い、ステップと、
ｈ）前記反応器から前記混合物を引き出す出口手段を介して前記反応器の端部で前記混合物を引き出すステップであって、前記出口手段が、主流の流れ方向における前記第２の反応部の端部に位置付けられた、ステップと、
を含むことを特徴とする、プロセスに関する。
第３の態様において、本発明は、本発明に係る熱プラズマによりＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスから水素および固体炭素を生成するプロセスにおける装置の使用であって、前記装置が、電気アークにより熱プラズマを生成する少なくとも１つの反応器を備え、前記反応器が、
ｉ）プラズマ部であって、
前記プラズマ部内に延びる電気アークを生成するアノードおよびカソードと、
Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを前記反応器の前記プラズマ部に導入する少なくとも１つの第１の供給ラインと、
を備え、
前記アノードが、内面を有する前記プラズマガスの主流の流れ方向に沿った中空チャネルと、主流の流れ方向に前記アノードの開口端を形成する前記プラズマガスの主流の流れ方向の出口と、前記少なくとも１つの第１の供給ラインを介して前記反応器の前記プラズマ部に導入された前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを受け入れる少なくとも１つの入口と、を有し、前記入口が、主流の流れ方向と反対の方向を向いた前記アノードの開口端を形成し、前記アノードが、主流の流れ方向と反対の方向を向いた前記アノードの前記開口端および主流の流れ方向の前記アノードの前記開口端を介して前記プラズマガスが前記中空チャネルを流れるように構成され、前記プラズマガスが、前記アノードを通過する際に、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面に接触し、
前記アノードおよび前記カソードが、前記アノードおよび前記カソードにより生成された前記電気アークが前記プラズマ部に形成されることで、前記少なくとも１つの第１の供給ラインを通じて前記プラズマ部に導入された前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスから、プラズマ状態のプラズマガスを前記プラズマ部に形成するように配置され、前記アノードに接触する前記電気アークのフットポイントが、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上に位置付けられた、プラズマ部と、
ｉｉ）主流の流れ方向において前記反応器の前記プラズマ部の直ぐ下流にある第２の反応部であって、
第１の副部および主流の流れ方向において前記第１の副部の直ぐ下流にある第２の副部と、
前記反応器から成分を引き出す出口手段であって、主流の流れ方向において前記第２の反応部の端部に位置付けられた、出口手段と、
を備え、
前記第１の副部が、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを前記第２の反応部に導入する少なくとも１つの第２の供給ラインを備え、
前記少なくとも１つの第２の供給ラインが、前記少なくとも１つの第２の供給ラインを介して前記反応器に導入された前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスが主流の流れ方向における前記電気アークのフットポイントの下流の位置で前記プラズマ状態のプラズマガスに導入されることで、前記少なくとも１つの第２の供給ラインの下流の前記第２の反応部の前記第１の副部において、前記プラズマ部を出た前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインの前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスから混合物が形成されるように配置され、
主流の流れ方向に沿った前記少なくとも１つの第２の供給ラインの位置が、前記第２の反応部および前記第１の副部の始点を規定し、
前記アノードの前記中空チャネルの前記内面が前記電気アークに対向し、前記反応器の前記プラズマ部の端部まで達する最上流位置を始点とする前記プラズマ部の容積が、０．０００１ｍ３～０．４ｍ３の範囲、好ましくは０．００１～０．２ｍ３の範囲であり、かつ、基準容積を規定し、
前記第２の反応部の前記第１の副部の容積が、前記基準容積の１０～２００倍の範囲、好ましくは前記基準容積の２０～１００倍の範囲であり、
前記第２の反応部全体の容積が、前記基準容積の２０～２０００倍の範囲、好ましくは前記基準容積の４０～１０００倍の範囲である、第２の反応部と、
を備え、
前記反応器が、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上の前記電気アークのフットポイントの主流の流れ方向における下流の前記プラズマ部の端部までの範囲において、前記第２の反応部の前記第１の副部および／または前記プラズマ部における少なくとも１つの点に、主流の流れ方向に直交する流れ断面を備え、前記流れ断面が、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上の前記電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交する前記アノードの平均流れ断面と比較して、少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍大きいことを特徴とする、使用に関する。
本発明のＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスから水素および固体炭素を生成する装置（１０）であって、前記装置の使用により実現可能な本発明に係るプロセスにおける使用にも適した、装置（１０）の一実施形態を示した図である。 本発明のＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスから水素および固体炭素を生成する装置（１０）であって、前記装置の使用により実現可能な本発明に係るプロセスにおける使用にも適しており、アノード（７１）の中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交するアノード平均流れ断面と比較して、主流の流れ方向に直交する流れ断面が少なくとも５倍大きい最上流点が、第２の反応部の第１の副部の主流の流れ方向における上流にある、装置（１０）の別の実施形態を示した図である。
添付の図面との組み合わせにより、本発明の詳細な説明には、本発明の範囲の制限を意図しない好適な実施形態に係る本発明の技術的内容を記載する。添付の特許請求の範囲に従ってなされる如何なる同等の変更および改良も、本発明の特許請求の範囲により網羅される。
上記概説の通り、本発明は、３つの態様すなわち水素および固体炭素を生成する装置、プロセス、および装置の使用に関する。これら３つの態様に関して本願に含まれる開示内容は、区別なく適用可能であるため、一体的に開示する。
驚くべきことに、従来技術の装置およびプロセスを使用すると、炭化水素の大部分においてアセチレンもしくは他の不飽和度の高い化合物が無制御に形成されること、低い空時収率もしくは大きな圧力降下によって対応するプロセスの実施に必要なプロセス・パラメータが非効率な動作に帰結すること、または高分子量の炭化水素等の水素を含む高分子量の成分の形成によって分子水素の収率が低下することが分かっている。
アセチレンは、ベンゼン（Ｃ６Ｈ６）および高次の芳香族化合物に反応し得る。これらの化合物によって、反応器の壁または後続機器（たとえば、熱交換器）の壁に堆積し得るタールが形成される場合もある。従来技術の水素生成装置では、たとえば反応器を通る経路に沿って濃度、滞留時間、および温度を制御することによっても、アセチレンの炭素および水素への変換が十分に制御されないことが分かっている。その結果、対応する水素含有副生成物が形成され、高分子化合物が堆積するため、機器の清掃のためにプロセス動作を中断せざるを得なくなる。本発明は、これを回避し、得られる混合物中の炭化水素副生成物の量を抑えて、水素および固体炭素の連続生成を容易にする。
言い換えると、本発明の発明者は、驚くべきことに、従来技術の装置、特に、電気アークにより熱プラズマが生成される熱プラズマ反応器のある一定の改良および従来技術のプロセスの改良によって、特に目標収率に対するある一定の低いエネルギー消費および少ない設備投資で、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスからの水素の生成をより効率化可能となることを見出した。特に、反応器を通る主流の流路に沿った濃度、平均滞留時間、滞留時間分布、および平均温度範囲の変化の制御によって、不要な副生成物の生成の抑制および高い空時収率での原料変換の増大が可能となる。その一部の理由として、プラズマ状態のプラズマガス中で生成されたアセチレンは、第２の反応部の第１の副部において、プラズマ状態のプラズマガスに導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスにより希釈される。同じことが本発明の装置にも当てはまるが、これは、原料を適当に混合するとともに、反応成分の原子の平均滞留時間および滞留時間分布を規定する。本発明者は、アセチレンを生成する従来技術の装置およびプロセスのある一定の改良によって、水素および固体炭素、特にカーボンブラックの効率的な生成が可能になることを見出した。したがって、本発明は、商業的に魅力のある水素および固体炭素の生成プロセスの実現を可能にする。これにより、上述の欠点および制限を伴うことなく、エネルギー効率に優れた経済的かつ環境に優しい水素生成に対する長年の要求が解決される。また、副生成物であるカーボンブラックは、多くの産業（たとえば、印刷業）で使用されているため、同様に商業化可能である。さらに、得られる生成物のガス混合物中の不要な副生成物は、大きく削減される。
本発明に係る成分は、別段の指定のない限り、２７３．１５Ｋおよび１．０１３２５ｂａｒにおいて、気相状態であってもよいし、液相状態であってもよいし、固相状態であってもよい。成分は、原子であってもよいし、分子であってもよいし、オリゴマーであってもよいし、ポリマーであってもよいし、ラジカルであってもよいし、イオンであってもよい。ラジカルおよびイオンは、対応する原子の特定種である。
本発明の装置は、少なくとも１つの反応器を備える。したがって、この装置は、反応器を１つだけ含んでいてもよい。あるいは、本発明の装置は、２つ以上の反応器を備えていてもよい。これらは、並列に動作するようになっていてもよい。２つ以上の反応器を並列に動作させると柔軟性が増すため都合が良い。たとえば、１つの反応器が保守整備を受ける場合は、その他の反応器が動作を継続可能である。これにより、プラント全体のダウンタイムを無くせる。また、２つ以上の反応器が並列に設置されていると、単一のプラントが動作し得る負荷の範囲が拡がる。これは、たとえば電力制御等のグリッド・サービスを受けるために柔軟な負荷でプラントを動作させる必要がある場合に有益となり得る。
本明細書において使用する「少なくとも１つ（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ）」という用語は、１、２、３、４、５以上を意味する。特定の実施形態において、「少なくとも１つ」は、１を意味する。別の実施形態において、「少なくとも１つ」は、２以上を意味する。
用語「～の範囲（ｉｎ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆまたはｉｎ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｆｒｏｍ）」は、範囲を表す。本発明によれば、特定の範囲の両端は、別段の指定のない限り、前記範囲の一部と考えられる。
図１および図２は、垂直配向の反応器を示すが、水平またはその他任意の配向の反応器も含まれる。
本発明において使用する用語「反応器（ｒｅａｃｔｏｒ）」は、化学反応器を表す。反応器は、化学反応が生じる反応空間を含む閉鎖容器である。入口および出口をそれぞれ介して、物質が反応空間に導入されるようになっていてもよいし、反応空間から引き出されるようになっていてもよい。ここで、反応器は、電気アークにより生成される熱プラズマ・プロセスに基づいて、本発明に係る水素および固体炭素を生成するプロセスを行うのに適した閉鎖容器である。反応器の一般的な一例がいわゆるＨｕｅｌｓ反応器である（Ａｃｅｔｙｌｅｎｅ，Ｐａｅｓｓｌｅｒ ｅｔ ａｌ．，Ｕｌｌｍａｎｎ’ｓ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ｄｏｉ：１０．１００２／１４３５６００７．ａ０１＿０９７．ｐｕｂ４，２０１１参照）。この反応器は、アセチレンの生成に用いられる。本発明の装置は、Ｈｕｅｌｓ反応器と異なり、特許請求の範囲に係るプロセスを実現するのに好都合な固有の特徴を有する電気アーク反応器を備える。電気アーク反応器を備えた特許請求の範囲に係る装置は、特許請求の範囲に係るプロセスの実施に使用可能である。
本発明において使用する用語「プラズマ状態のプラズマガス（ｐｌａｓｍａｅｏｕｓ ｐｌａｓｍａ ｇａｓ）」は、プラズマ状態で存在するガスを表す。電気アークにより熱プラズマを生成する反応器における導入および／または処理を意図するに過ぎず、プラズマ状態にないガスまたはプラズマ状態になっていないガスは、プラズマ状態のプラズマガスの定義に含まれない。電気アークにより熱プラズマを生成する反応器から出て、プラズマ状態にないガスまたはプラズマ状態でなくなったガスについても同様に、プラズマ状態のプラズマガスの定義に含まれない。
Ａ．Ｆｒｉｄｍａｎ（Ｐｌａｓｍａ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，２００９）によれば、プラズマ状態のガスは一般的に、イオン化ガスすなわち原子にも分子にも結合されず、原子または分子を正電荷のイオンに変換する少なくとも１つの電子を含むガスとして定義される。プラズマ状態のガスは、通常のガス状態に対して、ガスの電気的特性および挙動への影響および変化を与えるのに十分な量の荷電粒子を含むのが好ましい。電気的特性の一例が導電率である。導電率は、ガスのプラズマ状態、特に、高温で採用されるプラズマ状態において高くなる。概念上、導電率のプラズマ状態およびガス温度との相関は、以下のように説明され得る。すなわち、電離度は温度とともに高くなることが知られている（たとえば、Ｍ．Ｉ．Ｂｏｕｌｏｓ，Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｌａｓｍａｓ，Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｖｏｌ．１，１９９４において、水素、窒素、酸素、空気、および選択された希ガスの表形式データにより示される）。反対の電荷の移動度が高いため、電離度が高くなると、導電率も高くなる。
さらに、本発明の意味でのプラズマ状態のプラズマガスは、所与の密度でのプラズマ状態のプラズマガスの導電率が、室温かつ同じ密度での対応するガスの導電率の少なくとも１倍、好ましくは２倍、より好ましくは４倍の高さである、という事実を特徴とするのが好ましい。
室温の非プラズマ状態のガス（すなわち、外部の電気的または他の励起を伴わない）は、導電率が１０－２２Ｓ／ｍを下回る一方、本発明に係るプラズマ状態のガスは、少なくとも１０－２１Ｓ／ｍ、好ましくは少なくとも１０－２０Ｓ／ｍ、より好ましくは少なくとも１０－１８Ｓ／ｍの導電率を特徴とする。
これに関連して、当業者であれば、炎イオン化検出法に類似の技術によって、ガスの導電率を測定可能である。
プラズマ状態のガスは、電気エネルギーの使用、たとえば、強い電磁界（たとえば、電気アークの周囲で生成された電磁界）にガスを曝すことによって生成されるのが好ましい。
プラズマ状態のプラズマガスすなわちプラズマ状態のガスは少なくとも、本発明の反応器における主流の流れ方向に直交する流れ断面の一点で曝され得る。
Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスは、メタン、エタン、プロパン、ブタン、２－メチル－プロパン、またはこれらの混合物を含むガスを意味する。ガス中のＣ１～Ｃ４アルカンの総量は、少なくとも１０体積％、好ましくは少なくとも２５体積％、より好ましくは少なくとも５０体積％、さらに好ましくは少なくとも７５体積％、なお好ましくは少なくとも９０体積％である。いくつかの実施形態において、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスは、天然ガスである。特定の実施形態において、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスは、メタンおよび／またはプロパンを含む。これは、いずれのガスも大量に得られる（たとえば、メタンは天然ガスから、プロパンは硬化植物油の生成により得られる）ため都合が良い。Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスは、天然ガスまたはメタン含有ガスであるのが最も好ましい。これは、メタンを含むガスとして天然ガスが用いられるようになっていてもよいし、同じくメタンを含む別のガスとして天然ガスが用いられるようになっていてもよいことを意味する。Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスは、メタンを含むのが最も好ましく、特に、少なくとも２５体積％のメタン、より好ましくは少なくとも５０体積％のメタン、さらに好ましくは少なくとも７５体積％のメタン、最も好ましくは少なくとも９０体積％のメタンを含む。これは、本発明のＣ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスならびに反応器のプロセスおよび使用にも当てはまる。いくつかの実施形態において、少なくとも１つの第１の供給ラインを介してプラズマ部に導入されるＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインを介して第２の反応部の第１の副部に導入されるＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスは、同じＣ１～Ｃ４アルカン含有ガス供給装置から取得される。両者とも、同じ天然ガス供給装置から取得されるのが好ましい。したがって、本発明の装置は、少なくとも１つの第１の供給ラインおよび少なくとも１つの第２の供給ラインと接続されたＣ１～Ｃ４アルカン含有ガス源を具備していてもよい。両供給ラインは、同じＣ１～Ｃ４アルカン含有ガス供給装置と接続されているのが好ましい。このガス供給装置は、天然ガスを含むのがより好ましい。それにも関わらず、ガス供給のために装置から引き出されたガスは、反応器への導入に先立って、別の成分（たとえば、アセチレン含有ガスまたは水素含有ガス等の炭化水素）とさらに混合されるようになっていてもよい。本発明の装置に関連して、このことは、少なくとも１つの第１の供給ラインおよび／または少なくとも１つの第２の供給ラインが別の供給ラインと接続されて、ガス供給装置から引き出されたガスに付加的な成分を導入するようにしてもよいことを意味する。
「少なくとも１つの第１の供給ライン（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ ｆｉｒｓｔ ｆｅｅｄ ｌｉｎｅ）」という用語は、１つ、２つ、３つ、４つ、５つ以上の第１の供給ラインを意味する。いくつかの実施形態において、少なくとも１つの第１の供給ラインは、１つの第１の供給ラインである。別の実施形態において、少なくとも１つの第１の供給ラインは、２つ以上の第１の供給ラインを意味する。
「少なくとも１つの第２の供給ライン（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ ｓｅｃｏｎｄ ｆｅｅｄ ｌｉｎｅ）」という用語は、１つ、２つ、３つ、４つ、５つ以上の第２の供給ラインを意味する。いくつかの実施形態において、少なくとも１つの第２の供給ラインは、１つの第２の供給ラインである。別の実施形態において、少なくとも１つの第２の供給ラインは、２つ以上の第２の供給ラインを意味する。
「少なくとも１つの第３の供給ライン（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ ｔｈｉｒｄ ｆｅｅｄ ｌｉｎｅ）」という用語は、１つ、２つ、３つ、４つ、５つ以上の第３の供給ラインを意味する。いくつかの実施形態において、少なくとも１つの第３の供給ラインは、１つの第２の供給ラインである。別の実施形態において、少なくとも１つの第３の供給ラインは、２つ以上の第３の供給ラインを意味する。
少なくとも１つの第３の供給ラインのほか、本発明の装置、プロセス、および使用は、主流の流れ方向において、少なくとも１つの第３の供給ラインの下流に少なくとも１つの第４の供給ラインを有する反応器を含んでいてもよい。
また、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスは、高沸点成分（たとえば、Ｃ５アルカン、オレフィン、ベンゼン等の芳香族成分、これらの混合物、または少量の酸素を含む成分（たとえば、Ｃ１２Ｈ２４Ｏのような長鎖アルデヒド）との別の混合物）を含んでいてもよい。一例において、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスは、０．１～５０体積％の範囲、好ましくは０．５～３０体積％の範囲、より好ましくは１～１０体積％の範囲の高沸点成分を含んでいてもよい。選択する原料に応じて、設計パラメータおよび動作パラメータの調整が必要となり得る。
特定の実施形態において、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスは、５体積％未満のＯ２、好ましくは２体積％未満のＯ２、最も好ましくは１体積％未満のＯ２、１０体積％未満のＣＯ、好ましくは５体積％未満のＣＯ、最も好ましくは２．５体積％未満のＣＯ、１０体積％未満のＣＯ２、好ましくは５体積％未満のＣＯ２、最も好ましくは２．５体積％未満のＣＯ２、および／または１０体積％未満のＮ２、好ましくは５体積％未満のＮ２、最も好ましくは１体積％未満のＮ２を含む。Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスに関するこの定義および前述の定義は、プラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインを介して反応器に導入されたガスの両者に当てはまる。これらの実施形態は、本発明のプロセスおよび装置の使用にも当てはまる。
従来技術のほとんどの装置およびプロセスでは、プラズマガスまたはプラズマガスの主成分として、水素、窒素、または希ガス（たとえば、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ））、または水素、窒素、および／もしくは希ガスの混合物を使用する。ただし、本発明の発明者は、プラズマガスとして（主に）水素（Ｈ２）、窒素、または希ガスを使用する場合、固有のエネルギー需要が本発明よりもはるかに高くなることを見出した。さらに、生成された水素を原産ガスから分離するには、大きな労力を要する。
それにも関わらず、本発明の特定の実施形態において、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスは、０．１～２５体積％、好ましくは０．５～１５体積％、より好ましくは１～５体積％のＨ２を含む。特に、少なくとも第１の供給ラインを介してプラズマ部に導入されるＣ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスは、０．１～２５体積％、好ましくは０．５～１５体積％、より好ましくは１～５体積％のＨ２を含んでいてもよい。少なくとも１つの第２の供給ラインを介して第２の反応部の第１の副部に導入されるＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスは、０．１～２５体積％、好ましくは０．５～１５体積％、より好ましくは１～５体積％のＨ２を含んでいてもよい。少なくとも１つの第２の供給ラインを介して第２の反応部の第１の副部に導入されるＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスは、０．１～１０体積％、好ましくは０．５～７体積％、より好ましくは１～５体積％のアセチレンを含んでいてもよい。
以下の主要な目標反応（反応（２）参照（以下に再度掲載））および副反応（反応（３）参照）は、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを用いることにより、プラズマ部において発生する。
目標反応：
（２）２ＣＨ４⇔Ｃ２Ｈ２＋３Ｈ２ ΔＨ＝＋３７６ｋＪ／ｍｏｌ
主要な副反応（吸熱）：
（３）２ＣＨ４⇔Ｃｓ＋２Ｈ２ ΔＨ＝＋７５ｋＪ／ｍｏｌ
正のエンタルピー差が示すように、水素生成の推進には大量のエネルギーを要する。本発明者は、驚くべきことに、特許請求の範囲に係る装置、プロセス、および使用が第２の反応部において、制御された発熱アセチレン分解反応（４）を誘導することにより、タール等の不要な高分子量炭化水素の形成を抑えることになるため都合が良いことを見出した。同時に、この反応によれば、別のＣ１～Ｃ４アルカン含有原料の追加および分割が可能となるため、水素および固体炭素の絶対収率が増大するとともに、全体的な固有の電気エネルギー消費が少なくなる。より多くのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスを水素およびカーボンブラックへと分解するのに必要なエネルギーは、アセチレンの分解により供給可能である。したがって、プラズマ反応器の能力を増大するとともに、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスの分解のための合計固有電気需要を抑えることができる。
主要な発熱反応：
（４）Ｃ２Ｈ２→２Ｃｓ＋Ｈ２ ΔＨ＝－２２６ｋＪ／ｍｏｌ
通例、アセチレン逐次反応の進み方は複雑である。たとえば、アセチレンは、結合によってベンゼンを形成し、そこから高次の芳香族およびタールを形成することが知られている。後者は、反応器の壁に不要に堆積するため、反応器の清掃のためにプロセス動作を中断せざるを得なくなる。本発明に開示の反応経路および境界条件下での別のＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスの追加によって、第１にプラズマ状態のプラズマガスの平均温度の制御下での低下による反応度の抑制と、第２にアセチレンの希釈と、がもたらされる。両者は、前述のタールの不要な形成の抑制と、アセチレンの不要な逐次反応の防止とが意図される。本発明者は、別のＣ１～Ｃ４アルカン含有原料の水素およびカーボンブラックへの分解にアセチレン分解の熱を使用可能であることを見出した。したがって、反応器、使用、およびプロセスは、アセチレンのオリゴマー化を抑えるとともに、むしろ第２の反応部において可能な限りアセチレンを不安定化させる一方、その劣化によって、注入されたＣ１～Ｃ４アルカンの水素およびカーボンブラックへの変換を促進するように設計されている。これは驚くべきことに、たとえば特許請求の範囲に係る平均滞留時間および平均温度プロファイルのみならず、滞留時間分布によって確保されることが分かっている。また、特別な装置設計によっても確立される。本明細書において定義する平均滞留時間および滞留時間分布は、混合物の原子を表す。つまり、プラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインを介して注入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスの原子のみを表す。
容積を通って流れる材料の場合、単一の原子の滞留時間は、原子が容積中で費やす時間の尺度である。分子、オリゴマー、ポリマー、または粒子に含まれる原子を含む単一の原子は、単一の滞留時間を有するが、分子または粒子に含まれる原子を含む多数の原子の混合物は、個々の流路および速度が一般的に変化し得ることから、滞留時間分布（ＲＴＤ）を有する。したがって、本発明では、第２の反応部を通過する混合物のすべての原子の平均の滞留時間を定義するために、平均滞留時間に言及する。平均滞留時間および滞留時間分布は、たとえば無反応性の追跡子を反応器の入口に導入することにより測定されるようになっていてもよい。
重要なこととして、本発明者は驚くべきことに、従来技術のプロセスの鍵となるアセチレンの安定化を回避するのが好都合であることを見出した。言い換えると、本発明者は、反応器における混合物の長時間の急冷がアセチレンの安定化を意図したものであることから、これを省略するのが好都合であることを見出した。したがって、本発明の装置、プロセス、および使用では、この尺度を採用しない。
このため、より多くのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスを水素および固体炭素（たとえば、カーボンブラック）へと分解するのに必要なエネルギーは、特許請求の範囲に係る装置、プロセス、および使用の固有の特徴に起因するアセチレンの分解によって部分的にもたらされる。したがって、プラズマ反応器の能力を増大するとともに、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスの分解のための合計固有電気需要を抑えることができる。
本発明の装置は、水素および固体炭素を生成する工業プラント、分散した小規模プラント、実験室規模の機器、またはパイロット・プラントであってもよい。この装置は、電気アークにより熱プラズマを生成する１つまたは複数の反応器を備えていてもよい。したがって、この装置は、並列または交互に動作する複数の反応器を備えていてもよい。
本明細書において使用する用語「平均温度（ｍｅａｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）」は、主流の流れ方向に直交するエリア全体の平均の温度を表し、局所温度が対応する質量流量および平均熱容量によって重み付けされている。
本明細書に定義・記載の条件およびプロセス・パラメータは、別段の明示的な指定のない限り、反応器の定常状態の動作を表すことが了解されるものとする。
本明細書において使用する用語「混合物（ｍｉｘｔｕｒｅ）」は、プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスと、少なくとも１つの第２の供給ラインを介して第２の反応部の第１の副部のプラズマ状態のプラズマガスに導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスとの混合に由来する成分の混合物を表す。混合物の組成は、第２の反応部および任意の後続装置を通るそれぞれの通路に沿った成分の反応によって変動し得る。混合物の成分は、気相、液相、および／または固相であってもよい。
反応器は、プラズマ部と、主流の流れ方向において前記反応器のプラズマ部の直ぐ下流にある第２の反応部と、を備える。プラズマ部は、反応器の一部である。Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスは、少なくとも１つの第１の供給ラインを介してプラズマ部に導入される。プラズマ部は、前記プラズマ部内に延びる電気アークを生成するアノードおよびカソードをさらに備える。電気アークがプラズマガスを加熱することにより、前記少なくとも１つの第１の供給ラインを通じて前記プラズマ部に導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスから、前記プラズマ部においてプラズマ状態のプラズマガスを形成する。これにより、高温によるイオンおよびラジカルの形成を含むプラズマガスの成分の反応が生じる。このように、プラズマ状態のプラズマガスは、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスに由来するイオン化粒子および／またはラジカルが豊富である。
アノードは、プラズマガスの主流の流れ方向に沿い、内面を有する中空チャネルと、プラズマガスの主流の流れ方向で、主流の流れ方向に前記アノードの開口端を形成する出口と、第１の供給ラインを介して反応器のプラズマ部に導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを受け入れる少なくとも１つの入口と、を有し、入口が、主流の流れ方向と反対の方向を向いたアノードの開口端を形成する。アノードは、主流の流れ方向と反対の方向を向いた前記アノードの開口端および主流の流れ方向の前記アノードの開口端を介してプラズマガスが中空チャネルを流れるように構成されており、プラズマガスは、アノードを通過する際に、アノードの中空チャネルの内面に接触する。アノードに接触する電気アークのフットポイントは、アノードの中空チャネルの内面上に位置付けられる。アノードは、同軸中空チャネルを有する円筒形状であるのが好ましい。
いくつかの実施形態において、対応するアノードおよびカソードは、主流の流れ方向において少なくとも部分的にも重なり合わない。これにより、アノードおよびカソードは、入れ子にならない。これを図１および図２に例示する。
本発明において使用する表現「アノードおよびカソードは、少なくとも部分的にも重なり合わない（ａｎｏｄｅ ａｎｄ ｃａｔｈｏｄｅ ｄｏ ｎｏｔ ａｔ ｌｅａｓｔ ｐａｒｔｉａｌｌｙ ｏｖｅｒｌａｐ）」は、流れの主方向において、アノードおよびカソードが互いに離隔していることを意味する。
好適な実施形態において、アノードおよび／またはカソードは、好ましくは液冷、より好ましくは水冷により冷却される電極である。これにより、電極の腐食の抑制および長期にわたる動作が保証される。別の実施形態において、アノードおよび／またはカソードは、１０重量％未満のグラファイト等の固体炭素材料を含む材料で構成されている。グラファイト等の固体炭素ベースの電極を含む反応器は通常、金属ベースの電極よりも高い劣化速度を示し、高価である。したがって、好適な実施形態においては、反応器のアノードおよびカソードが金属電極である。
別の実施形態において、アノードおよびカソードは、同心であり、カソードは、主軸が主流の流れ方向に沿って延びた中空チャネルを有し、中空チャネルは、２つの対向端部を有し、主流の流れ方向と反対の方向を向いた端部が、閉鎖され、プラズマガスの主流の流れ方向を向いた端部が、開放されている。このプラズマガスの主流の流れ方向を向いた開口端は、主流の流れ方向と反対の方向を向いたアノードの開口端の上流で同心に位置決めされているのが好ましい。主流の流れ方向と反対の方向を向くカソードの中空チャネルの端部との関連での用語「閉鎖（ｃｌｏｓｅｄ）」は、チャネルの端部が完全に閉鎖されていること、または、カソードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交するカソードの平均流れ断面との比較での流れ断面の面積に基づいて、主流の流れ方向に直交する流れ断面が少なくとも９０％小さくなっていることを意味する。
これらの実施形態において、アノードおよびカソードは、カソードの内面およびアノードの内面に電気アークのフットポイントがそれぞれ接触するように配置されている。好適な実施形態において、アノードおよびカソードは、主流の流れ方向を向いたカソードの端部と主流の流れ方向と反対の方向を向いたアノードの端部との間に主流の流れ方向の間隙が存在するように配置されている。前記間隙の長さは、好ましくはアノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの範囲におけるアノードの中空チャネルの平均内径の少なくとも０．３倍、より好ましくは少なくとも０．５倍である。いくつかの実施形態において、少なくとも１つの第１の供給ラインは、アノードとカソードとの間の間隙を介してプラズマガスが反応器のプラズマ部に導入されるように配置されている。
カソードおよび／またはアノード上の電気アークのフットポイントの形状および場所は通常、起動、停止、および負荷変更のみならず、定常状態の動作においても、動作中に時間とともに変動する。特に、アノードが中空チャネルを有し、電気アークのフットポイントがアノードの中空チャネルの内面上にある場合、フットポイントの場所は、定常状態の動作においても、アノードの外周に沿うとともに、少なくとも有限の範囲で主流の流れ方向の上方および下方へと経時的に変動し得る。主流の流れ方向におけるアノードの中空チャネルの内面上のフットポイントの場所の範囲は通常、現在の動作モードによって決まる。たとえば、その他すべてのプロセス・パラメータが一定に保たれている場合は、電気負荷を大きくすると電気アークが長くなるため、アノードの中空チャネルの内面上のフットポイントの場所の範囲が、主流の流れ方向のより下流のアノードの中空チャネルの表面上のエリアへとシフトする。本発明の背景では、アノードの中空チャネルの内面に関して、「フットポイント（ｆｏｏｔ ｐｏｉｎｔ）」という用語は、すべての連続する反応器動作モードにおいて最も下流にあるフットポイントの場所を表す。フットポイントの最大到達範囲は、たとえばアノードの中空チャネルの内面上の材料腐食の解析に基づいて、動作後のアノードの補正により識別可能である。材料腐食は、動作中にアークが届かなかった表面部と比較して、フットポイントが接触する内面の部分で明らかに高い。フットポイントは、電気アークがアノードに接触するエリアを規定する。同様に、動作中にカソードの中空チャネルの内面上にフットポイントが位置付けられるエリアは、動作後の補正により識別されるようになっていてもよい。
通常、本発明に開示のプロセスの場合、電気アークによりプラズマ部に入力される電気エネルギーは、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有供給プラズマガスの標準立方メートル（１ｍＮ ３）当たり０．５～１０ｋＷｈｅｌの範囲である。本発明を目的とした標準立方メートルは、１立方メートル（１ｍ３）の体積中に含まれる１．０１３２５ｂａｒかつ２７３．１５Ｋでのガスの量である（ＤＩＮ１３４３ ｖｅｒｓｉｏｎ１９９０－０１）。
この装置ひいては反応器は、可変負荷（たとえば、設計負荷の５０～１００％の範囲）で運用されるようになっていてもよい。この負荷は、制御ユニットが受信する特定の信号に応じて制御されるようになっていてもよい。制御ユニットが受信して本発明の装置およびプロセスの制御に使用する信号は、プロセス負荷の決定に影響を及ぼす因子に由来する信号であってもよい。これらの因子は、電気料金、消費電力の現在の二酸化炭素排出量、および／または電力制御等のグリッド・サービスの提供に対する要求であってもよい。
本発明の定義を目的として使用する「アノード（ａｎｏｄｅ）」という用語は、狭義に理解される。アノードは、第２の反応部の第１の副部の始点すなわち主流の流れ方向に沿った少なくとも１つの第２の供給ラインの位置と同一の第２の反応部の始点まで延びているが、第２の反応部の第１の副部の始点を越えた部分は、アノードと同じ電位であってもよい。プラズマ部の他の部分（たとえば、磁気装置またはプラズマガスの旋回を流体力学的に誘導する装置）は、本発明に従って規定されるアノードに属していなくてもよいが、アノードと同じ電位であってもよい。したがって、いくつかの実施形態において、主流の流れ方向を向いたアノードの開口端または電気アークのフットポイントがアノードの中空チャネルの内面に接触する位置で反応器の主流の流れ方向に直交する流れ断面は、アノードおよび／またはアノードから第２の反応部までの遷移部の長さに沿って変化しない。言い換えると、主流の流れ方向に直交する流れ断面は本質的に、アノードおよびアノードから第２の反応部までの遷移部において不変となり得る。そのため、特定の実施形態において、主流の流れ方向に直交する主流の流れ方向と反対のアノードの開口端における流れ断面は、第２の反応部の第１の副部の始点において主流の流れ方向に直交する流れ断面と本質的に同じであってもよい。
反応器がそのプラズマ部（２０）の直後に第２の反応部（３０）を備えるという事実は、２つの反応部が互いに直接取り付けられていることを意味する。第２の反応部は、第１の副部（３１）および主流の流れ方向において第１の副部の直後にある第２の副部（３２）を有する。主流の流れ方向における第２の反応部の端部には、反応器から混合物を引き出す出口手段（３３）が備えられている。これらは、反応器から混合物を引き出す１つまたは複数のラインまたはバルブであってもよい。
第２の反応部の端部における出口手段の位置決めは、反応器から混合物を引き出すのに適する限り、第２の反応部の端部またはその近傍に出口手段が位置決めされることを意味する。
本明細書において使用する「ガス（２３）の主流の流れ方向（ｆｌｏｗ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｔｒｅａｍ ｏｆ ａ ｇａｓ （２３））」またはより具体的に「プラズマガスの主流の流れ方向（ｆｌｏｗ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｔｒｅａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｓｍａ ｇａｓ）」という用語は、反応器のプラズマ部への注入から第２の反応部の端部における出口手段（３３）を介した引き出しまで、反応器を通るガスまたはプラズマガスの全体的な流れを表す。通常、プラズマガスの主流の流れ方向は、プラズマ部を通って流れるガスを表す。第２の反応部および混合物に関する場合は、通例、混合物の主流の流れ方向と称する。プロセスの最中には、プラズマガスが反応して、別の成分と混合される。ガスの主流の流れ方向は、反応器を通る主流の経路に沿って変化し得るとしても、図面に例示するような本発明のプロセス、装置、および使用の特徴の位置および配向を規定する手段である。主流の流れ方向に直交する流れ断面が一例である。
第１の副部（３１）は、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを第２の反応部（３０）の前記第１の副部（３１）に導入する少なくとも１つの第２の供給ライン（７０）を備える。本発明の鍵となるのは、少なくとも１つの第１の供給ラインを介して導入されるプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインを介して反応器に導入されるガスの両者がＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスである点である。少なくとも１つの第２の供給ラインを介して導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスが主流の流れ方向において、アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの下流の位置でプラズマ状態のプラズマガスに導入されることにより、少なくとも１つの第２の供給ラインの下流の第２の反応部の第１の副部において、プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインを介して導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスを含む混合物が形成される。
反応器は、アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの主流の流れ方向における下流のプラズマ部の端部までの範囲において、第２の反応部の第１の副部および／またはプラズマ部における少なくとも１つの点に、主流の流れ方向に直交する流れ断面を備え、前記流れ断面が、アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交するアノードの平均流れ断面と比較して、少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍大きい。このため、アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交するアノードの平均流れ断面と比較して主流の流れ方向に直交する流れ断面が少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍大きい少なくとも１つの点は、少なくとも１つの第２の供給ラインの主流の流れ方向の上流または下流である。特定の実施形態において、アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交するアノードの平均流れ断面と比較して主流の流れ方向に直交する流れ断面が少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍大きい主流の流れ方向の最上流点は、アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの主流の流れ方向の下流でプラズマ部に位置付けられる一方、他の実施形態においては、第２の反応部の第１の副部に位置付けられる。
主流の流れ方向に沿った少なくとも１つの第２の供給ラインの位置は、第２の反応部および第１の副部の始点を規定する。第２の反応部およびその第１の副部は、主流の流れ方向における少なくとも１つの第２の供給ラインの最上流点を通る平面を始点とする。この平面は、少なくとも１つの第２の供給ラインの前記最上流点において、プラズマガスの主流の流れ方向に垂直である。
これを図１および図２に示すが、図中、少なくとも１つの第２の供給ライン（７０）が第２の反応部（３０）の始点を規定している。図２において、アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交するアノードの平均流れ断面と比較して主流の流れ方向に直交する流れ断面が少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍大きい主流の流れ方向の点（７１）は、第２の反応部（３０）の始点すなわち少なくとも１つの第２の供給ラインの主流の流れ方向の上流にあるため、アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの主流の流れ方向の下流でプラズマ部に位置付けられている。
好適な実施形態において、反応器は、アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントと、アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交するアノードの平均流れ断面と比較して主流（７１）の流れ方向に直交する流れ断面が少なくとも５倍、好ましくは１０倍大きい主流の流れ方向における最上流点との間に位置決めされた少なくとも１つの急激な拡張を備える。急激な拡張は、主流の流れ方向に直交する流れ断面の急激な拡張であって、主流軸に対して主流の流れ方向に少なくとも２０°、好ましくは少なくとも４５°、より好ましくは少なくとも７５°の開き角度を有する。この反応器の構成は、少なくとも１つの第２の供給ラインを介して反応器に導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスおよびプラズマ状態のプラズマガスの混合に役立つとともに、混合物の原子の滞留時間分布を広げるのに役立つ。特に、急激な拡張によって、表面が炭化水素の分解に対する触媒効果を有し、逆混合によってサイズが大きくなり得る炭素中に豊富な固体粒子の一部の逆混合が改善される。また、乱流および／または逆混合を誘導する手段に似た別の手段が滞留時間分布を広げるとともに、本発明の装置およびプロセスをさらに改善するものであってもよい。そこで、いくつかの実施形態において、第２の反応部は、混合物の付加的な乱流および／または逆混合を誘導する少なくとも１つの付加的な装置を備える。この装置は、主流の流れ方向において少なくとも１つの第２の供給ラインの下流に位置決めされるのが好ましい。いくつかの実施形態において、少なくとも１つの付加的な装置は、アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交するアノードの平均流れ断面と比較して主流の流れ方向に直交する流れ断面が少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍大きい主流の流れ方向における最上流点の下流に位置決めされている。これらの実施形態において、少なくとも１つの付加的な装置は、主流の流れ方向において少なくとも１つの第２の供給ラインの下流に位置決めされていてもよい。混合物の乱流および／または逆混合を誘導する少なくとも１つの付加的な装置は、パッシブグリッド、静的ミキサー、反応器のベンド、およびこれらの組み合わせから成る群から選択されるようになっていてもよく、反応器のベンドは、主流の流れ方向に対して少なくとも８０°、好ましくは少なくとも１３５°の混合物の流れ方向の変化を誘導する。本発明の特定の実施形態において、反応器は、好ましくは第２の反応部において、より好ましくは第２の反応部の第１の副部および／または第２の副部において、２つ以上の急激な拡張を含む。
好適な実施形態において、プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物の原子の少なくとも５％の第２の反応部における滞留時間は、プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物のすべての原子の第２の反応部における平均滞留時間から少なくとも５％絶対数で逸脱している。
別段の指定のない限り、第２の反応部における滞留時間、平均滞留時間、および滞留時間分布は、第２の反応部全体における滞留時間、平均滞留時間、および滞留時間分布を表す。
用語「平均滞留時間から少なくとも５％絶対数で逸脱（ｉｎ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｎｕｍｂｅｒｓ ｂｙ ａｔ ｌｅａｓｔ ５％ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｍｅａｎ ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ ｔｉｍｅ）」は、対応する原子の滞留時間が平均滞留時間に対して９５％以下又は１０５％以上であることを意味する。
プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物の原子の少なくとも１０％の第２の反応部における滞留時間は、プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物のすべての原子の第２の反応部における平均滞留時間から少なくとも１０％絶対数で逸脱しているのが好ましく、プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物のすべての原子の第２の反応部における平均滞留時間から少なくとも１５％逸脱しているのがより好ましく、少なくとも２０％逸脱しているのがさらに好ましい。
別の実施形態において、アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントから、アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交するアノードの平均流れ断面と比較して主流の流れ方向に直交する流れ断面が少なくとも５倍、好ましくは１０倍大きい主流の流れ方向における最上流点までの範囲における主流の流れ方向に直交する流れ断面が、アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントにおける主流の流れ方向に直交する平均流れ断面に対して任意の点で少なくとも６０％、好ましくは少なくとも８０％、より好ましくは少なくとも９０％である。これにより、アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントと主流の流れ方向に直交する流れ断面が大きくなる点との間で流れ断面が減少するとしても、それは限られた現象となる。これにより、反応器のこのゾーンにおける不要な圧力降下および材料応力が防止される。
混合物の原子の必要な滞留時間を規定するため、この装置は、個々の部位の一定の容積比を特徴とする。基準は、アノードの中空チャネルの内面が電気アークに対向し、反応器のプラズマ部の端部まで達する最上流位置を始点とするプラズマ部の容積である。用語「アノードの中空チャネルの内面が電気アークに対向し、プラズマ部の端部まで達する最上流位置を始点とするプラズマ部の容積（ｔｈｅ ｖｏｌｕｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｓｍａ ｓｅｃｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｂｅｇｉｎｓ ａｔ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｕｐｓｔｒｅａｍ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｔ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｉｎｎｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｏｌｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ａｎｏｄｅ ｉｓ ｆａｃｉｎｇ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｒｃ ａｎｄ ｒｅａｃｈｅｓ ｄｏｗｎ ｔｏ ｔｈｅ ｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｓｍａ ｓｅｃｔｉｏｎ）」は、前記点におけるアノードの内面に対して垂直な方向で電気アークに対向するアノードの中空チャネルの最上流点を通る平面であって、アノードの前記最上流点において主流の流れ方向に垂直である、平面を始点し、主流の流れ方向における反応器のプラズマ部の端点に垂直な平面を終点とするアノードの中空チャネルの内容積を表す。この容積は、図１および図２において参照記号（２２）により強調している。基準容積は、０．０００１ｍ３～０．４ｍ３の範囲、好ましくは０．００１ｍ３～０．２ｍ３の範囲の容積を有する。第２の反応部の第１の副部および第２の反応部全体の容積は、基準容積に関して規定される。第２の反応部の第１の副部の容積は、基準容積の１０～２００倍の範囲、好ましくは基準容積の２０～１００倍の範囲である一方、第２の反応部全体の容積は、基準容積の２０～２０００倍の範囲、好ましくは基準容積の４０～１０００倍の範囲である。
本明細書において使用する「容積（ｖｏｌｕｍｅ）」という用語は、特定の物体の内容積を表す。これは、基準容積について、プラズマガスが充填されたアノードの中空チャネルの内容積に関することを意味する。したがって、アノードの中空チャネルの壁も、アノードとの接続またはアノードへの包含がなされ得る冷却手段も含まれない。第２の反応部の容積に関して、これは、本明細書において使用する容積が、プラズマ部から第２の反応部までの遷移点において主流の流れ方向に垂直な平面を始点とし、第２の反応部の端部を終点とする第２の反応部の内容積であって、プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスの成分が充填された、内容積に関することを意味する。第２の反応部の第１の副部の容積に関して、これは、本明細書において使用する容積が、プラズマ部から第２の反応部までの遷移点において主流の流れ方向に垂直な平面を始点とし、第２の反応部の第１の副部の端部を終点とする第２の反応部の第１の副部の内容積であって、プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスの成分が充填された、内容積に関することを意味する。
Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスは、主流の流れ方向におけるアノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの下流の位置で主流の流れ方向に直交して、少なくとも１つの第２の供給ラインを介してプラズマ状態のプラズマに導入されるのが好ましい。したがって、少なくとも１つの反応器は、少なくとも１つの第２の供給ラインが主流の流れ方向に直交してＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスをプラズマ状態のプラズマガスに導入するように構成されていてもよい。直交する導入としては、主流の軸に対して８０～１００°、好ましくは８５～９５°の範囲の角度での導入が挙げられる。これにより、プラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインを介して導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスの混合物がさらに改善される。
プラズマガスの絶対流量は通常、２ｍ３／ｈ～４０，０００ｍ３／ｈの範囲である。明らかなこととして、選択される反応器の設計詳細に応じて特定の流量が設定される。このため、指定の最大流量をプラズマ部の基準容積０．０００１ｍ３と組み合わせる可能性は低い。したがって、本明細書に記載のパラメータの範囲は、本発明の装置を動作させるとともに本発明のプロセスを実現するために当業者が適当なパラメータ設定を選択する範囲として了解されるものとする。
標準時間当たり立方メートルを単位とした供給プラズマガスの流量に対する第２の供給ガスの流量の比は、０．１～１．５の範囲内に含まれるように設定されるのが好ましい。第１の反応部への注入に先立って、少なくとも１つの第１の供給ラインを介してプラズマ部に導入されるプラズマガスの温度は、２０℃～６００℃での範囲であるのが好ましい。これには、プラズマ部への導入に先立って、たとえば熱交換器を用いてプラズマガスを加熱することを含み得る。また、少なくとも１つの第２の供給ラインを介して第２の反応部に導入されるＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスの温度は、２０℃～１０００℃での範囲であるのが好ましい。ここで再び、この範囲に含まれる温度までガスを加熱するのに熱交換器が用いられるようになっていてもよい。予備加熱後の流れの比および流れの温度は、第２の反応部における混合物の温度プロファイルを調整する手段である。他の手段としては、たとえばプラズマガスの標準立方メートル当たりの電気エネルギーのキロワット時を単位とする電気アークの固有エネルギー入力と、供給プラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインを介して導入されるＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスの組成とがある。
装置が熱交換器を具備する場合、この熱交換器は、反応器を出た混合物から受熱するようにしてもよい。そこで、特定の実施形態においては、第２の反応部の出口手段が熱交換器（１２０）と接続されている。あるいは、熱交換器は、蒸気または少なくとも１つのバーナーから受熱するようにしてもよい。このバーナーは、本発明の装置の反応器において過去に生成された水素の一部を含む燃料を注入するのが好ましい。
あるいは、この装置は、反応器を出た混合物または混合物の少なくとも一部を受け入れ得る２つの熱交換器を具備する。好適な一実施形態においては、両熱交換器が反応器の出口手段に対して並列に接続されている。別の好適な実施形態において、熱交換器は、直列に接続されている。すなわち、一方の熱交換器が反応器の出口手段に直接接続され、他方の熱交換器が第１の熱交換器の出口に接続されている。このため、少なくとも１つの第１の供給ラインを介してプラズマ部に注入されたプラズマガスは、一方の熱交換器によって、少なくとも１つの第２の供給ラインを介して導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスとともに予備加熱されるようになっていてもよい。あるいは、少なくとも１つの第１の供給ラインを介してプラズマ部に注入されたプラズマガスは、反応器の出口手段に対する並列接続または直列接続がなされた前記２つの熱交換器の一方によって、少なくとも１つの第２の供給ラインを介して導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスとは別個に予備加熱されるようになっていてもよく、また、反応器の出口手段に対する並列接続または直列接続がなされた前記２つの熱交換器の他方によって、少なくとも１つの第２の供給ラインを介して導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスとは別個に予備加熱されるようになっていてもよい。２つの熱交換器が直列接続されている場合、出口（３３）を介して引き出された流れと接続された第１の熱交換器は、少なくとも１つの第１のライン（６０）に接続されることにより、少なくとも１つの第１の供給ライン（６０）を介したプラズマ部への導入に先立って、熱をプラズマガスに伝達するようにしてもよい。第２の熱交換器は、少なくとも１つの第２の供給ライン（７０）と接続されて、第１の熱交換器を出た流れから、少なくとも１つの第２の供給ライン（７０）を介して第２の反応部の第１の副部に導入されたガスへと余熱を伝達するようにしてもよい。
好適な一実施形態において、この装置は、反応器の出口手段と接続されて、反応器を出た混合物または混合物の少なくとも一部を受け入れることにより、蒸気を生成すると同時に混合物を冷却する熱交換器を具備する。別の好適な実施形態において、この装置は、蒸気生成用の前記１つの熱交換器と、少なくとも１つの第１の供給ラインを介してプラズマ部に注入されたプラズマガスおよび／または少なくとも１つの第２の供給ラインを介して導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスを予備加熱する前記１つまたは２つの熱交換器との両者を具備する。好適なプロセスにおいて、熱交換器は、状況（たとえば、再生可能電力の可用性、熱の需要、および／または電気のコスト）に応じて異なる負荷で動作する。より具体的に、好適なプロセスにおいては、状況（たとえば、再生可能電力の高い可用性および／または熱の需要）に応じて、反応器を出た混合物のより大きな部分または全部が外部熱使用のための熱生成に用いられることになる。再生可能電力の可用性および／または熱の需要が低い場合は、外部使用のための熱が混合物からほとんど生成されないか、または一切生成されず、その代替として、少なくとも１つの第１の供給ラインを介してプラズマ部に注入されたプラズマガスおよび／または少なくとも１つの第２の供給ラインを介して導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスの予備加熱に混合物が用いられることにより、水素および固体炭素を生成する反応器における固有電気エネルギー消費が抑えられることになる。
特定の実施形態において、本発明に係る水素および固体炭素を生成する装置は、前記反応器において形成された固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置であり、混合物の固体成分、好ましくはカーボンブラックからガス状成分を分離することにより、混合物の固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する、固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置であって、ａ）反応器の出口手段と流体連通し、ｂ）前記固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置に入る混合物と比較して濃縮された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れ用の少なくとも１つの出口を有し、ｃ）混合物のガス状成分と、前記固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置に入る混合物と比較して低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックと、を含む流れ用の少なくとも１つの出口を有する、固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置をさらに備える。
いくつかの実施形態において、混合物の固体成分を濃縮する少なくとも１つの装置は、サイクロン、特に高温サイクロン、フィルタ、好ましくは高温フィルタ、固体粒子の固定床または流動床を含む装置、スクラバ、好ましくは水を含むスクラブ媒体またはオイルベースのスクラブ媒体を使用するスクラバ、ならびにこれらの組み合わせから成る群から選択される。
特定の実施形態において、プラズマ部から第２の反応部までの遷移点において主流の流れ方向に垂直な平面を始点とし、第２の反応部の端部を終点とする第２の反応部の容積と、混合物の固体成分を濃縮する装置の容積とを合わせた総容積は、基準容積の２０～２０００倍の範囲、好ましくは基準容積の４０～１０００倍の範囲である。
本発明の固体炭素は、カーボンブラックを含むか、またはカーボンブラックであるのが好ましい。通常、工業用カーボンブラックは、粒径が数ナノメートル～５００ｎｍの範囲の一次粒子の凝集体を含むか、またはそのような凝集体である。たとえば粒径および／または固有表面積に関して、互いに異なるさまざまな種類のカーボンブラックが存在する。「固体炭素（ｓｏｌｉｄ ｃａｒｂｏｎ）」という用語は、反応条件下で固体の反応空間中の炭素を表す。固体炭素の一例は、炭素原子の凝集体である。
別の実施形態において、本発明の装置は、第２の反応部の出口に接続された固体成分を濃縮する少なくとも１つの装置を備えており、固体カーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置の供給と比較して固体濃度が低い混合物を含む固体カーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置の出口とは、熱交換器が接続されている。
いくつかの実施形態において、水素および固体炭素を生成する装置は、固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置のほか、混合物のガス状成分と、固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置に入る混合物と比較して低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックと、を含む流れから水素を濃縮する少なくとも１つの装置であって、ａ）混合物の固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置の、混合物のガス状成分および低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れ用の出口と流体連通し、ｂ）混合物のガス状成分を含む流れと比較して濃縮された濃度の水素と、前記水素を濃縮する少なくとも１つの装置に入る低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックと、を含む流れ用の少なくとも１つの出口を有し、ｃ）混合物のガス状成分を含む流れと比較して低減された濃度の水素と、前記水素を濃縮する少なくとも１つの装置に入る低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックと、を含む流れ用の少なくとも１つの出口を有する、水素を濃縮する少なくとも１つの装置を備える。
いくつかの実施形態において、混合物のガス状成分および水素を濃縮する少なくとも１つの装置に入る低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れと比較して低減された濃度の水素を含む流れ用の少なくとも１つの出口は、貯蔵コンテナ、好ましくは流れの元の圧力よりも高い圧力を有する圧力容器と接続されている。ここに貯蔵されるガスは、エチレンおよびアセチレン等の不飽和炭化水素を含んでいてもよく、燃料として有用となり得る。
好適な一実施形態において、混合物のガス状成分および水素を濃縮する少なくとも１つの装置に入る低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れと比較して低減された濃度の水素を含む流れ用の出口は、ガスの少なくとも一部を燃焼可能なバーナーに接続されている。
別の実施形態において、混合物のガス状成分および水素を濃縮する少なくとも１つの装置に入る低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れと比較して低減された濃度の水素を含む流れの少なくとも一部は、原料として使用され、好ましくは少なくとも１つの第１、第２、および／または第３の供給ライン（利用可能な場合）、より好ましくは少なくとも１つの第２の供給ラインを介して反応器に戻される。前記原料としての使用は、時間とともに変化するため、反応器の動作モードおよび／または特定の境界条件に応じてなされるのが好ましい。たとえば、前記流れは、好ましくは規定される閾値以上の電気料金にて、反応器で原料として使用することも可能である。好適な一実施形態において、混合物のガス状成分および水素を濃縮する少なくとも１つの装置に入る低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れと比較して低減された濃度の水素を含む流れ用の出口は、プロセス熱を生成するフレアおよび／またはバーナーにも接続されている。このため、たとえば天然ガス中のＣＯ２に由来すると考えられるガスからの酸素含有成分（一酸化炭素等）または原料中の他の酸素含有成分のほか、天然ガス中のＮ２等、少なくとも１つの第１の供給ラインおよび／または少なくとも１つの第２の供給ラインを介して導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有ガス中の不活性ガス（Ｎ２等）の少なくとも一部を除去可能である。
別の実施形態において、本発明に係る水素および固体炭素を生成する装置は、反応器であって、アノードまたはアノードの一部を前記反応器の残りの部分に脱着可能に接続する手段、好ましくは２つの別個の手段を有する、反応器を備える。前記２つの別個の手段の一方が、アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの上流で主流の流れ方向に位置決めされ、前記２つの別個の手段の他方が、アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの下流で主流の流れ方向に位置決めされているのが好ましい。前記アノードまたはアノードの一部を反応器の残りの部分に脱着可能に接続する手段は、主流の流れ方向において少なくとも１つの第２の供給ラインの上流に位置決めされている。いくつかの実施形態においては、アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの主流の流れ方向の下流から少なくとも１つの第２の供給ラインの主流の流れ方向の上流までの範囲に、アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交するアノードの平均流れ断面と比較して主流の流れ方向に直交する流れ断面が少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍大きい最上流点が存在する。これは、アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交するアノードの平均流れ断面と比較して主流の流れ方向に直交する流れ断面が少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍大きい点（流れ断面の拡張）が電気アークのフットポイントと第２の供給ラインとの間の空間に既に存在し得ることを意味する。アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交するアノードの平均流れ断面と比較して主流の流れ方向に直交する流れ断面が少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍大きい最上流点の主流の流れ方向の上流に、主流の流れ方向に直交する流れ断面の急激な拡張がさらに存在するのがより好ましい。これらの状況において、アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの下流で主流の流れ方向に位置決めされた手段は、アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交するアノードの平均流れ断面と比較して主流の流れ方向に直交する流れ断面が少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍大きい最上流点の上流、より好ましくは、主流の流れ方向に直交する流れ断面の急激な拡張の上流で主流の流れ方向に位置決めされている。これにより、必要に応じて、アノードの高速かつ容易で効率的な交換が可能となる。特に、反応器のダウンタイムを延長する必要がなくなり、アノードを交換するための反応器の実質的な分解が回避される。
いくつかの実施形態において、本発明に係る水素および固体炭素を生成する装置は、反応器であって、カソードまたはカソードの一部を前記反応器の残りの部分に脱着可能に接続する手段、好ましくは２つの別個の手段を有する、反応器を備える。前記カソードまたはカソードの一部を反応器の残りの部分に脱着可能に接続する手段は、主流の流れ方向において少なくとも１つの第２の供給ラインの上流に位置決めされている。カソードは、電気アークが延びる中空チャネルを有するのが好ましく、電気アークのフットポイントは、カソードの中空チャネルの内面に接触する。これらの状況において、前記２つの別個の手段の一方は、カソードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの上流で主流の流れ方向に位置決めされていてもよく、前記２つの別個の手段の他方は、カソードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの下流で主流の流れ方向に位置決めされていてもよい。
好適な実施形態において、アノードの中空チャネルの内面およびその主流の流れ方向の端部は、第２の反応部の内面の主流の流れ方向の始点と同一平面である（図１および図２参照）。このため、両実施形態において、主流の流れ方向におけるアノードの第２の反応部への遷移点には、２つの対向側からのプロセス・ガスが接触するアノード壁のセグメントが存在しない。アノードの中空チャネルの内面および第２の反応部の第１の副部の内面から、一定の通路が存在しているのが好ましい。これにより、反応器における流れおよび反応の制御が改善可能となり、タールまたは固体の不要な堆積が回避されるため、都合が良い。
これらの状況において、反応器は、脱着可能なアノードの下方の流路を遮断して、プラズマ状態のプラズマガスの第２の反応部への経路を閉鎖する手段を含んでいてもよい。接続を遮断する手段は、アノードと第２の反応部の始点との間に位置決めされているのが好ましい。遮断手段は、バルブまたはスライドであるのが好ましい。より好適な一実施形態において、遮断手段は、好ましくは液体、より好ましくは水により冷却される。
特定の実施形態において、少なくとも１つの反応器は、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを第２の反応部に導入する少なくとも１つの第３の供給ラインを有し、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを導入する少なくとも１つの第３の供給ラインは、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを第２の反応部に導入する少なくとも１つの第２の供給ラインの下流で主流の流れ方向に配置されており、少なくとも１つの第３の供給ラインの位置は、第２の反応部（３２）の第２の副部の始点を規定するのが好ましい。少なくとも１つの第２の供給ラインの下流の少なくとも１つの第３の供給ラインを介したＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスの導入は、主流の経路に沿った温度および反応の制御を改善するのに都合が良い。
出口手段（３３）を介して引き出された水素および固体炭素を含む、本発明の装置およびプロセスにより生成された混合物は、貯蔵されるようになっていてもよい。この貯蔵は、中間であってもよく、たとえば、調整プロセスまたはより長期間におけるバッファリング目的であってもよい。たとえば、混合物は、過圧容器に貯蔵されるようになっていてもよい。このような過圧容器は、最大２００ｂａｒの高圧でガスを貯蔵可能であってもよい。特定の実施形態においては、まず固体炭素の量が削減される。その後、（減量した固体炭素および／または別の成分での）原油または精製水素を含む残りの混合物が容器に貯蔵されるようになっていてもよい。
熱プラズマによりＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスから水素および固体炭素を生成するプロセスは、少なくとも添付の特許請求の範囲に規定するようなステップａ）～ｈ）を含むことを特徴とする。ステップａ）においては、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを供給する装置からＣ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを引き出す。本明細書において、このような装置は、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを供給する装置としても開示する。好適な実施形態において、このプロセスは、本発明に係る装置および反応器を採用する。
ステップｅ）において、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを第２の反応部に導入する少なくとも１つの第２の供給ラインを介した第２の反応部の第１の副部へのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスの導入は、少なくとも１つの第２の供給ラインを介して第２の反応部に導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスが主流の流れ方向において、アノードおよびカソードにより生成された電気アークのフットポイントの下流でプラズマ状態のプラズマガスに導入されることにより、少なくとも１つの第２の供給ラインの下流の第２の反応部の第１の副部において、プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインを介して第２の反応部の第１の副部に導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスから混合物が形成されるように行われる。
Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスが少なくとも１つの第２の供給ラインを介してプラズマ状態のプラズマガスに導入される位置におけるプラズマ状態のプラズマガスは、１２００～３０００℃の範囲、好ましくは１５００～２８００℃の範囲の平均温度を有する。これは、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスが少なくとも１つの第２の供給ラインを介してプラズマ状態のプラズマガスに導入されない場合にプラズマ状態のプラズマガスが前記位置で有することになる平均温度を意味する。
鍵となるのは、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスが少なくとも１つの第２の供給ラインを介してプラズマ状態のプラズマガスに注入される前に、プラズマ状態のプラズマガスがアセチレンを含む点である。Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスが少なくとも１つの第２の供給ラインを介してプラズマ状態のプラズマガスに導入される位置におけるプラズマ状態のプラズマガスは、好ましくは少なくとも２体積％、より好ましくは少なくとも４体積％、さらに好ましくは少なくとも６体積％、最も好ましくは８体積％超のアセチレンを含む。
少なくとも１つの第２の供給ラインを介したプラズマ状態のプラズマガスへのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスの導入の結果として、混合物が形成される。混合物は、少なくとも１つの第２の供給ラインから第２の反応部の第１の副部の端部までの範囲において、少なくとも８５０℃、好ましくは少なくとも１０５０℃かつ３０００℃未満、好ましくは２８００℃未満の平均温度を有する。
第２の反応部の第２の副部において、混合物の平均温度は、少なくとも６５０℃、好ましくは少なくとも７５０℃、より好ましくは少なくとも８５０℃かつ１５００℃未満、好ましくは７００℃～１４００℃の範囲、より好ましくは８００℃～１３００℃の範囲、最も好ましくは８００℃～１２００℃の範囲であり、プラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも第２の供給ラインを介して導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物の第２の反応部の端部における平均温度は、少なくとも２００Ｋ、好ましくは少なくとも４００Ｋ、より好ましくは少なくとも６００Ｋの平均温度であり、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスが少なくとも１つの第２の供給ラインを介してプラズマ状態のプラズマガスに導入された位置におけるプラズマ状態のプラズマガスの平均温度よりも低い。この平均温度は、アセチレンを生成する反応器およびプロセスの従来技術で使用される平均温度よりもかなり高く、プロセスの効率がさらに改善される。このことは、本発明のプロセスおよび反応器の使用にも当てはまる。
ステップｆ）は、主流の流れ方向に混合物を下流へと第２の反応部に通過させることを含み、前記通過が、第２の反応部の第１の副部において、プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物中の原子の平均滞留時間が１００ｍｓ～２０００ｍｓの範囲、好ましくは２００ｍｓ～１０００ｍｓの範囲、より好ましくは４００ｍｓ～９００ｍｓの範囲、さらに好ましくは５００ｍｓ～８００ｍｓの範囲となるようになされている。このため、第２の反応部の第１の副部における混合物の平均温度およびその原子の平均滞留時間は、プロセスの効率的な動作のために重要である。ステップｆ）の別の規定では、上記通過が、第２の反応部の第２の副部を含む第２の反応部全体において、プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物の原子の平均滞留時間が２００ｍｓ～２００００ｍｓの範囲、好ましくは４００ｍｓ～１００００ｍｓの範囲、より好ましくは６００ｍｓ～９０００ｍｓの範囲、さらに好ましくは８００ｍｓ～８０００ｍｓの範囲、なお好ましくは１０００ｍｓ～７５００ｍｓの範囲となるようになされている。また、第２の反応部の第２の副部を含む第２の反応部全体について、混合物の平均温度およびその原子の平均滞留時間は、プロセスの効率的な動作のために重要である。
さらに、ステップｆ）の規定では、プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物の原子の少なくとも５％の第２の反応部における滞留時間が、プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物のすべての原子の第２の反応部における平均滞留時間から少なくとも５％絶対数で逸脱し、好ましくはプラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物の原子の少なくとも１０％の第２の反応部における滞留時間が、プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物のすべての原子の第２の反応部における平均滞留時間から少なくとも１０％絶対数で逸脱し、より好ましくはプラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物のすべての原子の第２の反応部における平均滞留時間から少なくとも１５％、さらに好ましくは少なくとも２０％絶対数で逸脱する。このため、混合物の原子の平均滞留時間のみならず、滞留時間分布も関連するとともに、制御される。したがって、第２の反応部においても、水素および固体炭素、好ましくはカーボンブラックが生成される。全体としては、第２の反応部におけるＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスの水素および固体炭素への変換に要するエネルギーの供給のためにアセチレン分解熱の利用を最大化するようにプロセスおよび装置のパラメータが規定されていることから、反応器においては、水素および固体炭素、好ましくはカーボンブラックがより少ないエネルギー消費で生成される。
本発明の装置に関して、上記および添付の特許請求の範囲において識別される本発明のプロセスは、混合物から固体および水素を濃縮するステップを含んでいてもよい。したがって、このプロセスは、ｉ）混合物の固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置によって、出口手段を介して引き出された混合物を処理することにより、混合物の濃縮された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れと、混合物のガス状成分および混合物の低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れと、を生成するステップをさらに含んでいてもよい。ステップｉ）は、反応器において形成された固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置であり、混合物の固体成分、好ましくはカーボンブラックからガス状成分を分離することにより、混合物の固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する、固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置であって、反応器の出口手段と流体連通し、前記固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置に入る混合物と比較して濃縮された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れ用の少なくとも１つの出口を有し、混合物のガス状成分と、前記固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置に入る混合物と比較して低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックと、を含む流れ用の少なくとも１つの出口を有する、固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置において行われるのが好ましい。このような装置の好適な実施例を本明細書に開示する。
いくつかの実施形態において、第２の反応部の始点から混合物の固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する装置まで（装置を含む）の範囲において、プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物の原子の平均滞留時間は、２００ｍｓ～２００００ｍｓの範囲、好ましくは４００ｍｓ～１００００ｍｓの範囲、より好ましくは６００ｍｓ～９０００ｍｓの範囲、さらに好ましくは８００ｍｓ～８０００ｍｓの範囲、なお好ましくは１０００ｍｓ～７５００ｍｓの範囲である。これは、本発明のプロセスにおいて規定される温度プロファイルによって、第２の反応部の出口から固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する装置まで（装置を含む）の混合物の通路上でのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスの水素および固体炭素へのさらなる変換が特定の状況下で可能になるためである。第２の反応部を出た混合物が充填された固体成分を濃縮する装置および固体、好ましくはカーボンブラックを濃縮する装置と第２の反応部の出口手段との接続の内容積の総内容積は、上記規定の基準容積の１０～１８００倍の範囲、好ましくは基準容積の２０～８００倍の範囲であってもよい。
固体成分を濃縮する装置を含む本発明のプロセスは、ｊ）混合物のガス状成分および混合物の低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れと比較して濃縮された濃度の水素を含む流れを生成する少なくとも１つの装置によって、混合物のガス状成分および混合物の低減された濃度の固体成分を含む流れを処理するステップをさらに含んでいてもよい。ステップｊ）は、混合物のガス状成分と、固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置に入る混合物と比較して低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックと、を含む流れから水素を濃縮する少なくとも１つの装置であって、混合物の固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置の、低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れ用の少なくとも１つの出口と流体連通し、混合物のガス状成分を含む流れと比較して濃縮された濃度の水素と、前記水素を濃縮する少なくとも１つの装置に入る低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックと、を含む流れ用の少なくとも１つの出口を有し、混合物のガス状成分と、前記水素を濃縮する少なくとも１つの装置に入る低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れと比較して低減された濃度の水素と、を含む流れ用の少なくとも１つの出口を有する、水素を濃縮する少なくとも１つの装置において行われるのが好ましい。
特定の実施形態において、このプロセスは、反応器が、アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの主流の流れ方向における下流のプラズマ部の端部までの範囲において、第２の反応部の第１の副部および／またはプラズマ部における少なくとも１つの点に、主流の流れ方向に直交する流れ断面を備え、前記流れ断面が、アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交するアノードの平均流れ断面と比較して、少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍大きくなるように行われる。アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交するアノードの平均流れ断面と比較して主流の流れ方向に直交する流れ断面が少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍大きい主流の流れ方向における最上流点の直ぐ上流の圧力は、０．５～３０ｂａｒ過圧またはｂａｒゲージの範囲内であるのが好ましい。
本発明のプロセスの別の実施形態において、第２の反応部の壁は、冷却される。より好ましくは流体により冷却され、さらに好ましくは液体により冷却され、なお好ましくは温度が最大４５０℃の液体により冷却される。このことは、当然のことながら、このように壁が冷却され、より好ましくは液体により冷却され、さらに好ましくは温度が最大４５０℃の液体により冷却される第２の反応部を有する反応器を備え得る本発明の装置にも当てはまる。
このプロセスのいくつかの実施形態において、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスは、第２の供給ラインを介して、主流の流れ方向に直交してプラズマ状態のプラズマガスに導入される。これにより、混合物の混合が改善される。
また、このプロセスでは、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスの第２の反応部への少なくとも１回の第３の導入が行われ、この第３の導入が、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを第２の反応部に導入する少なくとも１つの第２の供給ラインの下流で主流の流れ方向に配置された少なくとも１つの第３の供給ラインを介して行われるようになっていてもよく、少なくとも１つの第３の供給ラインの位置は、第２の反応部の第２の副部の始点を規定するのが好ましい。
このプロセスをさらに改良するため、本発明のプロセスに係る固体炭素、好ましくはカーボンブラック、より好ましくは前記プロセスにおいて生成され、分離された固体炭素、好ましくはカーボンブラックの一部は、前記プロセスにおいて生成され、好ましくは水素および／またはＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに分散した固体炭素、好ましくはカーボンブラックの総量と比較して、平均粒子サイズまたは固有表面積等の平均特性が異なるが、第２の反応部に導入されるようになっていてもよい。固有平均粒子サイズまたは固有表面積を有する固体炭素、好ましくはカーボンブラックは、固体炭素材料、好ましくはカーボンブラック材料の分別により得られるようになっていてもよい。分散したカーボンブラックは、カーボンブラックの分離を含む本発明に係るプロセスにおいて生成されたカーボンブラックの一部であってもよい。水素および／またはＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに分散した固体炭素、好ましくはカーボンブラックは、直接または好ましくはＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスを第２の反応部の第１の副部に導入する少なくとも１つの第２の供給ラインへの導入によって、第２の反応部に導入される。固体炭素、好ましくはカーボンブラックは、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを第２の反応部の第１の副部に導入する少なくとも１つの第２の供給ラインに導入されるのが好ましい。
前記固体炭素、好ましくはカーボンブラック含有ガス流が直接、第２の反応部に導入される場合、第２の反応部への導入点の直前の固体炭素、好ましくはカーボンブラックの濃度は、１ｇ／ｍＮ ３～１００ｇ／ｍＮ ３の範囲であってもよい。前記固体炭素、好ましくはカーボンブラック含有ガス流が直接、第２の反応部に導入される場合、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガス流の流量および少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガス流の流量の合計に対して、第２の反応部への導入点の直前の固体炭素、好ましくはカーボンブラック含有ガス流の流量のｍＮ ３／ｈに関する比は、０．０１％～１０％、好ましくは０．１％～５％の範囲であるのが好ましい。
Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを第２の反応部の第１の副部に導入する少なくとも１つの第２の供給ラインに前記固体炭素、好ましくはカーボンブラック含有ガス流が導入される場合、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを第２の反応部の第１の副部に導入する少なくとも１つの第２の供給ラインへの導入点の直前の固体炭素、好ましくはカーボンブラックの濃度は、１ｇ／ｍＮ ３～１００ｇ／ｍＮ ３の範囲であってもよい。Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを第２の反応部の第１の副部に導入する少なくとも１つの第２の供給ラインに前記固体炭素、好ましくはカーボンブラック含有ガス流が導入される場合、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガス流の流量および少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガス流の流量の合計に対して、少なくとも１つの第２の供給ラインへの導入点の直前の固体炭素、好ましくはカーボンブラック含有ガス流の流量のｍＮ ３／ｈに関する比は、０．０１％～１０％、好ましくは０．１％～５％の範囲であるのが好ましい。
前記固体炭素、好ましくはカーボンブラックの固有表面積は、１～１０００ｍ２／ｇの範囲、好ましくは１０～８００ｍ２／ｇの範囲、最も好ましくは５０～６００ｍ２／ｇの範囲であってもよい。固有表面積は、ＡＳＴＭ Ｄ６５５６－１４（２０１４年６月１日承認、２０１４年７月公開、１０．１５２０／Ｄ６５５６－１４）に記載の方法Ｂ．Ｅ．Ｔ．ＮＳＡを用いることにより決まるが、これを本明細書に援用する。カーボンブラックは、反応器中のさまざまな反応（たとえば、天然ガスの水素およびカーボンブラックへの分解）の触媒として作用し、収率および／または反応速度をさらに向上可能である。また、カーボンブラック粒子の導入は、固体炭素の平均粒子サイズを大きくすることにより、混合物から固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する装置における混合物の固体成分、好ましくはカーボンブラックの濃縮を容易化するのに役立ち得る。したがって、本発明のプロセスは、固体炭素、好ましくはカーボンブラックを第２の反応部に導入することを含んでいてもよく、固体炭素、好ましくはカーボンブラックは、上記規定の濃度および特性を有するのが好ましい。単位ｇ／ｍＮ ３による固体炭素、好ましくはカーボンブラックの濃度の定義は、標準立方メートル当たりのグラム数を表す。
上述の通り、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスが少なくとも１つの第２の供給ラインを介してプラズマ状態のプラズマガスに導入される位置におけるプラズマ状態のプラズマガスは、少なくとも２体積％、好ましくは少なくとも４体積％、さらに好ましくは少なくとも６体積％、最も好ましくは８体積％超のアセチレンを含んでいてもよい。
このプロセスをさらに改良するため、アノードおよびカソードにより生成された電気アークは、カソードからアノードまで延びる軸の周りに回転するようになっていてもよい。これは、プラズマガスへのエネルギー入力に関して都合が良く、電極の寿命を延長可能である。たとえばＡｃｅｔｙｌｅｎｅ，Ｐａｅｓｓｌｅｒ ｅｔ ａｌ．，Ｕｌｌｍａｎｎ’ｓ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ｄｏｉ：１０．１００２／１４３５６００７．ａ０１＿０９７．ｐｕｂ４，２０１１に示される通り、電気アークの回転は、好ましくはカソードおよび／もしくはアノードに沿って位置決めされた磁気装置、または、プラズマ部への導入の直前においてＣ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスの旋回を誘導する装置（たとえば、いわゆる渦室）から成る群から選択される手段によってもたらされるのが好ましく、電気アークは、主流の流れ方向に配向した軸の周りに回転するのが好ましい。好適な実施形態において、電気アークは、少なくとも０．１ｓ－１、より好ましくは少なくとも０．２ｓ－１、さらに好ましくは少なくとも０．５ｓ－１の周波数で前記軸の周りに回転する。電気アークの回転は、プラズマ部への導入に先立ってＣ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスの旋回を誘導する装置によって誘導されるのが好ましい。
このプロセスは、第２の反応部において、混合物の付加的な乱流および／または逆混合が誘導され、特に、好ましくはパッシブグリッド、静的ミキサー、反応器のベンド、およびこれらの組み合わせから成る群から選択される、混合物の乱流および／または逆混合を誘導する少なくとも１つの装置を用いることにより、少なくとも１つの第２の供給ラインの下流で主流の流れ方向において、混合物の付加的な乱流が誘導されることを特徴とするのが好ましい。これにより、混合物の原子の平均滞留時間および滞留時間の分布の制御がさらに改善され得る。
本発明のプロセスの一実施形態においては、少なくとも１つの反応器のアノードおよびカソードが、同心であり、カソードが、主軸が主流の流れ方向に沿って延びた中空チャネルを有し、中空チャネルが、２つの対向端部を有し、主流の流れ方向と反対の方向を向いた端部が、閉鎖され、プラズマガスの主流の流れ方向を向いた端部が、開放されるとともに、主流の流れ方向と反対の方向を向いたアノードの開口端の上流で同心に位置決めされ、アノードおよびカソードが、カソードの中空チャネルの内面およびアノードの中空チャネルの内面に電気アークのフットポイントがそれぞれ接触するように配置されているのがさらに好ましい。アノードおよびカソードは、主流の流れ方向を向いたカソードの端部と主流の流れ方向と反対の方向を向いたアノードの端部との間に主流の流れ方向の間隙が存在するように配置されているのが好ましく、前記間隙の長さが、好ましくはアノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの範囲におけるアノードの中空チャネルの平均内径の少なくとも０．３倍、より好ましくは少なくとも０．５倍である。プラズマ部は、少なくとも１つの第１の供給ラインを介した反応器のプラズマ部へのプラズマガスの導入が、アノードとカソードとの間の前記間隙への導入となるように設計されているのが好ましい。
本発明のプロセスの別の実施形態によれば、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスおよび／または少なくとも１つの第２の供給ラインを介して導入されるガスは、天然ガスまたはメタンを含むガスである。このため、いくつかの実施形態においては、少なくとも１つの第１の供給ラインおよび少なくとも１つの第２の供給ラインの両者を介して、天然ガスが反応器に導入されるようになっていてもよい。あるいは、特定の実施形態においては、第１の供給ラインおよび少なくとも１つの第２の供給ラインの両者を介して、メタンが反応器に導入されるようになっていてもよい。
独立態様として以下の発明を開示するが、これは、添付の特許請求の範囲に規定の発明に組み込まれていてもよいし、その逆もまた同様である。
本発明者は、驚くべきことに、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来するプラズマ状態のプラズマガスへの少なくとも１つの第２の供給ラインを介したＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスの導入に付随して、アセチレン含有ガスを第２の反応部の第１の副部に導入することが水素および固体炭素の生成に好都合であることを見出した。導入されたアセチレンは、第２の反応部で分解されて熱を生成するが、これは、少なくとも１つの第２の供給ラインを介して第２の反応部に導入されるＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスの温度の急速な上昇と、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスの水素および固体炭素への変換生成のさらなる推進とに役立つ。このように、プロセスのエネルギー消費の抑制および／または従来技術と比較した反応器の容量の増大が可能となる。
独立態様は、以下をさらに特徴とするプロセス、装置、および使用に関する。
実施形態１：熱プラズマによりＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスから水素および固体炭素を生成するプロセスであって、
ａ）Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを供給する装置からＣ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを引き出すステップと、
ｂ）Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを引き出す装置から引き出したＣ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを少なくとも１つの第１の反応器に導入するステップであって、前記反応器が、電気アークにより熱プラズマを生成する反応器であり、前記反応器が、
ｉ）プラズマ部であって、
前記プラズマ部内に延びる電気アークを生成するアノードおよびカソードと、
Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを前記反応器の前記プラズマ部に導入する少なくとも１つの第１の供給ラインと、
を備え、
アノードが、プラズマガスの主流の流れ方向に沿い、内面を有する中空チャネルと、プラズマガスの主流の流れ方向で、主流の流れ方向に前記アノードの開口端を形成する出口と、少なくとも１つの第１の供給ラインを介して前記反応器の前記プラズマ部に導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを受け入れる少なくとも１つの入口と、を有し、入口が、主流の流れ方向と反対の方向を向いたアノードの開口端を形成し、アノードが、主流の流れ方向と反対の方向を向いた前記アノードの開口端および主流の流れ方向の前記アノードの開口端を介してプラズマガスが中空チャネルを流れるように構成され、プラズマガスが、アノードを通過する際に、アノードの中空チャネルの内面に接触し、
前記アノードおよび前記カソードが、前記アノードおよび前記カソードにより生成された電気アークが前記プラズマ部に形成されることにより、前記少なくとも１つの第１の供給ラインを通じて前記プラズマ部に導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスから、プラズマ状態のプラズマガスを前記プラズマ部に形成するように配置され、アノードに接触する電気アークのフットポイントが、アノードの中空チャネルの内面上に位置付けられた、プラズマ部と、
ｉｉ）主流の流れ方向において前記反応器のプラズマ部の直ぐ下流にある第２の反応部であり、
第１の副部および主流の流れ方向において第１の副部の直ぐ下流にある第２の副部と、
前記反応器から成分を引き出す出口手段で、主流の流れ方向において前記第２の反応部の端部に位置付けられた、出口手段と、
を備え、
第１の副部が、ガスを前記第２の反応部に導入する少なくとも１つの第２の供給ラインを備え、主流の流れ方向に沿った少なくとも１つの第２の供給ラインの位置が、第２の反応部および第１の副部の始点を規定する、第２の反応部と、を備え、
Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスが、Ｃ１～Ｃ４プラズマガスを反応器のプラズマ部に導入する少なくとも１つの第１の供給ラインを介して反応器に導入される、ステップと、
ｃ）反応器のプラズマ部内に延びるアノードおよびカソードによって電気アークを生成するステップと、
ｄ）Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスをプラズマ部に導入する少なくとも１つの第１の供給ラインを介してプラズマ部に導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスから、電気アークによって、反応器のプラズマ部にプラズマ状態のプラズマガスを形成するステップと、
ｅ）ガスを第２の反応部に導入する少なくとも１つの第２の供給ラインを介して、Ｃ１～Ｃ４アルカンおよびアセチレンを含むガス混合物を第２の反応部の第１の副部に導入するステップであって、
導入が、少なくとも１つの第２の供給ラインを介して第２の反応部に導入されたＣ１～Ｃ４アルカンおよびアセチレンを含むガス混合物が主流の流れ方向において、アノードおよびカソードにより生成された電気アークのフットポイントの下流でプラズマ状態のプラズマガスに導入されることにより、少なくとも１つの第２の供給ラインの下流の第２の反応部の第１の副部において、プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインを介して第２の反応部の第１の副部に導入されたＣ１～Ｃ４アルカンおよびアセチレンを含むガス混合物から混合物が形成されるように行われる、ステップと、
ｆ）主流の流れ方向に混合物を下流へと第２の反応部に通過させるステップであって、
第２の反応部、より好ましくはプラズマ部において混合物に発生する反応によって、水素および固体炭素が生成される、ステップと、
ｇ）反応器から混合物を引き出す出口手段を介して、反応器の端部で混合物を引き出すステップであって、出口手段が、主流の流れ方向において第２の反応部の端部に位置付けられ、引き出した混合物が、好ましくは０．０１～４体積％の範囲、より好ましくは０．１～１体積％の範囲のアセチレンを含む、ステップと、
を含むことを特徴とする、プロセス。
実施形態２：前記プロセスが、連続的に行われ、
ｈ）前記反応器において形成された固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置であり、混合物の固体成分、好ましくはカーボンブラックからガス状成分を分離することにより、混合物の固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する、固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置であって、反応器の出口手段と流体連通し、前記固体成分を濃縮する少なくとも１つの装置に入る混合物と比較して濃縮された濃度の固体炭素、好ましくはカーボンブラックを含む流れと、混合物のガス状成分および前記固体成分を濃縮する少なくとも１つの装置に入る混合物と比較して低減された濃度の固体成分を含む流れと、を得る、固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置により、出口手段を介して反応器の端部で引き出した混合物を処理するステップと、
ｉ）混合物のガス状成分および固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置に入る混合物と比較して低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れから水素を濃縮する少なくとも１つの装置により、混合物のガス状成分および固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置に入る混合物と比較して低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れを処理するステップであって、水素を濃縮する少なくとも１つの装置が他のガス状成分から水素を分離することにより、前記水素を濃縮する少なくとも１つの装置に入る混合物と比較して濃縮された濃度の水素を含む流れと、前記水素を濃縮する少なくとも１つの装置に入る混合物と比較して低減された濃度の水素およびアセチレン、好ましくは前記水素を濃縮する少なくとも１つの装置に入る混合物と比較して濃縮された濃度のアセチレンを含む流れと、を得る、ステップと、
ｊ）Ｃ１～Ｃ４アルカンおよびアセチレンを含むガス混合物を第２の反応部の第１の副部に導入するためにステップｅ）で使用した少なくとも１つの第２の供給ラインに対して、水素を濃縮する少なくとも１つの装置に入る混合物と比較して低減された濃度の水素およびアセチレン、好ましくは水素を濃縮する少なくとも１つの装置に入る混合物と比較して濃縮された濃度のアセチレンを含む流れまたは少なくともその一部を導入するステップと、
をさらに含む、実施形態１に記載の水素および固体炭素を生成するプロセス。
実施形態３：Ｃ１～Ｃ４アルカンおよびアセチレンを含むステップｅ）のガス混合物のアセチレン濃度が、少なくとも２体積％、好ましくは少なくとも４体積％、より好ましくは少なくとも６体積％、最も好ましくは少なくとも８体積％である、実施形態１または２に記載の水素および固体炭素を生成するプロセス。
実施形態４：添付の特許請求の範囲および本明細書に記載のプロセスの特徴をさらに含む、実施形態１から３のいずれか一形態に記載の水素および固体炭素を生成するプロセス。
実施形態５：熱プラズマによりＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスから水素および固体炭素を生成する装置において、
電気アークにより熱プラズマを生成する少なくとも１つの反応器であって、前記反応器が、
ｉ）プラズマ部であって、
前記プラズマ部内に延びる電気アークを生成するアノードおよびカソードと、
Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを前記反応器の前記プラズマ部に導入する少なくとも１つの第１の供給ラインと、
を備え、
アノードが、プラズマガスの主流の流れ方向に沿い、内面を有する中空チャネルと、プラズマガスの主流の流れ方向で、主流の流れ方向に前記アノードの開口端を形成する出口と、少なくとも１つの第１の供給ラインを介して前記反応器の前記プラズマ部に導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを受け入れる少なくとも１つの入口と、を有し、入口が、主流の流れ方向と反対の方向を向いたアノードの開口端を形成し、アノードが、主流の流れ方向と反対の方向を向いた前記アノードの開口端および主流の流れ方向の前記アノードの開口端を介してプラズマガスが中空チャネルを流れるように構成され、プラズマガスが、アノードを通過する際に、アノードの中空チャネルの内面に接触し、
前記アノードおよび前記カソードが、前記アノードおよび前記カソードにより生成された電気アークが前記プラズマ部に形成されることにより、前記少なくとも１つの第１の供給ラインを通じて前記プラズマ部に導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスから、プラズマ状態のプラズマガスを前記プラズマ部に形成するように配置され、アノードに接触する電気アークのフットポイントが、アノードの中空チャネルの内面上に位置付けられた、プラズマ部と、
ｉｉ）主流の流れ方向において前記反応器のプラズマ部の直ぐ下流にある第２の反応部であって、
第１の副部および主流の流れ方向において第１の副部の直ぐ下流にある第２の副部と、
前記反応器から成分を引き出す出口手段で、主流の流れ方向において前記第２の反応部の端部に位置付けられた、出口手段と、
を備え、
第１の副部が、Ｃ１～Ｃ４アルカンおよびアセチレンを含むガス混合物を前記第２の反応部に導入する少なくとも１つの第２の供給ラインを備え、主流の流れ方向に沿った少なくとも１つの第２の供給ラインの位置が、第２の反応部および第１の副部の始点を規定する、第２の反応部と、
を備え、
少なくとも１つの第２の供給ラインが、前記少なくとも１つの第２の供給ラインを介して前記反応器に導入されたＣ１～Ｃ４アルカンおよびアセチレンを含むガス混合物が主流の流れ方向において電気アークのフットポイントの下流の位置でプラズマ状態のプラズマガスに導入されることにより、前記少なくとも１つの第２の供給ラインの下流の前記第２の反応部の第１の副部において、プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカンおよびアセチレンを含むガス混合物から混合物が形成されるように配置されており、Ｃ１～Ｃ４アルカンおよびアセチレンを含むガス混合物を第２の反応部に導入する少なくとも１つの第２の供給ラインが、アセチレン含有ガスを供給する装置と流体連通している、第２の反応部と、
を備えたことを特徴とする、装置。
実施形態６：Ｃ１～Ｃ４アルカンおよびアセチレンを含むガス混合物を導入する少なくとも１つの第２の供給ラインが、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを供給する装置と流体連通した、実施形態５に記載の熱プラズマによりＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスから水素および固体炭素を生成する装置。
実施形態７：前記装置が、
ｉｉｉ）前記反応器に形成された固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置であり、混合物の固体成分、好ましくはカーボンブラックからガス状成分を分離することで、混合物の固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する、固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置であって、前記固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置が、
反応器の出口手段と流体連通し、
前記固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置に入る混合物と比較して濃縮された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れ用の少なくとも１つの出口を有し、
混合物のガス状成分および前記固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置に入る混合物と比較して低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れ用の少なくとも１つの出口を有する、固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置と、
ｉｖ）混合物のガス状成分および固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置に入る混合物と比較して低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れから水素を濃縮する少なくとも１つの装置であって、前記水素を濃縮する少なくとも１つの装置が、
混合物の固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置の、混合物のガス状成分および低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れ用の出口と流体連通し、
濃縮された濃度の水素と、好ましくは混合物のガス状成分および水素を濃縮する少なくとも１つの装置に入る低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れと比較して低減された濃度のアセチレンと、を含む流れ用の少なくとも１つの出口を有し、
混合物のガス状成分および水素を濃縮する少なくとも１つの装置に入る低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れと比較して低減された濃度の水素と、アセチレン、好ましくは混合物のガス状成分および水素を濃縮する少なくとも１つの装置に入る低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れと比較して濃縮された濃度のアセチレンと、を含む流れ用の少なくとも１つの出口を有し、上記流れまたはその少なくとも一部が、少なくとも１つの第２の供給ラインの入口を介して、Ｃ１～Ｃ４アルカンおよびアセチレンを含むガス混合物を第２の反応部の第１の副部に導入する反応器の少なくとも１つの第２の供給ラインに導入される、水素を濃縮する少なくとも１つの装置と、
を備えた、実施形態５または６に記載の熱プラズマによりＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスから水素および固体炭素を生成する装置。
実施形態８：アセチレンと、混合物のガス状成分および低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れと比較して低減された濃度の水素と、を含む流れのアセチレンを濃縮する装置を備え、前記装置が、
水素を濃縮する装置の、アセチレンと、混合物のガス状成分および低減された濃度の固体成分を含む流れと比較して低減された濃度の水素と、を含む流れ用の出口と流体連通したアセチレン含有ガス用の入口を有し、
アセチレンを濃縮する装置の入口に入る流れに対してアセチレン濃度が低い流れ用の出口を有し、
入口に入る流れに対してアセチレン濃度が高い流れ用の出口であり、Ｃ１～Ｃ４アルカンおよびアセチレンを含むガス混合物を第２の反応部の第１の副部に導入する少なくとも１つの第２の供給ラインの入口と流体連通した、出口を有する、実施形態７に記載の熱プラズマによりＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスから水素および固体炭素を生成する装置。
実施形態９：添付の特許請求の範囲および本明細書に記載の装置の特徴をさらに含む、実施形態５から８のいずれか一形態に記載の水素および固体炭素を生成するプロセス。
実施形態１０：実施形態１～４のいずれか一形態に記載のプロセスにおける、実施形態５～９のいずれか一形態に記載の反応器の使用。
いくつかの実施形態においては、アセチレンと、混合物のガス状成分および低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れと比較して低減された濃度の水素と、を含む流れからのアセチレン含有ガス用の貯蔵タンクも存在する。
さらに、この装置は、Ｃ１～Ｃ４アルカンおよびアセチレンを含むガス混合物を第２の反応部の第１の副部に導入する少なくとも１つの第２の供給ラインの入口に向かって、アセチレンと、混合物のガス状成分および低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れと比較して低減された濃度の水素と、を含む流れの流量を制御する制御ユニットを含んでいてもよい。いくつかの実施形態において、制御ユニットは、選択された境界条件（たとえば、電気料金）またはプロセス段階に応じて流量を制御する（電気料金が高い場合は、より多くのアセチレンが反応器に供給される）。たとえば、（温度上昇のために多くのエネルギーが必要な）始動段階においては、より大きな流量が選択される。他のプロセス段階においては、より少ない流量が選択されるようになっていてもよい。必要に応じて、第２の供給ラインを介して第２の反応部の第１の副部に導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスの流量、プラズマガスの流量、または固有電気エネルギー入力等の他のパラメータも相応に調整される。このことは、Ｃ１～Ｃ４アルカンおよびアセチレンを含むガス混合物を第２の反応部の第１の副部に導入する少なくとも１つの第２の供給ラインの入口に向かって、アセチレンと、混合物のガス状成分および低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れと比較して低減された濃度の水素と、を含む流れまたはその一部の流量を制御するステップを含み得る本態様のプロセスにも当てはまる。この流量の制御は、上述の制御ユニットにより行われる。
アセチレンを濃縮する装置は、たとえばアセチレンがガス流から取り出される吸収カラムと、スクラブ媒体を回収するとともに濃縮された濃度の吸収済みアセチレンを解放する脱離カラムと、を具備するが、これらに限定されない。
以下の実施例および図面によって、添付の特許請求の範囲に規定の独立態様および本発明を限定なくさらに説明する。
参照記号は、以下の意味を有する。
１０ 本発明の装置
１５ 熱プラズマ反応
２０ 反応器のプラズマ部
２１ 電気アーク
２２ アノードの中空チャネルの内面が電気アークに対向し、反応器のプラズマ部の端部まで達する最上流位置を始点として、基準容積を規定するプラズマ部の容積の一部
２３ 主流の流れ方向
２４ 主流の流れ方向を向いたカソードの端部（カソードの下端）と主流の流れ方向と反対の方向を向いたアノードの端部（アノードの上端）との間の主流の流れ方向の間隙
３０ 第２の反応部
３１ 第２の反応部の第１の副部
３２ 第２の反応部の第２の副部
３３ 第２の反応部の出口手段
４０ カソード（金属ベースかつ水冷）
５０ アノード（金属ベースかつ水冷）
６０ 第１の供給ライン
７０ 第２の供給ライン
７１ アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交するアノードの平均流れ断面と比較して主流の流れ方向に直交する流れ断面が少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍大きい主流の流れ方向の最上流点
７２ 出口１４２を第２の供給ライン７０と接続するライン１４４の入口
８０ 第３の供給ライン
９０ Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガス（天然ガス）を供給する装置
１００ 電気絶縁体
１１０ プラズマ部への導入に先立ってＣ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスの旋回を誘導する装置
１２０ 熱交換器
１３０ 固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する装置
１３１ 装置１３０の入口
１３２ 濃縮された濃度の固体、好ましくはカーボンブラックを含む流れの出口
１３３ 低減された濃度の固体、好ましくはカーボンブラックを含む流れの出口
１４０ 水素を濃縮する装置
１４１ 装置１４０の入口
１４２ アセチレンおよび低減された濃度の水素を含む流れの出口
１４３ 濃縮された濃度の水素を含む流れの出口
１４４ アセチレンおよび低減された濃度の水素を含む流れの出口を第２の供給ライン７０と接続するライン
１４５ ライン１４４の分岐
点線矢印は、さまざまなガス流の流れを示すことが意図される。たとえば、供給ライン６０から延びる矢印は、アノード（５０）とカソード（４０）との間の間隙（２４）までのプラズマガスの流れを示す。同じことが第２の供給ライン（７０）および第３の供給ライン
（８０）ならびに対応する点線矢印にも当てはまる。点線矢印（２３）は、反応器を通る主流の流れを示す。図１および図２から明らかなように、第２および第３の供給ラインを介して導入されたガスは、主流の流れ方向に直交して注入される。
図１は、天然ガスから水素および固体炭素を生成する本発明の装置（１０）の一実施形態を示している。装置（１０）は、電気アークにより熱プラズマを生成する反応器（１５）を備える。この装置は、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガス（天然ガス）を供給する装置（９０）、熱交換器（１２０）、固体成分を濃縮する装置（１３０）、および水素を濃縮する装置（１４０）をさらに備える。Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガス（ここでは天然ガス）を供給する手段（９０）は、天然ガスを反応器に供給する。例示的な天然ガス組成は、およそ９８体積％のメタン、１体積％の別のアルカン（エタン、プロパン、ブタン、ペンタン）、および１体積％の不活性ガスから成る天然ガス「Ｈ」（ＣＩＳ状態）という組成である。
反応器（１５）は、プラズマ部（２０）と、主流（２３）の流れ方向において前記反応器のプラズマ部の直ぐ下流にある第２の反応部（３０）と、を備える。プラズマ部（２０）は、電気アーク（２１）を生成するアノード（５０）およびカソード（４０）を備えており、電気アークは、プラズマ部内に延びるとともに、プラズマ部への導入に先立ってＣ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスの旋回を誘導する装置１１０により誘導されたＣ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスの旋回によって、その軸周りに回転する。さらに、プラズマ部は、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを反応器の前記プラズマ部に導入する少なくとも１つの第１の供給ライン（６０）を備える。カソード（４０）は、円筒状であり、プラズマ部で主流（２３）の流れ方向に沿って主軸が延びた中空チャネルを有する。
アノード（５０）は、円筒状であり、プラズマガスの主流の流れ方向に沿った中空チャネルを有する。中空チャネルは、内面を有する。さらに、チャネルは、主流の流れ方向におけるアノードの開口端を形成するプラズマガスの主流の流れ方向の出口を有する。また、チャネルは、少なくとも１つの第１の供給ラインを介して反応器のプラズマ部に導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガス（ここでは天然ガス）を受け入れる少なくとも１つの入口を有するが、これは、主流の流れ方向と反対の方向を向いたアノードの開口端を形成する。アノードは、主流の流れ方向と反対の方向を向いた前記アノードの開口端および主流の流れ方向の前記アノードの開口端を介してプラズマガスが中空チャネルを流れるように構成されており、プラズマガスは、アノードを通過する際に、アノードの中空チャネルの内面に接触する。
アノードおよびカソードは、同心である。カソードの中空チャネルは、２つの対向端部を有し、主流の流れ方向と反対の方向を向いた端部が、閉鎖され、プラズマガスの主流の流れ方向を向いた端部が、開放されるとともに、主流の流れ方向と反対の方向を向いたアノードの開口端の上流で同心に位置決めされている。カソードは、主流の流れ方向と反対の方向を向いたアノードの開口端の上流に位置決めされており、アノードおよびカソードは、アノードの中空チャネルの内面およびカソードの中空チャネルの内面に電気アーク（２１）のフットポイントがそれぞれ接触するように配置されている。これにより、生成された電気アークが前記プラズマ部において形成されることにより、前記少なくとも１つの第１の供給ラインを通じて前記プラズマ部に導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスから、前記プラズマ部においてプラズマ状態のプラズマガスを形成する。図１に示すように、アノードおよびカソードは、主流の流れ方向を向いたカソードの端部（カソードの下端）と主流の流れ方向と反対の方向を向いたアノードの端部（アノードの上端）との間に主流の流れ方向の間隙（２４）が存在するように配置されている。前記間隙（２４）の長さは、好ましくはアノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの範囲におけるアノードの中空チャネルの平均内径の少なくとも０．３倍、より好ましくは少なくとも０．５倍よりも大きい。したがって、アノードおよびカソードは、入れ子にならない（すなわち、少なくとも部分的にも重なり合わない）。少なくとも１つの第１の供給ラインは、プラズマ部への導入に先立ってＣ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスの旋回を誘導する装置（１１０）を介した反応器のプラズマ部へのプラズマガスの導入がアノードとカソードとの間の垂直間隙を通じて中空のカソードおよびアノードの容積へと供給されるように配置されている。
第２の反応部（３０）は、第１の副部（３１）および主流の流れ方向において第１の副部の直ぐ下流にある第２の副部（３２）を備える。さらに、第２の反応部は、反応器から成分を引き出す出口手段（３３）であって、主流の流れ方向において前記第２の反応部の端部に位置付けられた、出口手段（３３）を備える。第１の副部は、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを第２の反応部に導入する少なくとも１つの第２の供給ライン（７０）を備えており、この少なくとも１つの第２の供給ラインは、主流の流れ方向において電気アークのフットポイントの下流の位置でプラズマ状態のプラズマガスに導入された主流の流れ方向に対して、前記少なくとも１つの第２の供給ラインを介して反応器に導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスが直交するように配置されている。これにより、第２の反応部の第１の副部において、プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスから混合物が形成される。また、第２の反応部の第１の副部は、少なくとも１つの点において、アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交するアノードの平均流れ断面と比較して少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍大きい主流の流れ方向に直交する流れ断面を備える。
点（７１）の直ぐ上流には、主流の流れ方向に直交する流れ断面の急激な拡張であって、主流の流れ方向に対しておよそ９０°の開き角度を有する、急激な拡張が存在する。アノードの中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントについて、点（７１）の直ぐ上流の拡張までの範囲では、主流の流れ方向に直交する流れ断面が本質的に同じままである。急激な拡張により、特に急激な拡張のすぐ背後の第２の反応部を通る流れにおいて、成分の規定の逆混合および渦流が生じる。その結果として、プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物の原子の滞留時間分布が広がる。プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物の原子の少なくとも５％の第２の反応部における滞留時間は、プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物のすべての原子の第２の反応部における平均滞留時間から少なくとも５％絶対数で逸脱し、好ましくはプラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物の原子の少なくとも１０％の第２の反応部における滞留時間は、プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物のすべての原子の第２の反応部における平均滞留時間から少なくとも１０％絶対数で逸脱し、より好ましくはプラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物のすべての原子の第２の反応部における平均滞留時間から少なくとも１５％、さらに好ましくは少なくとも２０％絶対数で逸脱する。
図１において、少なくとも１つの第２の供給ライン（７０）は、アノード（７１）の中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交するアノードの平均流れ断面と比較して主流の流れ方向に直交する流れ断面が少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍大きい主流の流れ方向の最上流点の上流において、主流の流れ方向にある。少なくとも１つの第２の供給ライン（７０）は、第２の反応部（３０）およびその第１の副部（３１）の始点を規定する。
アノード（５０）の中空チャネルの内面が電気アーク（２１）に対向し、反応器のプラズマ部の端部まで達する最上流位置を始点とするプラズマ部の容積は、０．０００１ｍ３～０．４ｍ３の範囲、好ましくは０．００１～０．２ｍ３の範囲であるとともに、基準容積（２２）を規定する。第２の反応部の第１の副部（３１）の容積は、基準容積の１０～２００倍の範囲、好ましくは基準容積の２０～１００倍の範囲である。第２の反応部全体の容積は、基準容積の２０～２０００倍の範囲、好ましくは基準容積の４０～１０００倍の範囲である。第２の反応部は、少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスがプラズマ状態のプラズマガスに導入された位置におけるプラズマ状態のプラズマガスが１２００～３０００℃の範囲、好ましくは１５００～３０００℃の範囲の平均温度を有し、アセチレンを含むように構成されており、プラズマ状態のプラズマガスへの少なくとも１つの第２の供給ラインを介したＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスの導入に由来する混合物は、少なくとも１つの第２の供給ラインから第２の反応部の第１の副部の端部までの範囲において、少なくとも８５０℃、好ましくは少なくとも１０５０℃かつ３０００℃未満の平均温度を有する。
さらに、第２の反応部は、前記第２の反応部の第２の副部において、プラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインを介して導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスの混合ならびに主流の流れ方向に沿った任意の点でのそれぞれの反応に由来する混合物の平均温度が少なくとも６５０℃、好ましくは少なくとも７５０℃、より好ましくは少なくとも８５０℃かつ１５００℃未満となるように構成されており、プラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインを介して導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスの混合およびそれぞれの反応に由来する混合物の第２の反応部の端部における平均温度は、少なくとも２００Ｋ、好ましくは少なくとも４００Ｋ、より好ましくは少なくとも６００Ｋの平均温度であり、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスが少なくとも１つの第２の供給ラインを介してプラズマ状態のプラズマガスに導入された位置におけるプラズマ状態のプラズマガスの平均温度よりも低い。
本実施例において、反応器（１５）は、別のＣ１～Ｃ４アルカン含有ガス（天然ガス）を混合物に導入する少なくとも１つの第３の供給ライン（８０）を備える。この第２および第３の供給ラインのカスケード状配置によって、主流の経路に沿った温度の制御が改善される。
最後に、混合物は、出口手段（３３）を介して反応器（１５）から引き出される。出口手段（３３）を介して反応器から引き出される混合物は、０．０１～４体積％の範囲、好ましくは０．１～１体積％の範囲のアセチレンを含む。本実施形態において、反応器の出口手段（３３）は、供給ライン（６０）、（７０）、および（８０）を介して反応器に入るガスの予備加熱に用いられる熱交換器（１２０）と接続されている。反応器に導入されるガスの予備加熱によって、全体的な電気エネルギー消費が抑えられ、反応器の生産容量が向上する。
出口手段（３３）を介して引き出され、熱交換器（１２０）を通過した混合物は、入口（１３１）を介して、混合物の固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する装置（１３０）に導入される。装置（１３０）は、高温サイクロンであってもよい。この装置は、混合物の固体成分からガス状成分を分離することにより、混合物の固体成分を濃縮する。装置（１３０）は、反応器の出口手段（３３）と流体連通している。装置（１３０）は、固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する装置に入る混合物と比較して濃縮された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れを解放する出口（１３２）と、混合物のガス状成分および固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する装置に入る混合物と比較して低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れ用の出口（１３３）と、を有する。固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する装置に入る混合物と比較して濃縮された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れとともに、出口（１３２）を介して、反応器で生成された固体炭素、好ましくはカーボンブラックの少なくとも一部が除去される。
出口（１３３）は、混合物のガス状成分および低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れから水素を濃縮する装置（１４０）と流体連通している。この装置は、入口（１４１）を介して前記装置に入る流れの水素含有物を濃縮する。さらに、この装置は、濃縮された濃度の水素を含む流れ用の出口（１４３）と、混合物のガス状成分および水素を濃縮する装置に入る低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れと比較して低減された濃度の水素を含む流れ用の出口（１４２）と、を有する。出口（１４３）で引き出された流れは、水素貯蔵コンテナ（図示せず）に供給されるようになっていてもよい。出口（１４２）を出た流れは、出口（１４３）で引き出された流れと比較して濃縮された濃度のアセチレンを含み、ライン（１４４）を介して、少なくとも１つの第２の供給ライン（７０）に供給される。出口（１４３）で引き出された流れは、貯蔵コンテナ（図示せず）に供給されるようになっていてもよい。第２の反応部の第１の副部に供給されたアセチレンは、アセチレンの分解による放熱によって、少なくとも１つの第２の供給ラインにより第２の反応部に導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスを急速加熱可能である。また、全体的な電気エネルギー消費を抑えることができる。
図１に見られるように、反応器は、第２の反応部への液体媒体の供給によって混合物を急冷する手段を備えていない。第２の反応部における急冷を回避し、それに対応する高温で混合物を引き出すことによって、供給ガスのより効率的な予備加熱が可能になるとともに、水素および固体炭素の生成の全体的なエネルギー・バランスを向上可能である。
図２は、本発明の代替実施形態を示している。これは、アノード（７１）の中空チャネルの内面上の電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交するアノードの平均流れ断面と比較して主流の流れ方向に直交する流れ断面が少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍大きい主流の流れ方向の最上流点が第２の反応部の始点の上流に存在する点が、図１に示す実施形態と異なる。
熱プラズマによりＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスから水素および固体炭素を生成する本発明のプロセスは、上述の装置（１０）を用いて実現可能である。このプロセスは、
ａ）Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガス（９０）を供給する装置からＣ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを引き出すステップと、
ｂ）Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを引き出す装置（９０）から引き出したＣ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを少なくとも１つの第１の反応器（１５）に導入するステップであって、前記反応器が、電気アーク（２１）により熱プラズマを生成する反応器であり、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスが、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを反応器（１５）のプラズマ部（２０）に導入する少なくとも１つの第１の供給ライン（６０）を介して反応器に導入される、ステップと、
ｃ）反応器のプラズマ部（２０）内に延びる電気アーク（２１）をアノード（５０）およびカソード（４０）により生成するステップであって、電気アークのフットポイントがそれぞれ、アノードの中空チャネルの内面およびカソードの中空チャネルの内面に接触し、電気アークが、カソードからアノードまで延びた軸の周りに回転し、電気アークの回転が、少なくとも１つの第１の供給ライン（６０）を介したプラズマ部への導入に先立ってＣ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスの旋回を誘導する装置（１１０）によってもたらされ、電気アークの回転軸が、主流（２３）の流れ方向に配向し、電気アークの軸周りの回転周波数が、少なくとも０．１ｓ－１、より好ましくは少なくとも０．２ｓ－１、さらに好ましくは少なくとも０．５ｓ－１である、ステップと、
ｄ）Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスをプラズマ部（２０）に導入する少なくとも１つの第１の供給ライン（６０）を介してプラズマ部に導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスから、電気アーク（２１）によって、反応器のプラズマ部（２０）にプラズマ状態のプラズマガスを形成するステップと、
ｅ）Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを第２の反応部（３０）に導入する少なくとも１つの第２の供給ライン（７０）を介してＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスを第２の反応部の第１の副部（３１）に導入するステップであって、主流の流れ方向に沿った少なくとも１つの第２の供給ラインの位置が、第２の反応部および第１の副部の始点を規定し、
導入が、少なくとも１つの第２の供給ラインを介して第２の反応部に導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスが主流（２３）の流れ方向において、アノードおよびカソードにより生成された電気アーク（２１）のフットポイントの下流で直交してプラズマ状態のプラズマガスに導入されることにより、少なくとも１つの第２の供給ライン（７０）の下流の第２の反応部の第１の副部において、プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインを介して第２の反応部の第１の副部に導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスから混合物が形成されるように行われ、
少なくとも１つの第２の供給ライン（７０）を介してＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスがプラズマ状態のプラズマガスに導入された位置において、プラズマ状態のプラズマガスが、１２００～３０００℃の範囲の平均温度を有するとともに、アセチレンを含むことにより、少なくとも１つの第２の供給ライン（７０）から第２の反応部の第１の副部の端部までの範囲において、平均温度が少なくとも８５０℃、好ましくは少なくとも１０５０℃かつ３０００℃未満のプラズマ状態のプラズマガスへの少なくとも１つの第２の供給ラインを介したＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスの導入に由来する混合物を形成する、ステップと、
ｆ）主流（２３）の流れ方向に混合物を下流へと第２の反応部に通過させるステップであって、
前記通過が、第２の反応部の第１の副部（３１）において、プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物の原子の平均滞留時間が１００ｍｓ～２０００ｍｓの範囲、好ましくは２００ｍｓ～１０００ｍｓの範囲となるようになされ、
通過が、第２の反応部（３０）全体において、プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物の原子の平均滞留時間が２００ｍｓ～２００００ｍｓの範囲、好ましくは４００ｍｓ～１００００ｍｓの範囲となるようになされ、
プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物の原子の少なくとも５％の第２の反応部における滞留時間が、プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物のすべての原子の第２の反応部における平均滞留時間から少なくとも５％絶対数で逸脱し、好ましくはプラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物の原子の少なくとも１０％の第２の反応部における滞留時間が、プラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物のすべての原子の第２の反応部における平均滞留時間から少なくとも１０％絶対数で逸脱し、より好ましくはプラズマ部を出たプラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも１つの第２の供給ラインのＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する混合物のすべての原子の第２の反応部における平均滞留時間から少なくとも１５％、さらに好ましくは少なくとも２０％絶対数で逸脱し、
第２の反応部、好ましくはプラズマ部においても混合物に発生する反応によって、水素が生成される、ステップと、
ｇ）第２の反応部の第２の副部における混合物の平均温度を少なくとも６５０℃、好ましくは少なくとも７５０℃、より好ましくは少なくとも８５０℃かつ１５００℃未満に調整するステップであって、プラズマ状態のプラズマガスおよび少なくとも第２の供給ラインを介して導入されたＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスの第２の反応部の端部における混合物の平均温度が、少なくとも２００Ｋ、好ましくは少なくとも４００Ｋ、より好ましくは少なくとも６００Ｋの平均温度に調整され、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスが少なくとも１つの第２の供給ラインを介してプラズマ状態のプラズマガスに導入された位置におけるプラズマ状態のプラズマガスの平均温度よりも低い、ステップと、
ｈ）反応器から混合物を引き出す出口手段（３３）を介して、反応器の端部で混合物を引き出すステップであって、出口手段（３３）が、主流の流れ方向において第２の反応部の端部に位置付けられ、混合物を熱交換器（１２０）に通過させるステップと、
ｉ）混合物の固体成分、特にカーボンブラックを濃縮する装置（１３０）によって、熱交換機（１２０）を出た混合物を処理することにより、混合物の濃縮された濃度の固体成分、特にカーボンブラックを含む流れと、混合物のガス状成分および混合物の低減された濃度の固体成分、特にカーボンブラックを含む流れと、を生成するステップと、
ｊ）混合物のガス状成分および混合物の低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れを装置（１４０）で処理することによって、混合物のガス状成分および混合物の低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れと比較して濃縮された濃度の水素を有する出口で引き出された流れ（１４３）と、混合物のガス状成分および混合物の低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れと比較して低減された濃度の水素を含む出口で引き出された流れ（１４２）であり、流れ（１４３）に対して濃縮された濃度のアセチレンを含む、流れ（１４２）と、を生成するステップと、
を含む。
熱交換器（１２０）は、入口（６０）、（７０）、および（８０）を介して反応器に入る前の装置（９０）からの流れを加熱するのに用いられる。装置（１３０）は、反応器における反応に由来する固体炭素、好ましくはカーボンブラックを濃縮するのに用いられる。さらに、装置（１４０）は、混合物の水素を濃縮するのに用いられる。濃縮された濃度の水素を含む流れは、出口（１４３）から引き出されて、貯蔵コンテナに供給されるようになっていてもよい。混合物のガス状成分および混合物の低減された濃度の固体成分を含む流れと比較して低減された濃度の水素を含み、出口（１４２）で引き出された流れは、アセチレン、好ましくは入口（１４１）に入る流れに対して濃縮された濃度のアセチレンを含む。出口（１４２）を介して引き出されたアセチレンを含む流れは、ライン（１４４）を介して、少なくとも１つの第２の供給ライン（７０）の入口（７２）に供給されるようになっていてもよい。別の好適な実施形態において、出口（１４２）で引き出された流れは、ライン（１４４）を介して、入口（７２）と流体連通したアセチレン濃度を高くする装置（ここでは図示せず）に供給される。アセチレン濃度を高くする装置は、入口（７２）と流体連通した装置の供給流れに対して濃縮された濃度のアセチレンを含む流れ用の出口を有する。この流れは、入口（７２）を介して、少なくとも１つの第２の供給ライン（７０）に供給されるようになっていてもよい。
本明細書に記載の装置およびプロセスの別の実施形態においては、熱交換器（１２０）と分離装置（１３０）との間に付加的な熱交換器（図１にも図２にも示さず）が配置され、蒸気生成に用いられる。
特定の実施形態において、熱交換器（１２０）は、出口（３３）を介して引き出された混合物から、ライン（１４４）を介して入口（７２）まで通過して流れに熱を伝達することにより、少なくとも１つの第２の供給ライン（７０）を介して第２の反応部の第１の副部に導入された流れへの注入に先立って流れを予備加熱するように接続されている。
また、上述の装置は、本発明のプロセス、特に上述のプロセスのプロセスに使用可能である。

Claims (17)

  1. 熱プラズマによりＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスから水素および固体炭素を生成する装置であって、前記装置が、電気アークにより熱プラズマを生成する少なくとも１つの反応器を備え、前記反応器が、
    ｉ）プラズマ部であって、
    前記プラズマ部内に延びる電気アークを生成するアノードおよびカソードと、
    Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを前記反応器の前記プラズマ部に導入する少なくとも１つの第１の供給ラインと、
    を備え、
    前記アノードが、内面を有する前記プラズマガスの主流の流れ方向に沿った中空チャネルと、主流の流れ方向に前記アノードの開口端を形成する前記プラズマガスの主流の流れ方向の出口と、前記少なくとも１つの第１の供給ラインを介して前記反応器の前記プラズマ部に導入された前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを受け入れる少なくとも１つの入口と、を有し、前記入口が、主流の流れ方向と反対の方向を向いた前記アノードの開口端を形成し、前記アノードが、主流の流れ方向と反対の方向を向いた前記アノードの前記開口端および主流の流れ方向の前記アノードの前記開口端を介して前記プラズマガスが前記中空チャネルを流れるように構成され、前記プラズマガスが、前記アノードを通過する際に、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面に接触し、
    前記アノードおよび前記カソードが、前記アノードおよび前記カソードにより生成された前記電気アークが前記プラズマ部に形成されることで、前記少なくとも１つの第１の供給ラインを通じて前記プラズマ部に導入された前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスから、プラズマ状態のプラズマガスを前記プラズマ部に形成するように配置され、前記アノードに接触する前記電気アークのフットポイントが、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上に位置付けられる、プラズマ部と、
    ｉｉ）主流の流れ方向における前記反応器の前記プラズマ部の直ぐ下流にある第２の反応部であって、
    第１の副部および主流の流れ方向における前記第１の副部の直ぐ下流にある第２の副部と、
    前記反応器から成分を引き出す出口手段であって、主流の流れ方向における前記第２の反応部の端部に位置付けられた、出口手段と、
    を備え、
    前記第１の副部が、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを前記第２の反応部に導入する少なくとも１つの第２の供給ラインを備え、
    前記少なくとも１つの第２の供給ラインが、前記少なくとも１つの第２の供給ラインを介して前記反応器に導入された前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスが主流の流れ方向における前記電気アークのフットポイントの下流の位置で前記プラズマ状態のプラズマガスに導入されることで、前記少なくとも１つの第２の供給ラインの下流の前記第２の反応部の前記第１の副部において、前記プラズマ部を出た前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインの前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスから混合物が形成されるように配置され、
    主流の流れ方向に沿った前記少なくとも１つの第２の供給ラインの位置が、前記第２の反応部および前記第１の副部の始点を規定し、
    前記アノードの前記中空チャネルの前記内面が前記電気アークに対向し、前記反応器の前記プラズマ部の端部まで達する最上流位置を始点とする前記プラズマ部の容積が、０．０００１ｍ３～０．４ｍ３の範囲、好ましくは０．００１～０．２ｍ３の範囲であり、かつ、基準容積を規定し、
    前記第２の反応部の前記第１の副部の容積が、前記基準容積の１０～２００倍の範囲、好ましくは前記基準容積の２０～１００倍の範囲であり、
    前記第２の反応部全体の容積が、前記基準容積の２０～２０００倍の範囲、好ましくは前記基準容積の４０～１０００倍の範囲である、第２の反応部と、
    を備え、
    前記反応器が、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上の前記電気アークのフットポイントの主流の流れ方向における下流の前記プラズマ部の端部までの範囲において、前記第２の反応部の前記第１の副部および／または前記プラズマ部における少なくとも１つの点に、主流の流れ方向に直交する流れ断面を備え、前記流れ断面が、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上の前記電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交する前記アノードの平均流れ断面と比較して、少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍大きいことを特徴とする、水素および固体炭素を生成する装置。
  2. 前記装置が、前記反応器において形成された固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置であって、前記混合物の固体成分、好ましくはカーボンブラックからガス状成分を分離することで、前記混合物の前記固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する、固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置をさらに備え、前記固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置が、
    前記反応器の前記出口手段と流体連通し、
    前記固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置に入る前記混合物と比較して濃縮された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れ用の少なくとも１つの出口を有し、
    前記混合物のガス状成分と、前記固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置に入る前記混合物と比較して低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックと、を含む流れ用の少なくとも１つの出口を有する、請求項１に記載の水素および固体炭素を生成する装置。
  3. 前記装置が、前記混合物のガス状成分と、前記固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置に入る前記混合物と比較して低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックと、を含む流れから水素を濃縮する少なくとも１つの装置をさらに備え、前記水素を濃縮する少なくとも１つの装置が、
    前記混合物の固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置の、前記混合物のガス状成分および低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れ用の前記出口と流体連通し、
    前記混合物のガス状成分を含む流れと比較して濃縮された濃度の水素と、前記水素を濃縮する少なくとも１つの装置に入る低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックと、を含む流れ用の少なくとも１つの出口を有し、
    前記混合物のガス状成分を含む流れと比較して低減された濃度の水素と、前記水素を濃縮する少なくとも１つの装置に入る低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックと、を含む流れ用の少なくとも１つの出口を有する、請求項２に記載の水素および固体炭素を生成する装置。
  4. 前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上の前記電気アークのフットポイントと、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上の前記電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交する前記アノードの平均流れ断面と比較して主流の流れ方向に直交する前記流れ断面が少なくとも５倍、好ましくは１０倍大きい主流の流れ方向における最上流点との間に、主流軸に対して主流の流れ方向に少なくとも２０°、好ましくは少なくとも４５°、より好ましくは少なくとも７５°の開き角度にて、主流の流れ方向に直交する前記流れ断面の少なくとも１つの急激な拡張が存在し、ならびに／または
    前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上の前記電気アークのフットポイントから、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上の前記電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交する前記アノードの平均流れ断面と比較して主流の流れ方向に直交する前記流れ断面が少なくとも５倍、好ましくは１０倍大きい主流の流れ方向における最上流点までの範囲における主流の流れ方向に直交する前記流れ断面が、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上の前記電気アークのフットポイントにおける主流の流れ方向に直交する平均流れ断面に対して任意の点で少なくとも６０％、好ましくは少なくとも８０％、より好ましくは少なくとも９０％である、請求項１～３のいずれか一項に記載の水素および固体炭素を生成する装置。
  5. 前記反応器が、前記アノードまたは前記アノードの一部を前記反応器の残りの部分に脱着可能に接続する手段、好ましくは２つの別個の手段を備え、好ましくは前記２つの別個の手段の一方が、主流の流れ方向において前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上の前記電気アークのフットポイントの上流で位置決めされ、前記２つの別個の手段の他方が、主流の流れ方向において前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上の前記電気アークのフットポイントの下流で位置決めされており、好ましくは前記アノードまたは前記アノードの一部を前記反応器の残りの部分に脱着可能に接続する前記手段が主流の流れ方向において前記少なくとも１つの第２の供給ラインの上流に位置決めされ、より好ましくは主流の流れ方向において前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上の前記電気アークのフットポイントの下流で位置決めされた前記脱着手段が前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上の前記電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交する前記アノードの平均流れ断面と比較して主流の流れ方向に直交する前記流れ断面が少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍大きい最上流点の主流の流れ方向における上流、さらに好ましくは主流の流れ方向に直交する前記流れ断面の前記急激な拡張の上流で存在し、および／もしくは
    前記対応するアノードおよびカソードが、主流の流れ方向において少なくとも部分的に重なり合わず、ならびに／または
    前記アノードおよび／もしくは前記カソードが冷却される電極であり、前記冷却が好ましくは液冷、より好ましくは水冷である、請求項１～４のいずれか一項に記載の水素および固体炭素を生成する装置。
  6. 前記アノードおよびカソードが同心であり、前記カソードが主軸が主流の流れ方向に沿って延びた中空チャネルを有し、前記中空チャネルが２つの対向端部を有し、主流の流れ方向と反対の方向を向いた端部が閉鎖され、かつ、前記プラズマガスの主流の流れ方向を向いた端部が開放されるとともに、主流の流れ方向と反対の方向を向いた前記アノードの前記開口端の上流で同心に位置決めされ、前記アノードおよびカソードが、前記カソードの前記中空チャネルの前記内面および前記アノードの前記中空チャネルの前記内面に前記電気アークのフットポイントがそれぞれ接触するように配置されており、好ましくは前記アノードおよび前記カソードが主流の流れ方向を向いた前記カソードの端部と主流の流れ方向と反対の方向を向いた前記アノードの端部との間に主流の流れ方向の間隙が存在するように配置されており、前記間隙の長さが、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上の前記電気アークのフットポイントの範囲における前記アノードの前記中空チャネルの平均内径の好ましくは少なくとも０．３倍、より好ましくは少なくとも０．５倍であり、好ましくは前記少なくとも１つの第１の供給ラインが前記アノード及びカソードの間の前記間隙を介して前記プラズマガスが前記反応器の前記プラズマ部に導入されるように配置された、請求項１～５のいずれか一項に記載の水素および固体炭素を生成する装置。
  7. 前記少なくとも１つの反応器が、前記少なくとも１つの第２の供給ラインが主流の流れ方向に直交して前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを前記プラズマ状態のプラズマガスに導入するように構成され、および／もしくは
    前記少なくとも１つの反応器が、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを前記第２の反応部に導入する少なくとも１つの第３の供給ラインを有し、前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを導入する少なくとも１つの第３の供給ラインが、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを前記第２の反応部に導入する前記少なくとも１つの第２の供給ラインの下流で主流の流れ方向に配置され、好ましくは前記少なくとも１つの第３の供給ラインの位置が前記第２の反応部の前記第２の副部の始点を規定し、ならびに／または
    前記第２の反応部が、前記混合物の乱流および／もしくは逆混合を誘導する少なくとも１つ装置を備え、好ましくは前記少なくとも１つの装置が主流の流れ方向における前記少なくとも１つの第２の供給ラインの下流に位置決めされており、好ましくは前記混合物の乱流および／もしくは逆混合を誘導する少なくとも１つ装置がパッシブグリッド、静的ミキサー、前記反応器のベンド、およびこれらの組み合わせから成る群から選択され、好ましくは前記反応器の前記ベンドが主流の流れ方向に対して少なくとも８０°、より好ましくは少なくとも１３５°の前記混合物の流れ方向の変化を誘導する、請求項１～６のいずれか一項に記載の水素および固体炭素を生成する装置。
  8. 前記プラズマ部を出た前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインの前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する前記混合物の原子の少なくとも５％の前記第２の反応部における滞留時間が、前記プラズマ部を出た前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインの前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する前記混合物のすべての原子の前記第２の反応部における平均滞留時間から少なくとも５％絶対数で逸脱し、好ましくは前記プラズマ部を出た前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインの前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する前記混合物の原子の少なくとも１０％の前記第２の反応部における滞留時間が、前記プラズマ部を出た前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインの前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する前記混合物のすべての原子の前記第２の反応部における平均滞留時間から少なくとも１０％絶対数で逸脱し、より好ましくは少なくとも１５％、さらに好ましくは少なくとも２０％、前記プラズマ部を出た前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインの前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する前記混合物のすべての原子の前記第２の反応部における平均滞留時間から逸脱した、請求項１～７のいずれか一項に記載の水素および固体炭素を生成する装置。
  9. 熱プラズマによりＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスから水素および固体炭素を生成するプロセスであって、
    ａ）Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを供給する装置からＣ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを引き出すステップと、
    ｂ）Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを引き出す装置から引き出した前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを少なくとも１つの第１の反応器に導入するステップであって、前記反応器が、電気アークにより熱プラズマを生成する反応器であり、前記反応器が、
    ｉ）プラズマ部であって、
    前記プラズマ部内に延びる電気アークを生成するアノードおよびカソードと、
    Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを前記反応器の前記プラズマ部に導入する少なくとも１つの第１の供給ラインと、
    を備え、
    前記アノードが、前記プラズマガスの主流の流れ方向に沿い、内面を有する中空チャネルと、前記プラズマガスの主流の流れ方向で、主流の流れ方向に前記アノードの開口端を形成する出口と、前記少なくとも１つの第１の供給ラインを介して前記反応器の前記プラズマ部に導入された前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを受け入れる少なくとも１つの入口と、を有し、前記入口が、主流の流れ方向と反対の方向を向いた前記アノードの開口端を形成し、前記アノードが、主流の流れ方向と反対の方向を向いた前記アノードの前記開口端および主流の流れ方向の前記アノードの前記開口端を介して前記プラズマガスが前記中空チャネルを流れるように構成され、前記プラズマガスが、前記アノードを通過する際に、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面に接触し、
    前記アノードおよび前記カソードが、前記アノードおよび前記カソードにより生成された前記電気アークが前記プラズマ部に形成されることで、前記少なくとも１つの第１の供給ラインを通じて前記プラズマ部に導入された前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスから、プラズマ状態のプラズマガスを前記プラズマ部に形成するように配置され、前記アノードに接触する前記電気アークのフットポイントが、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上に位置付けられた、プラズマ部と、
    ｉｉ）主流の流れ方向における前記反応器の前記プラズマ部の直ぐ下流にある第２の反応部であって、
    第１の副部および主流の流れ方向における前記第１の副部の直ぐ下流にある第２の副部と、
    前記反応器から成分を引き出す出口手段であって、主流の流れ方向における前記第２の反応部の端部に位置付けられた、出口手段と、
    を備え、
    前記第１の副部が、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを前記第２の反応部に導入する少なくとも１つの第２の供給ラインを備え、主流の流れ方向に沿った前記少なくとも１つの第２の供給ラインの位置が、前記第２の反応部およびその第１の副部の始点を規定する、第２の反応部と、を備え、
    前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスが、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを前記反応器の前記プラズマ部に導入する前記少なくとも１つの第１の供給ラインを介して前記反応器に導入される、ステップと、
    ｃ）前記反応器の前記プラズマ部内に延びる前記アノードおよびカソードによって電気アークを生成するステップと、
    ｄ）Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを前記プラズマ部に導入する前記少なくとも１つの第１の供給ラインを介して前記プラズマ部に導入された前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスから、前記電気アークによって、前記反応器の前記プラズマ部にプラズマ状態のプラズマガスを形成するステップと、
    ｅ）Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを前記第２の反応部に導入する前記少なくとも１つの第２の供給ラインを介して、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを前記第２の反応部の前記第１の副部に導入するステップであって、
    前記導入が、前記少なくとも１つの第２の供給ラインを介して前記第２の反応部に導入された前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスが主流の流れ方向における前記アノードおよびカソードにより生成された前記電気アークのフットポイントの下流で前記プラズマ状態のプラズマガスに導入されることで、前記少なくとも１つの第２の供給ラインの下流の前記第２の反応部の前記第１の副部において、前記プラズマ部を出た前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインを介して前記第２の反応部の前記第１の副部に導入された前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスから混合物が形成されるように行われ、
    前記少なくとも１つの第２の供給ラインを介して前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスが前記プラズマ状態のプラズマガスに導入された位置において、前記プラズマ状態のプラズマガスが、１２００～３０００℃の範囲の平均温度を有するとともに、アセチレンを含むことにより、前記少なくとも１つの第２の供給ラインから前記第２の反応部の前記第１の副部の端部までの範囲において、平均温度が少なくとも８５０℃、好ましくは少なくとも１０５０℃で、かつ、３０００℃未満の前記プラズマ状態のプラズマガスへの前記少なくとも１つの第２の供給ラインを介した前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスの導入に由来する混合物を形成する、ステップと、
    ｆ）主流の流れ方向に前記混合物を下流へと前記第２の反応部に通過させるステップであって、
    前記通過が、前記第２の反応部の前記第１の副部において、前記プラズマ部を出た前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインの前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する前記混合物の原子の平均滞留時間が１００ｍｓ～２０００ｍｓの範囲、好ましくは２００ｍｓ～１０００ｍｓの範囲となるようになされ、
    前記通過が、前記第２の反応部全体において、前記プラズマ部を出た前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインの前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する前記混合物の原子の平均滞留時間が２００ｍｓ～２００００ｍｓの範囲、好ましくは４００ｍｓ～１００００ｍｓの範囲となるようになされ、
    前記プラズマ部を出た前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインの前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する前記混合物の原子の少なくとも５％の前記第２の反応部における滞留時間が、前記プラズマ部を出た前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインの前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する前記混合物のすべての原子の前記第２の反応部における平均滞留時間から少なくとも５％絶対数で逸脱し、好ましくは前記プラズマ部を出た前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインの前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する前記混合物の原子の少なくとも１０％の前記第２の反応部における滞留時間が前記プラズマ部を出た前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインの前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する前記混合物のすべての原子の前記第２の反応部における平均滞留時間から少なくとも１０％絶対数で逸脱し、より好ましくは少なくとも１５％、さらに好ましくは少なくとも２０％、前記プラズマ部を出た前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインの前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する前記混合物のすべての原子の前記第２の反応部における平均滞留時間から絶対数で逸脱し、
    前記第２の反応部、好ましくは前記プラズマ部において前記混合物に発生する反応によって、水素および固体炭素が生成される、ステップと、
    ｇ）前記第２の反応部の前記第２の副部における前記混合物の平均温度を少なくとも６５０℃、好ましくは少なくとも７５０℃、より好ましくは少なくとも８５０℃かつ１５００℃未満に調整するステップであって、前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインを介して導入された前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスの前記混合物の前記第２の反応部の端部における平均温度が、少なくとも２００Ｋ、好ましくは少なくとも４００Ｋ、より好ましくは少なくとも６００Ｋの平均温度に調整され、前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスが前記少なくとも１つの第２の供給ラインを介して前記プラズマ状態のプラズマガスに導入された位置における前記プラズマ状態のプラズマガスの平均温度よりも低い、ステップと、
    ｈ）前記反応器から前記混合物を引き出す出口手段を介して前記反応器の端部で前記混合物を引き出すステップであって、前記出口手段が、主流の流れ方向における前記第２の反応部の端部に位置付けられた、ステップと、
    を含むことを特徴とする、プロセス。
  10. 前記プロセスが、ｉ）前記混合物の固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置で、前記出口手段を介して引き出された前記混合物を処理することで、前記混合物の濃縮された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れと、前記混合物のガス状成分および前記混合物の低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れと、を生成するステップをさらに含み、
    前記ステップｉ）が、好ましくは前記反応器に形成された固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置において行われ、前記固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置が、前記混合物の固体成分、好ましくはカーボンブラックからガス状成分を分離することで、前記混合物の前記固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮するのに用いられ、前記固体成分を濃縮する少なくとも１つの装置が、
    前記反応器の前記出口手段と流体連通し、
    前記固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置に入る前記混合物と比較して濃縮された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れ用の少なくとも１つの出口を有し、
    前記混合物のガス状成分と、前記固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置に入る前記混合物と比較して低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックと、を含む流れ用の少なくとも１つの出口を有し、および／または
    前記第２の反応部の始点から前記混合物の固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する装置までおよび該装置を含む範囲において、前記プラズマ部を出た前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインの前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスに由来する前記混合物の原子の平均滞留時間が、２００ｍｓ～２００００ｍｓの範囲である、請求項９に記載のプロセス。
  11. 前記プロセスが、
    ｊ）前記混合物のガス状成分および前記混合物の低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む前記流れを少なくとも１つの装置で処理して、前記混合物のガス状成分および前記混合物の低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む前記流れと比較して濃縮された濃度の水素を有する流れを生成するステップをさらに含み、
    前記ステップｊ）が、好ましくは、前記混合物のガス状成分、および前記固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する少なくとも１つの装置に入る前記混合物と比較して低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む前記流れから水素を濃縮する少なくとも１つの装置において行われ、前記水素を濃縮する少なくとも１つの装置が、
    前記混合物の固体成分、好ましくはカーボンブラックを濃縮する前記少なくとも１つの装置の、低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む流れ用の少なくとも１つの出口と流体連通し、
    前記混合物のガス状成分を含む前記流れと比較して濃縮された濃度の水素と、前記水素を濃縮する少なくとも１つの装置に入る低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックと、を含む流れ用の少なくとも１つの出口を有し、
    前記混合物のガス状成分、および前記水素を濃縮する少なくとも１つの装置に入る低減された濃度の固体成分、好ましくはカーボンブラックを含む前記流れと比較して低減された濃度の水素を含む流れ用の少なくとも１つの出口を有する、請求項１０に記載のプロセス。
  12. 前記反応器が、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上の前記電気アークのフットポイントの主流の流れ方向における下流の前記プラズマ部の端部までの範囲において、前記第２の反応部の前記第１の副部および／または前記プラズマ部における少なくとも１つの点に、主流の流れ方向に直交する流れ断面を備え、前記流れ断面が、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上の前記電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交する前記アノードの平均流れ断面と比較して、少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍大きく、好ましくは、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上の前記電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交する前記アノードの平均流れ断面と比較して主流の流れ方向に直交する流れ断面が少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍大きい主流の流れ方向における最上流点の直ぐ上流の圧力が、０．５～３０ｂａｒ過圧の範囲内であることを特徴とする、請求項９～１１のいずれか一項に記載のプロセス。
  13. 前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスが、前記少なくとも１つの第２の供給ラインを介して、主流の流れ方向に直交して前記プラズマ状態のプラズマガスに導入され、および／または
    Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスの前記第２の反応部への少なくとも１回の第３の導入が行われ、前記第３の導入が、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを前記第２の反応部に導入する前記少なくとも１つの第２の供給ラインの下流で主流の流れ方向に配置された少なくとも１つの第３の供給ラインを介して行われ、好ましくは前記少なくとも１つの第３の供給ラインの位置が前記第２の反応部の前記第２の副部の始点を規定することを特徴とする、請求項９～１２のいずれか一項に記載のプロセス。
  14. 水素および／またはＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスに分散した固体炭素、好ましくはカーボンブラック、好ましくは請求項１０または１１に記載の前記プロセスにおいて生成されかつ分離されたカーボンブラックに由来する一部のカーボンブラック、が直接、または好ましくはＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスを前記第２の反応部の前記第１の副部に導入する少なくとも１つの第２の供給ラインへの導入によって、前記第２の反応部に導入され、前記第２の反応部への導入点の直前またはＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスを前記第２の反応部の前記第１の副部に導入する少なくとも１つの第２の供給ラインへの導入点の直前の固体炭素含有ガス流、好ましくはカーボンブラック含有ガス流の固体炭素濃度、好ましくはカーボンブラック濃度がそれぞれ、好ましくは、１ｇ／ｍＮ ３～１００ｇ／ｍＮ ３の範囲であり、好ましくは、前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガス流の流量および前記少なくとも１つの第２の供給ラインの前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガス流の流量の合計に対して、前記第２の反応部への導入点の直前または前記少なくとも１つの第２の供給ラインへの導入点の直前の固体炭素含有ガス流、好ましくはカーボンブラック含有ガス流の流量のｍＮ ３／ｈに関する比がそれぞれ、０．０１％～１０％、好ましくは０．１％～５％の範囲であり、および／または
    前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスが前記少なくとも１つの第２の供給ラインを介して前記プラズマ状態のプラズマガスに導入される位置において、前記プラズマ状態のプラズマガスが、少なくとも２体積％、好ましくは少なくとも４体積％、より好ましくは少なくとも６体積％、最も好ましくは８体積％超のアセチレンを含み、ならびに／または
    前記アノードおよびカソードにより生成された前記電気アークが、前記カソードから前記アノードまで延びた軸の周りに回転し、好ましくは前記電気アークの回転が磁気装置または前記少なくとも１つの第１の供給ラインを介した前記プラズマ部への導入に先立って前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスの旋回を誘導する装置から成る群から選択される手段によってもたらされ、好ましくは前記電気アークが主流の流れ方向に配向した軸の周りに回転し、好ましくは前記電気アークが少なくとも０．１ｓ－１、より好ましくは少なくとも０．２ｓ－１、さらに好ましくは少なくとも０．５ｓ－１の周波数で回転することを特徴とする、請求項９～１３のいずれか一項に記載のプロセス。
  15. 前記第２の反応部において、前記混合物における付加的な乱流および／または逆混合が誘導され、特に、前記混合物の前記付加的な乱流が、特にパッシブグリッド、静的ミキサー、前記反応器のベンド、およびこれらの組み合わせから成る群から選択される、前記混合物の乱流および／または逆混合を誘導する少なくとも１つの装置を用いて、前記少なくとも１つの第２の供給ラインの下流で主流の流れ方向において、誘導されることを特徴とする、請求項９～１４のいずれか一項に記載のプロセス。
  16. 前記少なくとも第１の反応器の前記アノードおよびカソードが同心であり、前記カソードが主軸が主流の流れ方向に沿って延びた中空チャネルを有し、前記中空チャネルが２つの対向端部を有し、主流の流れ方向と反対の方向を向いた端部が閉鎖され、かつ、前記プラズマガスの主流の流れ方向を向いた端部が開放されるとともに、主流の流れ方向と反対の方向を向いた前記アノードの前記開口端の上流で同心に位置決めされ、前記アノードおよびカソードが、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面および前記カソードの前記中空チャネルの前記内面に前記電気アークのフットポイントがそれぞれ接触するように配置されており、好ましくは前記アノードおよびカソードが主流の流れ方向を向いた前記カソードの端部と主流の流れ方向と反対の方向を向いた前記アノードの端部との間に主流の流れ方向の間隙が存在するように配置されており、前記間隙の長さが、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上の前記電気アークのフットポイントの範囲における前記アノードの前記中空チャネルの平均内径の好ましくは少なくとも０．３倍、より好ましくは少なくとも０．５倍であり、好ましくは前記少なくとも１つの第１の供給ラインが前記少なくとも１つの第１の供給ラインを介した前記プラズマガスの前記反応器のプラズマ部への前記導入が前記アノードと前記カソードとの間の前記間隙の中に行われるように配置され、および／または
    前記プラズマガスおよび／または前記少なくとも１つの第２の供給ラインの前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスが、天然ガスまたはメタンを含むガスであることを特徴とする、請求項９～１５のいずれか一項に記載のプロセス。
  17. 請求項９～１６のいずれか一項に記載の熱プラズマによりＣ１～Ｃ４アルカン含有ガスから水素および固体炭素を生成するプロセスにおける装置の使用であって、前記装置が、電気アークにより熱プラズマを生成する少なくとも１つの反応器を備え、前記反応器が、
    ｉ）プラズマ部であって、
    前記プラズマ部内に延びる電気アークを生成するアノードおよびカソードと、
    Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを前記反応器の前記プラズマ部に導入する少なくとも１つの第１の供給ラインと、
    を備え、
    前記アノードが、内面を有する前記プラズマガスの主流の流れ方向に沿った中空チャネルと、主流の流れ方向に前記アノードの開口端を形成する前記プラズマガスの主流の流れ方向の出口と、前記少なくとも１つの第１の供給ラインを介して前記反応器の前記プラズマ部に導入された前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスを受け入れる少なくとも１つの入口と、を有し、前記入口が、主流の流れ方向と反対の方向を向いた前記アノードの開口端を形成し、前記アノードが、主流の流れ方向と反対の方向を向いた前記アノードの前記開口端および主流の流れ方向の前記アノードの前記開口端を介して前記プラズマガスが前記中空チャネルを流れるように構成され、前記プラズマガスが、前記アノードを通過する際に、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面に接触し、
    前記アノードおよび前記カソードが、前記アノードおよび前記カソードにより生成された前記電気アークが前記プラズマ部に形成されることで、前記少なくとも１つの第１の供給ラインを通じて前記プラズマ部に導入された前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有プラズマガスから、プラズマ状態のプラズマガスを前記プラズマ部に形成するように配置され、前記アノードに接触する前記電気アークのフットポイントが、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上に位置付けられた、プラズマ部と、
    ｉｉ）主流の流れ方向において前記反応器の前記プラズマ部の直ぐ下流にある第２の反応部であって、
    第１の副部および主流の流れ方向において前記第１の副部の直ぐ下流にある第２の副部と、
    前記反応器から成分を引き出す出口手段であって、主流の流れ方向において前記第２の反応部の端部に位置付けられた、出口手段と、
    を備え、
    前記第１の副部が、Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスを前記第２の反応部に導入する少なくとも１つの第２の供給ラインを備え、
    前記少なくとも１つの第２の供給ラインが、前記少なくとも１つの第２の供給ラインを介して前記反応器に導入された前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスが主流の流れ方向における前記電気アークのフットポイントの下流の位置で前記プラズマ状態のプラズマガスに導入されることで、前記少なくとも１つの第２の供給ラインの下流の前記第２の反応部の前記第１の副部において、前記プラズマ部を出た前記プラズマ状態のプラズマガスおよび前記少なくとも１つの第２の供給ラインの前記Ｃ１～Ｃ４アルカン含有ガスから混合物が形成されるように配置され、
    主流の流れ方向に沿った前記少なくとも１つの第２の供給ラインの位置が、前記第２の反応部および前記第１の副部の始点を規定し、
    前記アノードの前記中空チャネルの前記内面が前記電気アークに対向し、前記反応器の前記プラズマ部の端部まで達する最上流位置を始点とする前記プラズマ部の容積が、０．０００１ｍ３～０．４ｍ３の範囲、好ましくは０．００１～０．２ｍ３の範囲であり、かつ、基準容積を規定し、
    前記第２の反応部の前記第１の副部の容積が、前記基準容積の１０～２００倍の範囲、好ましくは前記基準容積の２０～１００倍の範囲であり、
    前記第２の反応部全体の容積が、前記基準容積の２０～２０００倍の範囲、好ましくは前記基準容積の４０～１０００倍の範囲である、第２の反応部と、
    を備え、
    前記反応器が、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上の前記電気アークのフットポイントの主流の流れ方向における下流の前記プラズマ部の端部までの範囲において、前記第２の反応部の前記第１の副部および／または前記プラズマ部における少なくとも１つの点に、主流の流れ方向に直交する流れ断面を備え、前記流れ断面が、前記アノードの前記中空チャネルの前記内面上の前記電気アークのフットポイントの範囲における主流の流れ方向に直交する前記アノードの平均流れ断面と比較して、少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍大きいことを特徴とする、使用。

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