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KR20040029388A - Chemical processing using non-thermal discharge plasma - Google Patents

Chemical processing using non-thermal discharge plasma Download PDF

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KR20040029388A
KR20040029388A KR10-2004-7001530A KR20047001530A KR20040029388A KR 20040029388 A KR20040029388 A KR 20040029388A KR 20047001530 A KR20047001530 A KR 20047001530A KR 20040029388 A KR20040029388 A KR 20040029388A
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KR
South Korea
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electrode
chemical
plasma
opening
reforming
Prior art date
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Withdrawn
Application number
KR10-2004-7001530A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
리카토파스칼
휴스톤에드워드
크로우리차드
Original Assignee
플라스마솔 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 플라스마솔 코포레이션 filed Critical 플라스마솔 코포레이션
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Abstract

비열 모세관 방전 플라스마(NT-CDP)유닛 또는 비열 슬롯 방전 플라스마(NT-SPD) 유닛(총괄적으로 "NT-CDP/SDP"라 칭함)을 이용하여 화학 반응을 활성화시키는 방법. NT-CDP/SDP 유닛은 두개의 유전체 층(8,9)간에 배치된 제 1 전극을 포함하고, 여기서, 제 1 전극과 유전체 층은 그것을 통해 한정된 한개이상의 개구부(예컨대, 모세관 또는 슬롯)을 갖는다. 유전체 슬리브(3)은 개구부 내로 삽입되고, 한개 이상의 제 2 전극(2) (예컨대, 핀, 링, 금속 와이어 또는 테이퍼 금속 블레이트 형)은 조합 개구부가 있는 유체 연통내에 배치시킨다. 제 1 전극과 제 2 전극간에 전압차가 인가될 경우, 비열 플라스마 방전을 개구부로부터 방출시킨다. 그 다음, 처리하려고 하는 화학 공급 원료를 비열 플라스마에 노출시킨다. 이 공정은 다음의 예시적인 화학 반응에 적합하다; (i) 관능 유기 화합물을 생산하기 위한 탄화수소 공급 원료의 부분 산화; (ii) 폴리서 섬유 (예컨대, 탄소 섬유 생산 공정에서의 PAN 섬유 전구체)의 화학 안정화;(iii) 개질에 적합한 공급 원료를 발생시키기 위한 더 긴사슬 길이의 석유 탄화수소의 사전-개질(pre-reforming); (iv) 일산화 탄소 및 수소 가스를 생산하기 위한 화학적으로 환원 분위기 (예컨대, 암모니아 또는 우레아)에서의 천연 가스 개질; 또는 (v) 플라스마 강화 워터 가스 시프팅(plasma enhanced water gas shifting).A method of activating a chemical reaction using a non-thermal capillary discharge plasma (NT-CDP) unit or a non-thermal slot discharge plasma (NT-SPD) unit (collectively referred to as "NT-CDP / SDP"). The NT-CDP / SDP unit includes a first electrode disposed between two dielectric layers 8, 9, where the first electrode and the dielectric layer have one or more openings (eg, capillaries or slots) defined therethrough. . The dielectric sleeve 3 is inserted into the opening and one or more second electrodes 2 (eg, in the form of pins, rings, metal wires or tapered metal blisters) are placed in fluid communication with a combination opening. When a voltage difference is applied between the first electrode and the second electrode, the nonthermal plasma discharge is released from the opening. The chemical feedstock to be treated is then exposed to non-thermal plasma. This process is suitable for the following exemplary chemical reactions; (i) partial oxidation of hydrocarbon feedstocks to produce functional organic compounds; (ii) chemical stabilization of polycer fibers (eg, PAN fiber precursors in carbon fiber production processes); (iii) pre-reforming longer chain length petroleum hydrocarbons to generate feedstocks suitable for reforming. ); (iv) natural gas reforming in a chemically reducing atmosphere (eg, ammonia or urea) to produce carbon monoxide and hydrogen gas; Or (v) plasma enhanced water gas shifting.

Description

비열 방전 플라스마를 이용한 화학 공정{CHEMICAL PROCESSING USING NON-THERMAL DISCHARGE PLASMA}Chemical process using non-thermal discharge plasma {CHEMICAL PROCESSING USING NON-THERMAL DISCHARGE PLASMA}

산업적으로 중요한 화학 반응을 일으키기 위한 전기 방전의 이용은 공지되어 있고, 장기간 이용되어져 왔다. 전기 방전의 존재하에 일어나는 가장 오래되고 가장 효과적인 화학 변환 중 하나는 오존 발생이다. 발생된 오존은 불포화 탄화수소와 반응하여 오존화물, 알데히드 및 케톤을 합성할 수 있다. Knight, Henry de Boyne,The arc discharge;its application to power control, London, Chapman & Hall (1960)에 기술된 바와 같이, 종래 초기의 가스 방전 장치는 전기 아크(열 플라스마)에 반응 가스를 노출시킴으로써 작동된다.The use of electrical discharges to produce industrially important chemical reactions is known and has been used for a long time. One of the oldest and most effective chemical transformations that occur in the presence of electrical discharges is ozone generation. The generated ozone can react with unsaturated hydrocarbons to synthesize ozones, aldehydes and ketones. Knight, Henry de Boyne, The arc discharge ; As described in its application to power control , London, Chapman & Hall (1960), conventional early gas discharge devices are operated by exposing a reactant gas to an electric arc (thermal plasma).

최근의 화학 공정에서는 열과 비열 플라스마 모두를 이용하여 수행되었다. Paulauskas 등의 미국 특허 제 6,372,192호는 플라스마를 이용하여 탄소 섬유 제조 공정을 기술한다. 이 특허 공정에서는, 탄소 섬유 공정중 첫번째 단계로서, 안정화 폴리아크릴로니트릴(PAN) 섬유를 저압 무산소 대기하에 GHz 주파수(frequency) 플라스마를 이용하여 탄소 흑연 섬유로 전환시킨다. 그러나, 상기 특허는 공정의 초기 단계에서 PAN 섬유를 안정화시키기 위해 산소 풍부 플라스마를 이용하는 것을 개시하거나 제시하지 않았다. 이 특허는 비열 플라스마의 이용을 교시하는가?Recent chemical processes have been carried out using both thermal and nonthermal plasmas. US Pat. No. 6,372,192 to Paulauskas et al describes a carbon fiber manufacturing process using plasma. In this patented process, as a first step in the carbon fiber process, stabilized polyacrylonitrile (PAN) fibers are converted to carbon graphite fibers using a GHz frequency plasma under low pressure oxygen free atmosphere. However, this patent does not disclose or suggest the use of oxygen rich plasma to stabilize PAN fibers in the early stages of the process. Does this patent teach the use of non-thermal plasma?

압도적으로 수소 연료 전지에 다시 관심을 갖고 있기 때문에, 플라스마 보조연료 개질(reforming) 및 연료 전환 분야의 연구와 개발도 최근에 현저하게 진보하였다. 예를 들어, Cohm 등의 미국 특허 제 6,322,757호 및 본 명세서에 인용된 참고문헌은 수소 풍부 가스를 생산하기 위한 탄화수소를 개질하기 위한 플라스마트론과 같은 플라스마 연료 전환을 개시한다. Detering 등의 미국 특허 제 6,395,197호는 경질 탄화수소(천연가스)로 요구되는 최종 생성물, 특히 2원자 수소 및 원소 탄소로 열전환시키는 방법 및 고온 장치를 기술한다. 또 다른 특허 발명으로, Eliasson 등의 미국 특허 제 6,375,832호는 수소(예컨대 메탄) 및 탄소(예컨대 이산화탄소) 풍부 가스를 표준 액체 연료로 화학적으로 전환시키는 방법을 교시한다. 이 플라스마 보조 피셔-트롭스크 합성(Fischer-Tropsch synthesis)은 고형 제올라이트 촉매와 컨쥬게이션하에 유전체 장벽 방전을 이용함으로써 수행된다.Due to the overwhelming interest in hydrogen fuel cells, recent research and developments in the field of plasma auxiliary fuel reforming and fuel conversion have also made significant strides. For example, US Pat. No. 6,322,757 to Cohm et al. And references cited herein disclose plasma fuel conversion, such as plasmatrons to reform hydrocarbons for producing hydrogen rich gases. US Pat. No. 6,395,197 to Detering et al. Describes a method and high temperature apparatus for thermal conversion to the end products required for light hydrocarbons (natural gas), in particular biatomic hydrogen and elemental carbon. In another patent invention, US Pat. No. 6,375,832 to Eliasson et al. Teaches a method for chemically converting hydrogen (such as methane) and carbon (such as carbon dioxide) rich gases into standard liquid fuels. This plasma assisted Fischer-Tropsch synthesis is performed by using dielectric barrier discharge under conjugation with a solid zeolite catalyst.

현저하게 주목받고 있는 또 다른 플라스마 공정 분야는 습윤성(wetability) 및/또는 표면 부착성(surface adhesion)을 증가시키기기 위한 폴리머 물질의 플라스마 활성 표면 처리이며, 예를들어 L.A. Rosenthal 및 D.A.Davis의 "Electircal Characterization of a Corona Discharge for Surface Treatment",IEEE Transaction on Industry Applications, vol. 1A-11 No. 3, pp.328-335(1975년 5월/6월), S. Han, Y. Lee, H. Kim, G. Kim, J. Lee, J. Yoon, G.Kim의 "Polymer Surface Modification by Plasma Source Ion Implantation",Surface & Coatings Technology, vol. 93, pp. 261-264(1997), 및 Grace 등의 미국 특허 No. 6,399,159에 기재되어 있다.Another notable area of plasma processing is plasma active surface treatment of polymeric materials to increase wettability and / or surface adhesion, e.g. "Electircal Characterization by LA Rosenthal and DADavis. of a Corona Discharge for Surface Treatment ", IEEE Transaction on Industry Applications , vol. 1A-11 No. 3, pp.328-335 (May / June 1975), "Polymer Surface Modification by S. Han, Y. Lee, H. Kim, G. Kim, J. Lee, J. Yoon, G.Kim Plasma Source Ion Implantation ", Surface & Coatings Technology , vol. 93, pp. 261-264 (1997), and US Pat. 6,399,159.

그러므로 2000년 12월 15일에 출원된 미국 특허 No. 09/738,923호 및 2002년2월 19일에 출원된 미국 특허 No. 60/358,340호에 기술된 바와 같이, NT-CDP/SDP를 이용함으로써 화학 공정을 최적으로 활용하는 것이 바람직하며, 각각의 출원은 그 전체가 본 출원에 참고 삽입 되어 있다.Therefore, U.S. Patent No. No. 09 / 738,923 and US patent no. Filed Feb. 19, 2002. As described in 60 / 358,340, it is desirable to utilize the chemical process optimally by using NT-CDP / SDP, with each application incorporated by reference in its entirety.

발명의 요약Summary of the Invention

본 발명은 화학 공정을 강화시키는 방법에 관한것으로, 특히, 본 발명은 NT-CDP/SDP 유닛을 이용하여 화학 반응을 활성화 시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 NT-CDP/SDP 유닛은 두개의 유전체층 사이에 배치된 제 1 전극을 포함하며, 여기서, 제 1 전극과 유전체층은 그것을 통해 한정된 한개 이상의 개구부(opening)(예컨대, 모세관 또는 슬롯)를 갖는다. 한개 이상의 제 2 전극(예컨대, 핀, 링, 금속 와이어 또는 페이퍼 금속 블레이드형)을 조합 개구부가 있는 유체 연통(fluid communication)내에 배치시킨다. 제 1 전극과 제 2 전극간의 전압차가 인가될 경우, 비열 플라스마 방전을 개구부로부터 방출시킨다. 그 다음, 처리하려고 하는 화학 공급 원료를 비열 플라스마에 노출시킨다. 이 공정은 다음의 예시적인 화학 반응에 적합하다; (i) 관능 유기 화합물을 생산하기 위한 탄화수소 공급 원료의 부분 산화; (ii) 폴리서 섬유 (예컨대, 탄소 섬유 생산 공정에서의 PAN 섬유 전구체)의 화학 안정화;(iii) 개질에 적합한 공급 원료를 발생시키기 위한 더 긴사슬 길이의 석유 탄화수소의 사전-개질(pre-reforming); (iv) 일산화 탄소 및 수소 가스를 생산하기 위한 화학적으로 환원 분위기 (예컨대, 암모니아 또는 우레아)에서의 천연 가스 개질; 또는 (v) 플라스마 강화 워터 가스 시프팅(plasma enhanced water gas shifting).The present invention relates to a method of enhancing a chemical process, and more particularly, to a method of activating a chemical reaction using an NT-CDP / SDP unit. The NT-CDP / SDP unit according to the invention comprises a first electrode disposed between two dielectric layers, wherein the first electrode and the dielectric layer have one or more openings (eg, capillaries or slots) defined therethrough. Have One or more second electrodes (eg, pins, rings, metal wires or paper metal blades) are placed in fluid communication with combination openings. When the voltage difference between the first electrode and the second electrode is applied, the nonthermal plasma discharge is released from the opening. The chemical feedstock to be treated is then exposed to non-thermal plasma. This process is suitable for the following exemplary chemical reactions; (i) partial oxidation of hydrocarbon feedstocks to produce functional organic compounds; (ii) chemical stabilization of polycer fibers (eg, PAN fiber precursors in carbon fiber production processes); (iii) pre-reforming longer chain length petroleum hydrocarbons to generate feedstocks suitable for reforming. ); (iv) natural gas reforming in a chemically reducing atmosphere (eg, ammonia or urea) to produce carbon monoxide and hydrogen gas; Or (v) plasma enhanced water gas shifting.

본 출원은 2000년 12월 15일자로 출원된 미국 특허 출원 제 09/738,923호의 일부 계속 출원이며, 이 출원은 2001년 8월 2일자로 출원된 미국 가특허 출원 제 60/309,530호, 및 2002년 2월 19일자로 출원된 미국 가특허 출원 제 60/358,340호의 이득을 주장한다. 모든 출원은 그 전체가 본 출원에 참고 삽입되어 있다.This application is part of US Patent Application Serial No. 09 / 738,923, filed December 15, 2000, which is a copy of US Provisional Patent Application No. 60 / 309,530, filed August 2, 2001, and 2002. Claim the benefit of US Provisional Patent Application No. 60 / 358,340, filed February 19. All applications are hereby incorporated by reference in their entirety.

본 발명은 플라스마 보조 화학 공정에 관한 것으로, 특히 비열 모세관 방전 플라스마(NT-CDP) 또는 비열 슬롯 방전(NT-SDP)(총괄하여 "NT-CDP/SDP"라 칭함)을 이용하여 종래의 방전 기술(예컨대, 아크, 글리딩 아크 (gliding Arc), 유전체 장벽 방전 (Dielectri Barrier Discharge;DBD) 및 코로나)에 비해 더욱 균일한 방식으로 특정 화학종을 활성화(energize)시킴으로써, 더 높은 수율과 더 우수한 에너지 효율적인 화학 전환을 가능하게 한다. 공간적으로 그리고 시간적으로 균질하지 않는 필라멘트 방전이 생기기 쉬운 종래 방전 기술과는 달리, NT-CDP/SDP 장치는 등가 처리(equivalent treatment)를 유지하는 데에 체적 비효율성(volume inefficiencies)을 최소화하여 확산 안정성 플라스마(diffuse stable plasma)를 발생시킨다. NT-CDP/SDP 장치는 특히, 소망하는 생성물쪽으로 쉽게 다단계적으로 반응시킬 수 있는(cascade) 특정 속도 결정 화학 반응을 선택적으로 일으키도록 조정할 수 있다. 이 특정 방식으로 시스템에 에너지를 부가함으로써 본래 고온 고압에서만 가능했던 화학 반응을 주위 조건하에서 가능하게 한다. 튜닝은 전력, 반응물의 조성과 농도, 캐리어 가스 조성 및 유동 속도, 온도, 압력 및/또는 반응기 기하학을 변화시킴으로써 달성된다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to plasma assisted chemical processes, and in particular, to conventional discharge techniques using non-thermal capillary discharge plasma (NT-CDP) or non-thermal slot discharge (NT-SDP) (collectively referred to as "NT-CDP / SDP"). Higher yields and better energy by energizing certain species in a more uniform manner compared to arcs (e.g., arcing, gliding arc, dielectric barrier discharge (DBD) and corona) Enable efficient chemical conversion. Unlike conventional discharge technology, which is prone to spatially and temporally inhomogeneous filament discharges, NT-CDP / SDP devices minimize diffusion inefficiencies in maintaining equivalent treatment to ensure diffusion stability. Generate a plasma (diffuse stable plasma). NT-CDP / SDP devices can be specifically tuned to selectively produce specific rate crystallization chemical reactions that can easily cascade towards the desired product. By adding energy to the system in this particular way, chemical reactions which were originally possible only at high temperatures and pressures are possible under ambient conditions. Tuning is accomplished by changing the power, composition and concentration of reactants, carrier gas composition and flow rate, temperature, pressure and / or reactor geometry.

본 발명의 전술한 특성 및 다른 특성들은 다음의 상세한 설명과 여러 개의 도면을 통하여 같은 요소들에 같은 참조부호들을 도시한 본 발명의 실시예의 도면으로부터 더욱 명확해 진다.The foregoing and other features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and drawings of embodiments of the invention which show like reference numerals to like elements throughout the several views.

도 1a는 본 발명에 따른 PAN 섬유의 화학 안정화(산화)를 위한 예시적인 환상 NT-CDP 처리 장치의 측면 투시도(side perspective view)이다.1A is a side perspective view of an exemplary annular NT-CDP processing apparatus for chemical stabilization (oxidation) of PAN fibers according to the present invention.

도 1b는 도 1a의 장치의 종축으로 수직한 측단면도이다.1B is a side cross-sectional view perpendicular to the longitudinal axis of the device of FIG. 1A.

도 1c는 도 1b의 장치에서 단일 모세관 고리 전극을 확대시킨 종단면도이다.1C is an enlarged longitudinal sectional view of a single capillary ring electrode in the device of FIG. 1B.

도 2a는 본 발명에 따른 예시적인 가스상 NT-CDP 보조 화학 공정 유닛의 단면도이다.2A is a cross-sectional view of an exemplary gas phase NT-CDP auxiliary chemical process unit in accordance with the present invention.

도 2b는 도 2a의 장치의 단일 모세관의 확대도이다.FIG. 2B is an enlarged view of a single capillary of the device of FIG. 2A.

도 3a는 NH3로부터 H2를 형성시키기 위한 시간에 대한 수소 검출기 판독값의 예시적인 그래프이다.3A is an exemplary graph of hydrogen detector readings versus time for forming H 2 from NH 3 .

도 3b는 시간에 대한 수소 가스 농도의 예시적인 그래프이다.3B is an exemplary graph of hydrogen gas concentration over time.

도 4a는 본 발명에 따른 PAN 섬유의 화학 안정화(산화)를 위한 예시적인 환상 NT-SDP 처리 장치의 측면 투시도이다.4A is a side perspective view of an exemplary annular NT-SDP processing apparatus for chemical stabilization (oxidation) of PAN fibers in accordance with the present invention.

도 4b는 도 4a의 장치의 종축으로 수직한 측단면도이다.4B is a side cross-sectional view perpendicular to the longitudinal axis of the device of FIG. 4A.

도 4c는 도 4b의 장치에서 단일 종와이어 전극을 확대시킨 종단면도이다.4C is an enlarged longitudinal sectional view of a single longitudinal wire electrode in the device of FIG. 4B.

본 발명은 화학 반응을 활성화시키는(촉진시키는) 방법에 관한 것이다. 플라스마 용적체(volume)내에 공급되는 전기 방전에 노출된 화학 공정은 특정 화학 변화의 수율 및/또는 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 가스, 액체, 수상 및/또는 고형 전구체를 처리할 수 있다. NT-CDP/SDP에 노출될 경우 강화되는 예시적인 화학 반응의 몇몇 예증된 유형을 하기에 제공하며, 여기서 각각의 공정은 특정 예시적인 반응에 의해 수행된다.The present invention relates to a method of activating (promoting) a chemical reaction. Chemical processes exposed to electrical discharges supplied in plasma volumes can improve the yield and / or energy efficiency of certain chemical changes. Gas, liquid, water phase and / or solid precursors can be treated. Some illustrated types of exemplary chemical reactions that are enhanced when exposed to NT-CDP / SDP are provided below, where each process is performed by a specific exemplary reaction.

(i) 알코올, 알데히드, 케톤 및 카르복실산과 같은 관능 유기 화합물을 생산하기 위한 탄화수소 공급 원료의 부분 산화(i) partial oxidation of hydrocarbon feedstocks to produce functional organic compounds such as alcohols, aldehydes, ketones and carboxylic acids

실시예Example

(ii) 탄소 섬유 생산 공정 경로에서 PAN 전구체의 화학 안정화 "산화"(ii) chemical stabilization "oxidation" of PAN precursors in the carbon fiber production process pathway

실시예Example

(iii) 개질에 적합한 공급 원료를 발생시키 위한 더 긴 사슬 길이 석유 탄화수소의 사전-개질 ("크랙킹")(iii) pre-modification (“cracking”) of longer chain length petroleum hydrocarbons to generate a feedstock suitable for reforming.

실시예Example

(iv) 일산화탄소와 수소 가스 생산을 위한 화학적 환원(암모니아 또는 우레아)분위기에서의 천연 가스 개질(iv) natural gas reforming in a chemical reduction (ammonia or urea) atmosphere for carbon monoxide and hydrogen gas production;

실시예Example

;및; And

(v) 플라스마 강화 워터 가스 시프트 반응(v) plasma enhanced water gas shift reaction

실시예Example

상기 공정 (i) 및 (ii)에서, NT-CDP/CT-SDP를 이용하여 탄화 수소 공급 원료의 비열 부분 산화("냉연소")를 활성화 시킨다. 플라스마는 주위공기로부터 다음의 산화종을 발생시킨다:가스 흐름에서 산소 원자(O (1D)), 히드록실 라디칼(OH), 오존(O3) 및 과산화물 라디칼(HO2). 그 다음 이들 고반응 종은 선택적으로 탄화수소 분자를 산화시켜 반응에서 요구되는 생성물을 생산한다. 예 (i)의 경우에, 소망하는 결과는 CH3(CH2)nCH2OH이다.In steps (i) and (ii) above, NT-CDP / CT-SDP is used to activate the non-thermal partial oxidation ("cold combustion") of the hydrocarbon feedstock. The plasma generates the following oxidizing species from the ambient air: oxygen atoms (O ( 1 D)), hydroxyl radicals (OH), ozone (O 3 ) and peroxide radicals (HO 2 ) in the gas stream. These highly reactive species then selectively oxidize the hydrocarbon molecules to produce the product required for the reaction. In the case of example (i), the desired result is CH 3 (CH 2 ) n CH 2 OH.

상기 (iii)에 기재된 반응은 화학적 중성 플라스마에서 수행되는 것이 바람직하다. 용어:"화학적으로 중성(chemically neutral)"은 화학적으로 불활성 예컨대 헬륨(이로서 한정되지 않음)인 캐리어 가스를 갖는 환경을 칭하며, 이는 직접 전자 충격 해리의 결과이다. 상기 공정 (iv) 및 (v)는 화학적 환원 플라스마에서 우선적으로 일어나며, 화학적 환원 플라스마는 표적 화학물에 전자수를 증가시키는 경향이 있는 플라스마이다. (환원은 산화의 반대이다.) 암모니아 또는 우레아를 가스 흐름에 첨가시켜 메탄에서의 수소를 수소가스로 화학적 환원(공정(i)) 및 워터(공정(ii))을 강화시키는데에 적합한 전자 풍부 플라스마를 생산한다.The reaction described in (iii) above is preferably carried out in a chemical neutral plasma. The term: "chemically neutral" refers to an environment with a carrier gas that is chemically inert, such as but not limited to helium, which is the result of direct electron impact dissociation. Processes (iv) and (v) occur preferentially in chemically reducing plasmas, which are plasmas that tend to increase the number of electrons in the target chemical. (Reduction is the opposite of oxidation.) Electron rich plasma suitable for adding chemical ammonia or urea to the gas stream to chemically reduce hydrogen in methane to hydrogen gas (step (i)) and water (step (ii)). To produce.

도 1a-1c는 특히 PAN 섬유와 같은 폴리머 섬유의 화학적 안정화(산화)에 매우 적합한 예시적인 환상 NT-CDP 공정의 다른 측면을 도시한다. 공정 유닛은 중공 튜브를 형성하기 위한 두개의 절연 유전체 층 (8,9)사에에 배치된 제 2 전극(2)를 포함한다. 소망하는 팽창 계수를 갖기 위하여 제 2 전극(2)을 선택한다. 공정 유닛이 원통 유닛 형태로서 도시되고 기술되었지만, 대안적으로 기하학적인 형태가 고려될 수 있으며, 이는, 본 발명의 범위내에 있다. 고전압 버스(5), 예컨대, 와이어 메쉬 또는 외부 금속 시스(metallic sheath)는 외부 유전체 층(9) 주위에 배치된다.1A-1C illustrate another aspect of an exemplary cyclic NT-CDP process that is particularly well suited for chemical stabilization (oxidation) of polymer fibers such as PAN fibers. The process unit comprises a second electrode 2 disposed at two yarns of insulating dielectric layers 8, 9 for forming the hollow tube. The second electrode 2 is selected to have the desired expansion coefficient. Although the processing unit is shown and described in the form of a cylindrical unit, alternatively, geometric forms may be considered, which are within the scope of the present invention. A high voltage bus 5, for example a wire mesh or an outer metallic sheath, is disposed around the outer dielectric layer 9.

도 1b는 도 1a의 공정 유닛의 종축에 수직한 측단면도이다. 도 1b에 명백히 도시된 바와 같이, 복수개의 모세관(4)는 유전체 층(8), 제 2 전극(2) 및 반대측 유전체 층(9)를 통하여 방사상 바깥쪽으로 한정하는 것이 바람직하다. 예를 들어 석영으로 부터 만들어진 유전체 슬리브(3)를 각각의 모세관(4)내에 삽입하고, 제 2 전극(2)로부터 핀 전극(1)을 절연하도록 핀 전극(1)은 각각의 유전체 슬리브(3)내에 끼운다. 고전압 버스(5)는 일련의 핀 전극(1)을 일반적인 고전압 소스(HV)에 연결한다. 대안적인 배열로, 전극이 모세관에 의해 유체 연통에 있는 한, 전극은 다른 기하학적인 형태를 갖을 수 있고 모세관내에 반드시 끼워질 필요는 없다. 모세관 방전 배열의 몇몇 대안적인 배열들은 미국 특허 출원 제 09/738,923호에 도시되어져 있고 기재되어 있다. 도 1c는 도 1b에 나타낸 단일 모세관의 확대도이다.FIG. 1B is a side cross-sectional view perpendicular to the longitudinal axis of the process unit of FIG. 1A. As clearly shown in FIG. 1B, the plurality of capillaries 4 is preferably radially outwardly through the dielectric layer 8, the second electrode 2 and the opposite dielectric layer 9. For example, a dielectric sleeve 3 made of quartz is inserted into each capillary 4, and the fin electrode 1 is insulated from each dielectric sleeve 3 so as to insulate the fin electrode 1 from the second electrode 2. I put it in). The high voltage bus 5 connects a series of pin electrodes 1 to a common high voltage source HV. In an alternative arrangement, as long as the electrode is in fluid communication by the capillary, the electrode may have other geometric shapes and need not necessarily fit within the capillary. Some alternative arrangements of capillary discharge arrangements are shown and described in US patent application Ser. No. 09 / 738,923. FIG. 1C is an enlarged view of the single capillary tube shown in FIG. 1B.

작업시, 튜브의 채널을 통하여 PAN 섬유(6)을 수용하고 NT-CDP 발생시킨다. 공정 유닛(10)에서 PAN 섬유(6)는 NT-CD 플라스마를 방전시키며, 반대 끝에서 나타난 것은 안정화 PAN 섬유(7)이다.In operation, PAN fibers 6 are received through the channels of the tubes and NT-CDP is generated. In the process unit 10 the PAN fiber 6 discharges the NT-CD plasma and at the opposite end is the stabilized PAN fiber 7.

도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 NT-CDP 가스상 화학 공정 유닛의 두개의 단면을 도시한다. 도 2a의 단면도에 대해 언급하면, 모세관(20)의 시리즈는 유전체 시트 (11)을 통하는 것으로 한정된다. 각각의 모세관(20)내에 유전체 슬리브(12)를 삽입하여 고 유전체 한류 모세관(current limiting capillary)을 형성한다. 각각의 모세관(20)내에 삽입된 것은 핀 또는 니들 전극(10)이다. 핀 또는 니들 전극(10)의 어레이를 일반적인 고전압 소스에 전기적으로 연결하는 것은 와이어 메쉬 또는 금속 시스(metallic sheath)와 같은 고전압 버스(13)이다. 예를들어 석영, 유리 또는 세라믹으로부터 만들어진 유전체 플레이트(14)는 전극 플레이트(15)를 절연하는데에 사용된다. 입구와 출구 트랜지션(16, 17) 각각은 가스를 반응기 용적체(volume)(21)에 의해 일련의 모세관 플라스마 제트에 실질적으로 횡단하여 지나가도록 공정할 수 있다. 밀봉된 매니폴드(manifold)(18)은 니들 전극(10)과 모세관(20)을 경유하여 플라스마 제트를 통해 직접 통과시킨 후, 가스 화학제를 공정 스트림(process stream)내로 배출시킬 수 있다. 엘러먼트(19)는 보조제 가스 출구 포트(port)이다. 바람직한 구체예에서, 시스템은 플라스마 전력을 약 500와트 내지 약 10KW의 범위로 쉽게 스케일할 수 있다. 공정 유닛은 라디오 주파 전력 공급 이용을 최적으로 활용하는 것이 바람직하다. 반응기 갭을 교차하는데에 요구되는 피크-투-피크 전압은 캐리어 가스에 따라, 약 5KV에서 약 50KV로 범위를 정하는 것이 바람직하다.2A and 2B show two cross sections of an NT-CDP gas phase chemical process unit according to the present invention. Referring to the cross-sectional view of FIG. 2A, the series of capillary tubes 20 is limited to through the dielectric sheet 11. Dielectric sleeve 12 is inserted into each capillary 20 to form a high dielectric current limiting capillary. Inserted into each capillary 20 is a pin or needle electrode 10. Electrically connecting the array of pin or needle electrodes 10 to a typical high voltage source is a high voltage bus 13, such as a wire mesh or metallic sheath. Dielectric plate 14 made from, for example, quartz, glass or ceramic is used to insulate electrode plate 15. Each of the inlet and outlet transitions 16, 17 can be processed to pass the gas substantially across the series of capillary plasma jets by a reactor volume 21. The sealed manifold 18 may pass directly through the plasma jet via the needle electrode 10 and the capillary 20, and then discharge the gas chemistry into the process stream. Element 19 is an auxiliary gas outlet port. In a preferred embodiment, the system can easily scale the plasma power in the range of about 500 watts to about 10 KW. The process unit preferably utilizes the use of radio frequency power supply optimally. The peak-to-peak voltage required to cross the reactor gap is preferably ranged from about 5 KV to about 50 KV, depending on the carrier gas.

도 3a 및 3b는 질소 캐리어 가스내에서 iso-옥탄 및 암모니아로 부터의 NT-CDP 보조 수소 형성에 대한 실험적 그래픽 결과이다. 정상 상태 환원을 절연하는 데에 300초의 평형 시간 후에 방전이 시작되었다. 특히, 도 3a는 NH3로부터 H2를 형성하는 실험 동안의 시간에 따른 수소 검출기 판독값(mA)을 나타낸 그래프를 도시한다. 이 실험은 전력 200W, NH4OH의 농도 15M, 및 N2유동 속도 11L/분에서 수행하였다. 도 3b는 시간에 따른 H2 가스 ppm 농도의 그래프 결과를 나타낸 것이다. 이 실험은 전력 2000W, NH3(aq)OH의 농도 15M, 및 N2유동 속도 11L/분에서 수행하였다.3A and 3B are experimental graphical results for NT-CDP auxiliary hydrogen formation from iso-octane and ammonia in nitrogen carrier gas. The discharge started after an equilibrium time of 300 seconds to insulate steady state reduction. In particular, FIG. 3A shows a graph showing the hydrogen detector reading (mA) over time during the experiment to form H 2 from NH 3 . This experiment was conducted at a power of 200 W, a concentration of NH 4 OH of 15 M, and an N 2 flow rate of 11 L / min. Figure 3b shows a graphical result of the ppm concentration of H2 gas over time. This experiment was performed at a power of 2000 W, a concentration of NH 3 (aq) OH 15 M, and an N 2 flow rate of 11 L / min.

본 발명에 따라 NT-CDP 배열을 이용할 경우, 단지 플라스마 (N2트레이스(trace))와 화학적으로 중성인 플라스마(iso-옥탄 트레이스)에서 iso-옥탄 개질로부터 단지 최소량의 수소가 형성하기 때문에 간섭이 존재한다하더라고 조금인 실험 결과를 나타낸다. 암모니아 트레이스는 암모니아의 자촉매 불균형으로 인해 상당량(~1000ppmV)의 수소 형성을 나타낸다. 암모니아의 존재하에 iso-옥탄을 사용할 경우 발견된 시너지 효과에 의해 다량의 수소(~1500ppmV)가 생산 되었다. 생성물 스트림의 GC/MS 분석도 이 수소 형성과 컨쥬게이션하에 상당량의 플라스마 보조 사전-개질(크랙킹)을 나타낸다. 이들을 최적화 시킬 경우, 농축 연료로 부터수소 가스를 생성시키는 비용효과적인 방법을 제공할 수 있다.When using the NT-CDP arrangement in accordance with the present invention, interference is reduced because only a minimal amount of hydrogen is formed from iso-octane reforming in the plasma (N 2 trace) and chemically neutral plasma (iso-octane trace). Even if it exists, it shows a little experimental result. The ammonia traces show significant amounts of hydrogen formation (~ 1000 ppmV) due to ammonia procatalyst imbalance. The synergistic effect of using iso-octane in the presence of ammonia produced large amounts of hydrogen (~ 1500 ppmV). GC / MS analysis of the product stream also shows a significant amount of plasma assisted pre-modification (cracking) under this hydrogen formation and conjugation. Optimizing them can provide a cost-effective way of producing hydrogen gas from concentrated fuels.

본 발명에 따른 NT-CDP 화학 공정 방법은, 시간에 따른 촉매의 소모를 최소화하고 전력 소모를 현저하게 낮추는 통상의 열 및/또는 촉매 방법에 비해 유리하다. 전력 소모가 더 낮은 이유는 전환 생성을 위해 벌크 가스를 가열시키지 않아도 되기 때문이다. 또한, NT-CDP 화학 공정은 유전체 장벽 방전(DBD) 및 코로나 방전(CD)와 같은 그밖의 플라스마 공정에 비해 바람직하다. 그 이유는 NT-CDP를 이용하여 실행하는 상대적으로 큰 용적의 확산 플라스마는 실질적으로 균일하고 효과적인 화학 공정을 가능하게 하기 때문이다. 개시된 화학 공정은 단지 목적을 위한 일례에 불과한 것으로서, 다른 화학 공정 이용에 본 발명의 범위를 한정하려는 여하한 방법을 의도하는 것은 아니다.The NT-CDP chemical process method according to the present invention is advantageous over conventional heat and / or catalyst processes which minimize the consumption of catalyst over time and significantly lower power consumption. The lower power consumption is because the bulk gas does not have to be heated to generate the conversion. NT-CDP chemical processes are also preferred over other plasma processes such as dielectric barrier discharge (DBD) and corona discharge (CD). The reason is that the relatively large volume of diffusion plasma implemented using NT-CDP allows for a substantially uniform and effective chemical process. The disclosed chemical process is merely an example for the purpose and is not intended to limit the scope of the invention to the use of other chemical processes.

도 4a 내지 4c는 본 발명에 따른 NT-SDP 가스상 화학 공정의 예시적인 구체예를 도시한다. 이 구체예는 유닛을 모세관 방전 배열 대신에 슬롯 방전 배열을 이용하는 것을 제외하고 도 2a 내지 2c에 나타내고 기술한 것과 유사하다. 도 4a-4c에서의 슬롯 방전 배열은 특히 PAN 섬유와 같은 폴리머 섬유의 화학 안정화를 위해 매우 적합하다. 이 레퍼런스 구성 요소의 번호는 도 2a-2c에 나타낸 유닛에 기술된 레퍼런스 구성요소와 동일하다. 슬롯(4)를 종축에 실질적으로 평형하게 배열함으로써 도 4a에 나타내었다. 대안적으로, 슬롯(4)를 반응기의 종축에 실질적으로 수직하거나 나선 방향으로 배열시킬 수 있다. 전극(4)를 각각의 슬롯에 삽입시킨다. 구체예로서, 전극(4)는 조합 슬롯의 형상을 보완하고, 슬롯에 근사하고 부분적으로 삽입하고 끼워놓도록 배열된 금속 와이어 일 수 있다. 또 다른 구체예에서, 슬롯은테이퍼 블레이드일 수 있다. 슬롯 방전 배열을 위한 또 다른 배열은 미국 특허 출원 제 60/358/340호에 기재되어 있으며, 그 전체가 본 출원에 참고 삽입되어 있다. 이 슬롯 방전 배열은 모세관 방전 배열에 비해 플라스마 방출의 표면 영역이 더 많이 노출한다.4A-4C illustrate exemplary embodiments of NT-SDP gas phase chemical processes in accordance with the present invention. This embodiment is similar to that shown and described in FIGS. 2A-2C except that the unit uses a slot discharge arrangement instead of a capillary discharge arrangement. The slot discharge arrangement in FIGS. 4A-4C is particularly well suited for chemical stabilization of polymer fibers such as PAN fibers. The number of this reference component is the same as the reference component described in the unit shown in Figs. 2A-2C. It is shown in FIG. 4A by arranging the slot 4 substantially parallel to the longitudinal axis. Alternatively, the slots 4 can be arranged substantially perpendicular to the longitudinal axis of the reactor or in a helical direction. An electrode 4 is inserted into each slot. As an embodiment, the electrode 4 may be a metal wire arranged to complement the shape of the combination slot and approximate and partially insert and insert into the slot. In yet another embodiment, the slot can be a tapered blade. Another arrangement for the slot discharge arrangement is described in US patent application 60/358/340, which is hereby incorporated by reference in its entirety. This slot discharge arrangement exposes more surface area of plasma emission than the capillary discharge arrangement.

그러므로, 본 발명의 바람직한 실시예에 적용된 바와 같은 본 발명의 기본적인 새로운 특징을 도시하고 설명하며, 지적한다할지라도, 그들 작동에서 설명된 장치의 상세함과 형태에서의 다양한 생략과 대체와 변화가 본 발명의 주제 및 범위로부터 벗어나지 않고 당업자에 의해 수행될 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 같은 결과를 달성하도록 실질적으로 같은 방법으로 같은 기능을 수행하는 그들 요소들 및 단계들의 모든 조합이 본 발명의 범위 내에 있음을 명백히 밝힌다. 하나의 기술된 실시예로부터 다른 실시예로의 요소들의 대체는 또한 충분히 기술되고 고려된다. 도면들은 필수적으로 스케일 하도록 만들어지지 않지만, 그들은 단지 본래 개념상의 것임을 또한 알 수 있다. 그러므로, 본 발명에 첨부된 청구항의 범위에 의해 지시된 바와 같이 제한되도록 의도된다.Therefore, although the basic novel features of the invention as applied to the preferred embodiments of the invention are shown, described, and pointed out, various omissions, substitutions, and changes in the details and forms of the devices described in their operation have been made. It will be appreciated that it may be performed by one of ordinary skill in the art without departing from the spirit and scope of the invention. For example, it is evident that all combinations of those elements and steps that perform the same function in substantially the same way to achieve the same result are within the scope of the present invention. The substitution of elements from one described embodiment to another is also sufficiently described and considered. While the drawings are not necessarily made to scale, it can also be seen that they are merely conceptual in nature. It is therefore intended to be limited as indicated by the scope of the claims appended hereto.

본 명세서에 언급된 참고문헌, 공고 및 특허 모두는 각각 그 전체가 본 출원에 참고 삽입되었다.All references, publications, and patents mentioned herein are incorporated by reference in their entirety.

Claims (16)

비열 방전 유닛을 이용하여 화학 반응을 활성화 시키는 방법으로서, 비열 방전 유닛은 두개의 유전체 층간에 배치된 제 1 전극을 포함하고, 여기서 제 1 전극과 유전체 층은 그것을 통해 한정된 개구부를 한개 이상 갖으며, 한개 이상의 제 2 전극은 조합 개구부가 있는 유체 연통(fluid communication)내에 배치되며,A method of activating a chemical reaction using a nonthermal discharge unit, wherein the nonthermal discharge unit includes a first electrode disposed between two dielectric layers, wherein the first electrode and the dielectric layer have one or more openings defined therethrough, At least one second electrode is disposed in fluid communication with a combination opening, 제 1 전극과 제 2 전극간에 전압차를 인가시킴으로써 개구부로 부터 비열 플라스마 방전을 발생시키는 단계;Generating a nonthermal plasma discharge from the opening by applying a voltage difference between the first electrode and the second electrode; 개구부로 부터 방출된 비열 플라스마에 화학 공급원료를 노출시키는 단계를 포함하는 화학반응을 활성화시키는 방법.Exposing the chemical feedstock to the non-thermal plasma released from the opening. 제 1 항에 있어서, 개구부는 모세관이고 유닛은 모세관내에 삽입된 유전체 슬리브를 추가로 포함하는 방법.The method of claim 1 wherein the opening is a capillary and the unit further comprises a dielectric sleeve inserted within the capillary. 제 2 항에 있어서, 개구부는 제 1 전극과 유전체 층을 통하여 방사상 바깥쪽으로 한정되는 방법.The method of claim 2, wherein the opening is defined radially outward through the first electrode and the dielectric layer. 제 2 항에 있어서, 제 2 전극이 금속 핀 또는 링인 방법.The method of claim 2, wherein the second electrode is a metal pin or ring. 제 1 항에 있어서, 개구부가 슬롯인 방법.The method of claim 1 wherein the opening is a slot. 제 5 항에 있어서, 개구부가 종축 방향, 나선 방향, 종축에 실질적으로 수직한 방향으로 배열되는 방법.6. The method of claim 5 wherein the openings are arranged in the longitudinal direction, the helical direction, and the direction substantially perpendicular to the longitudinal axis. 제 5항에 있어서, 제 2 전극이 금속 와이어 또는 테이퍼 금속 블레이드인 방법.The method of claim 5 wherein the second electrode is a metal wire or a tapered metal blade. 제 1 항에 있어서, 제 2 전극을 전압 소스에 열결하는 전압 버스를 추가로 포함하는 방법.The method of claim 1, further comprising a voltage bus connecting the second electrode to the voltage source. 제 8 항에 있어서, 전압 버스가 와이어 메쉬 또는 금속 시스 중 하나인 방법.The method of claim 8, wherein the voltage bus is one of a wire mesh or a metal sheath. 제 1 항에 있어서, 화학 반응이 관능 유기 화합물을 생산하기 위한 탄화수소 공급 원료의 부분 산화인 방법.The process of claim 1 wherein the chemical reaction is a partial oxidation of a hydrocarbon feedstock for producing a functional organic compound. 제 1 항에 있어서, 화학 반응이 폴리머 섬유의 화학 안정화인 방법.The method of claim 1 wherein the chemical reaction is chemical stabilization of the polymer fiber. 제 11 항에 있어서, 폴리머 섬유가 탄소 섬유 공정에서 사용된 폴리아크릴로니트릴 전구체인 방법.The method of claim 11, wherein the polymer fiber is a polyacrylonitrile precursor used in a carbon fiber process. 제 1 항에 있어서, 화학 반응이 개질에 적합한 공급원료를 발생시키기 위한 더 긴 사슬 길이를 갖는 석유 탄화수소의 사전-개질(pre-reforming)인 방법.The process of claim 1, wherein the chemical reaction is pre-reforming a petroleum hydrocarbon with a longer chain length to generate a feedstock suitable for reforming. 제 1 항에 있어서, 화학 반응이 일산화탄소 및 수소 가스를 생산하기 위한 화학적 환원 분위기하에서의 천연 가스 개질인 방법.The process of claim 1, wherein the chemical reaction is natural gas reforming under a chemical reducing atmosphere for producing carbon monoxide and hydrogen gas. 제 14 항에 있어서, 화학적 환원 분위기가 암모니아 또는 우레아인 방법.The method of claim 14, wherein the chemical reducing atmosphere is ammonia or urea. 제 1 항에 있어서, 화학 반응이 플라스마 강화 워터 가스 시프팅인 방법.The method of claim 1 wherein the chemical reaction is plasma enhanced water gas shifting.
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